蓄电池水冷系统智能温度控制系统研制

目 录 摘 要 . 1 章 绪论 . 1 言 . 1 题的研究背景 . 1 艇对蓄电池的要求 . 2 电池环境温度对电解液密度影响分析 . 3 却水管路系统分析 . 4 课题的主要研究内容 . 4 第 2 章 铅酸蓄电池充放电温度模型的建立 . 6 酸蓄电池的电化学基础 . 6 酸蓄电池的电池反应 . 6 酸蓄电池的内阻 . 6 电池温度分析 . 7 经网络充放电温度模型 . 8 工神经网络 . 8 P 网络模型结构 . 9 经网络工具箱 . 9 P 网络的基本算法 . 10 法的具体迭代过程 . 13 酸蓄电池充放电温度模型的建立 . 13 酸蓄电池充电模型的建立 . 14 酸蓄电池放电模型的建立 . 17 章小结 . 20 第 3 章 模糊自适应整定 制方法 . 21 能控制 . 21 糊控制 . 22 糊控制概况 . 22 糊控制器的基本结构与组成 . 22 糊条件句与模糊控制规则 . 23 糊自适应整定 制器设计 . 23 糊自适应整定 制原理 . 23 糊自适应整定 制器结构 . 23 入、输出模糊集及其论域确定 . 24 糊语言隶属函数的确定 . 25 糊控制规则及规则表的确定 . 28 糊推理及解模糊化 . 29 章小结 . 30 第 4 章 智能水冷控制系统硬件设计 . 31 能水冷控制系统总体设计 . 31 制核心电路设计 . 31 度采集与补偿电路 . 32 扩 路设计 . 33 时时钟电路设计 . 34 盘与显示电路设计 . 34 键设计 . 35 示设计 . 35 制输出电路设计 . 36 信接口设计 . 37 源电路设计 . 37 章小结 . 38 第 5 章 智能水冷控制系统软件设计 . 39 件总体设计 . 39 据采集、处理和存储软件设计 . 40 时时钟软件设计 . 43 盘显示软件设计 . 44 键盘软件设计 . 44 示软件设计 . 45 信接口软件设计 . 45 糊自适应整定 件设计 . 46 章小结 . 47 第 6 章 系统调试及问题解决 . 48 统调试 . 48 行通信调试 . 48 机调试 . 49 干扰措施 . 49 章小结 . 50 结 论 . 51 参考文献 . 52 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况 . 55 致 谢 . 56 附 录 . 57 摘 要 在现代化战争中，不管是核动力舰艇还是常规动力舰艇在作战中的地位越来越重要，动力系统直接关系着舰艇的性能及作战运动能力，铅酸蓄电池为舰艇水下航行、武器发射、艇上用电提供动力，是其重要的组成部分。蓄电池性能的好坏直接影响艇上的所有工作，影响战斗机动，因此正确使用蓄电池、改善使用条件、延长其使用寿命，具有重要的战略意义。由于蓄电池的工作特性，在较高温度下进行大电流放电可以获得较高容量；但若电解液温度太高，不但不能提高蓄电池的容量，反而会使蓄电池的容量和使用寿命受到很大的限制。蓄电池在充放电过程中要产生大量的热使电解液温度不断升高， 当电解液温度上升到一定值时，必须对其冷却，保证蓄电池的最佳工作状态。为此，舰艇上需要安装专门的冷却系统。 本文论述了铅酸蓄电池水冷系统的工作机理，用海水冷却蒸馏水，蒸馏水流经电池舱冷却蓄电池，根据水冷系统的具体要求提出了温度智能控制系统的总体设计方案，研制以单片机 核心的控制系统，并给出了系统硬件和软件设计。 片机内部集成 标准串行接口，简化了外围电路的 设计；系统采用大容量串行 储器 为存储介质，结合时钟芯片 实时时间和采集温度信息进行监测和记录，并可以通过 由于铅酸蓄电池机理复杂，水冷系统具有明显的非线性、滞后性和模型不确定性，采用 经网络对蓄电池温度进行仿真研究建立网络模型，反映温度变化趋势；将模糊控制算法引入蓄电池温度水冷系统构成智能控制系统，利用模糊自适应整定高其控制效果。本文详细介绍了硬件系统的设计，分别包括控制核心电路设计、温度采集及补偿模块、数据存储模块、实时时钟模块、按键显示模块、制输出模块，并在此基础上，详细介绍了整个系统各部分的软硬件开发过程。实验结果表明，经过系统的软硬件调试，设计的蓄电池水冷系统智能温度控制系统性能稳定，达到应用要求。 关键词 蓄电池；神经网络；温度控制；模糊控制；数据存储 n or is to or of a on of so of an in if is it to a be to it is to of by to of a of as of of s DC as a C of of P to a of of ID of 85 s of on 1 第 1 章 绪论 言 舰艇是一个国家实施核威慑，或非核（常规）威慑的重要兵力，在被称为海洋开发的二十一世纪，舰艇以其优良的隐身性，自持性和机动性在现代化战争中占据的地位越来越重要。其优良的性能可以隐蔽定位和超前监视敌方关键性的指挥控制目标；提供的航程远，机动性好，有效载荷大，威力强的武器发射平台，可以对内陆、海岸重要目标进行精确打击1。在局部地区战争中，常规动力舰艇可以与海军其他兵力密切配合，夺取并控制局部海域的制海权；核动力舰艇在水下航速，续航能力，作战武器携带等方面具有更大的优势，活动范围可扩大至全球，具有更强的突袭能力。 通常，舰艇动力装置可以分为核动力和常规动力。常规动力一般由柴油发电机和蓄电池组成，及柴电动力。柴油机组可以用以海面航行，同时配套发电机为蓄电池充电，用以水下航行，武器发射，艇上用电等。蓄电池性能的好坏直接影响艇上的所有工作，影响战斗力，因此正确使用蓄电池、改善使用条件、延长其使用寿命，具有重要的战略意义。由于蓄电池的工作特性，在较高温度下进行大电流放电可以获得较高容量；但若电解液温度太高，不但不能提高蓄电池的容量，反而会使蓄电池的容量和使用寿命受到很大的影响。蓄电池在充放电过程中要产生大量的热使电解液温度不断升高，当电解液温度上升到一定值时，必须对其冷却，保证蓄电池的最佳工作状态。为此，某型舰艇上安装了专门的水冷系统。 题的研究背景 许多国家花大量资金用于新型舰艇的试制，对其动力用电池不断提出新的要求，即使是核动力舰艇，也需要蓄电池作为备用电源，以防在核动力发生故障时，可以应急。有些国家已研制了锂亚硫酰氯、锌银、燃料电池等新型电池，但铅酸蓄电池由于原材料丰富价廉，制作工艺成熟，使用寿命较长，逐渐成为舰艇蓄电池的首要选择。我国于上世纪 90 年代开始研制大型铅酸蓄电池，如山东淄博蓄电池厂于 1994 年试制成 000A*h 4 种规格的固定铅蓄电池。现代舰艇，无论柴电动力推进还是核动力推进，都安装了大型复液式铅酸蓄电池，其 5h 2 电，容量达 500014000A*h。在柴电舰艇中，蓄电池推进是唯一的水下推进方式，因此需要大量的蓄电池。根据舰艇型号和规格，艇上安装了多至 224960 个单电池，单电池电压为 2v，高至 240 800电池的重量可能占舰艇总重的四分之一之多2。 舰艇蓄电池数量多，体积大，且分布于艇上下两层，然后上下两层串联成一组蓄电池组。该型蓄电池组在使用约 20 个周期以后，大都会出现上层蓄电池电解液密度的平均值低于下层蓄电池电解液密度的平均值，其差值可达 随着使用周期的增加，这一密度值还会加大。密度差值对蓄电池组的性能会产生较大的影响，一方面会导致蓄电池组容量下降，影响舰艇的作战性能；另一方面容易造成上层电池的过放电，甚至产生反极现象，从而损坏蓄电池组，缩短蓄电池组的使用寿命。 对一组新的蓄电池来说，无论是上层还是下层蓄电池，它们在舰艇使用与管理的措施以及充放电电流、充放电时间等参数都是相同的。但在蓄电池组使用一定的周期以后，会出现上下层蓄电池电解液密度普遍存在差异，发现其根本原因是上层蓄电池电解液的温度普遍高于下层蓄电池电解液的温度。现分析如下38： (1)电池舱上下层相通，使热空气集中在上层，导致上层蓄电池的环境温度长时间高于下层； (2)下层蓄电池全部靠近艇体安装，而且整个电池室下层底部始终位于水线以下，易被海水冷却，因此蓄电池室下层的温度较低； (3)上层蓄电池的数量多，其工作时产生的热量多，导致电池室上层的温度较高3。 因此，保证上下两层蓄电池温度均衡，防止电解液出现密度差，使蓄电池一直处于稳定的工作环境，是蓄电池维护的关键，更是舰艇各系统正常工作，完成任务的保障。 艇对蓄电池的要求 (1)容量大：艇上的一切电源诸如动力、照明、采暖、通风、仪表、生括等均由蓄电池供给，故一般容量在 5000 安时左右。 (2)高度可靠性：由于舰艇的特殊任务，一组中有一个蓄电池发生重大故障，都会影响到整个舰艇的安全和任务的执行， 因此要求蓄电池的质量要百分之百的可靠。 (3) 析氢少：舰艇在隐蔽条件下工作空间很小， 3 的氢气，必须通过装置使与氧气化合成水，尽量不漏外逸，避免发生爆炸。 (4)酸雾少：酸雾如外逸，将腐蚀舰艇的各种设施，严重地危害艇内工作人员的身体健康。 (5)大电流放电时温升小：舰艇蓄电池的放电电流很大，尤其在加大航速时常选几千安培，这时极化更加剧了温升，如无冷却装置，电池极易损坏。 (6)浓差极化小：舰艇蓄电池本身容量大，为了节省占地面积，电池都比较高，愈高电解液的浓差愈大，必须有搅拌装置，否则将会严重地影响容量和自放电。 (7)充电性能好：如蓄电池的充电接受性能比较差，将直接影响到蓄电池的使用，不能应付紧急状况，而贻误战机。 (8)抗冲击性好：舰艇如受到攻击，蓄电池应能继续工作；德国要求应能承受速度每秒 10 米的 50g 的冲击，电池无损仍可保证全功率放电 20 小时，故容器多由硬橡胶玻璃钢等材料。 (9)寿命长：舰艇蓄电池容量大、用料纯、设计精、工艺良、要求高，因此造价比较高；如蓄电池寿命短则太不经济，一般舰艇在其服役期间要更换 4电池2。 电池环境温度对电解液密度影响分析 蓄电池的工作环境温度长期较高，必然会对蓄电池的性能产生较大的影响。尽管较高的温度能提高蓄电池极板上活性物质的活性、减小电解液的粘度，从而使蓄电池放电时所放出的容量增加，但较高的温度会使极板活性物质膨胀严重，增加蓄电池极板的腐蚀；同时活性物质与电解液的作用加强，使蓄电池的自放电加剧，缩短了蓄电池的使用寿命。 由于上层蓄电池的温度普遍高于下层，因此上层蓄电池的自放电量也就大于下层的蓄电池。但它们在正常使用过程中的充放电参数都是相同的，这就造成蓄电池组放电后，上层蓄电池极板上所产生的硫酸铅的成分比下层蓄电池的多。而舰艇蓄电池组在正常使用过程中，并不是每一次充电都能将极板上的硫酸铅全部还原为活性物质，这样当上下层蓄电池进行相同的充电之后，上层蓄电池极板上未被还原的硫酸铅成分就比下层蓄电池的多。硫酸铅在刚形成时是松软的细小结晶，这些小结晶均匀地分布在多孔的极板上，在充电时很容易和电解液接触起化学作用而恢复为原来的二氧化铅和绒状铅，这些硫酸铅小结晶若长时间得不到还原，就极易在其它因素的作用下，逐渐形成体积大且导电率低的粗的硫酸铅结晶， 4 甚至结成面积较大、几乎不溶于电解液的硫酸铅结晶层而附在极板表面上。这种硫酸铅结晶层阻碍电解液的渗透，增加了蓄电池内阻，使极板上能够参加充放电反应的活性物质以及电解液中硫酸的含量减少，电解液的密度降低48。 却水管路系统分析 冷却水系统主要由蒸馏水冷却回路、海水冷却回路和蒸馏水净化回路以及蒸馏水柜组成。蒸馏水冷却回路由一台冷却水泵以及蒸馏水管路和许多闸阀组成，用于直接冷却蓄电池组。海水冷却回路由一台主水泵、两个海水冷却器以及相应的海水管路和闸阀组成，用于冷却蒸馏水。蒸馏水净化回路由一台离子交换泵，两个阴、阳离子交换器以及相应的管路和闸阀组成，用于净化蒸馏水。冷却水系统的冷却方式是由海水冷却蒸馏水，蒸馏水冷却蓄电池38。在某种充电制下，当电解液的温度升高至规定值时，则应及时启动蒸馏水冷却回路来冷却蓄电池；当温度降至规定值时，则应停止回路工作。蒸馏水在回路中的流动是靠冷却水泵实现的，通过闸阀可分别改变两组蓄电池冷却水的流向，以保证个蓄电池均匀冷却。按规定，当电解液温度达到380主疏水泵）进行循环冷却；在任何条件下，电解液温度不允许超过520C37。 蓄电池充放电过程都要产出大量的热，蓄电池上下两层的安装位置特点决定了不同层在相同的放电率下电解液的温度不同，长时间的温度不同或长时间处于较高温度，对蓄电池的整体性能将产生很大影响，甚至破坏蓄电池的使用，因此必须保持蓄电池温度在一定的范围，使其性能最佳，智能水冷系统是必须的。 课题的主要研究内容 本论文结合实际应用，探索使用新型控制算法，完成系统智能温度控制。主要进行以下几个方面的工作： 1)酸蓄电池的温度对电池容量有很大的影响，过高的温度还会损坏电池，保持电池温度恒定是保证舰艇工作的基础，本文采用 经网络分别建立铅酸蓄电池的充电模型和放电模型，给工作人员提供可靠的依据。 2)制算法研究。 将模糊自适应整定 制策略应用的蓄电池冷却系统，很好的完成了温度的智能控制，达到舰艇对电池维护的要求， 5 并保障系统稳定。 3)本文采用 司的 片机作为主控制核心，结合温度采集，数据存储等功能很好的实现人机交触，完成控制要求。 4)用通用 C 语言编程，采用模块化设计方法，将采集温度数据处理存储，人机界面显示，定时中断处理等完成智能控制策略，很好的实现蓄电池的温度控制。 5) 6 第 2 章 铅酸蓄电池充放电温度模型的建立 酸蓄电池的电化学基础 酸蓄电池的电池反应 1859 年法国著名的物理学家 明铅酸蓄电池， 1882 年 J. H. A. 出了“双硫酸盐化反应理论”以解释蓄电池的化学反应，经过一百多年的发展，铅酸蓄电池现已广泛用于各汽车，电力，通信，铁路等行业，但化学反应本质并无变化，反应方程式如下： 放充(铅酸蓄电池正极的活性物质是疏松多孔，结晶细密的二氧化铅，负极活性物质为绒状金属铅，电池电解液的主要作用导通离子，参与极板上的化学反应。从化学反应方程式中可以看到铅酸蓄电池放电过程中正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅与硫酸电解液反应，在极板上生成难溶的硫酸铅，放电时硫酸浓度不断下降，正负极上的硫酸铅增加，电池内阻增大(硫酸铅不导电)，电解液浓度下降，电池电动势降低16。蓄电池充电时，硫酸铅在外接电源电流作用下，使正负极板上难溶的硫酸铅恢复成正极板上的氧化铅和负极板上的金属铅，电能转化为化学能储存起来。基于这种可重复的电化学反应，铅酸蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。 酸蓄电池的内阻 铅酸蓄电池的内阻由三部分组成：欧姆内阻 差极化内阻 H4。 欧姆内阻 格、极柱等物理部件形成的内阻，大小主要与采用的导电材质有关，在蓄电池整个使用寿命期间，欧姆内阻会因为栅格腐蚀，电极变形而改变，但检测内阻时这部分变化很小可以忽略不计。 浓差极化内阻 于电解液离子浓度变化引起的，蓄电池充放电过程电解液密度一直在变，因而此部分阻值一直处于动态。 活化极化内阻 部分电阻不遵循欧姆定律， 7 体系确定了阻值也就定了，只是在蓄电池使用寿命后期电极结构和状态发生变化时才有所改变，但变化值也很小。 综合以上三部分内阻可知铅酸蓄电池的内阻不是常数，在充放电过程中，它随时间不断变化，国外早年的一些研究指出蓄电池的内阻与蓄电池的剩余容量存在对应的关系，但实验数据表明放电电流对蓄电池内阻的影响也是相当大的，此外环境温度、放电历史等对蓄电池内阻也有一定的影响。 电池温度分析 根据蓄电池热力学分析，蓄电池温度主要由一下三部分决定：蓄电池的电化学反应，电池内阻产生的热量，蓄电池与外部环境交换的热量20。 蓄电池自身热量： (其中， G 蓄电池自身积累的热量，单位：J H 蓄电池电化学反应热量，单位：J T 蓄电池内阻产生的热量，单位：J S 蓄电池与外部环境交换的热量，单位：J (其中， 蓄电池温度，单位：K 蓄电池的热容，单位：J/ 蓄电池的质量，单位：Q 为蓄电池充放电时内阻产生的热量 (其中， 蓄电池的内阻，单位： 蓄电池化学反应产生的热量 (其中， 蓄电池的开路电势，单位： V 当蓄电池放电时，电化学反应为吸热反应， 池温度降低；相反， 8 当蓄电池处于充电状态时， 电化学反应为放热反应， 电池温度持续升高。 ）（ (其中， A蓄电池与环境接触的面积，单位： 传热系数，单位： W/K 环境温度，单位： K 经网络充放电温度模型 蓄电池的温度变化是一个复杂的，多变量相互影响的过程，不仅受环境因素影响，还与充放电时间，充放电电流，内阻大小，使用寿命等等有关。蓄电池温度与各因素之间是非线性的关系，很难用数学解析的方式建立准确的模型，本文采用工神经网络 20 世纪 40 年代，心理学家 数学家 已合作提出了神经元的数学模型，即此开始了神经理论科学研究的步伐。经过20余年的发展，型，实现了理论研究到实践应用的跨越。 1986 年 人提出并行分布处理（ 理论，同时提出了多层网络的误差反向传播学习算法，简称 法。这种算法根据学习的误差大小，把学习的结果反馈到中间层次的隐单元，改变他们的权系数矩阵，从而达到预期的学习目的，解决了多层网络的学习问题7。 人工神经网络所拥有的优点：高度的并行性，高度的非线性全局作用，良好的容错性和联想记忆功能，十分强的自学习、自适应功能。 络是一种多层前馈型神经网络，其神经元的传递函数是 S 型函数，输出量为 0 到 1 之间的连续量，可以实现从输入到输出的任意非线性映射。由于权值的调整采用反向传播学习算法，因此常称其为 络17。 经网络广泛用于函数逼近，模式信息处理和模式识别、数据压缩等，它是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络的精华，在实际应用中绝大部分的神经网络模型都采用 9 P 网络模型结构 前馈型网络包含输入层，隐含层，输出层，通常网络有一个或多个隐含层，隐含层的神经元数量由训练效果来确定。输入层可以看做是缓冲器，没有处理功能， 隐含层的非线性传递函数神经元可以学习输入输出之间的线性和非线性关系，进行处理权值。输出层是为了拓宽网络输出。 如图 2具有单隐含层的 络模型。 图 2P 神经网络结构图 隐含层设计经验公式 1，其中， m 为输出神经元个数， n 为输入单元个数， a 为 1， 10之间的常数， 解决该问题的隐含层神经元个数应该在 4 13 之间。因此，设计一个隐含层神经元数目可变的 过误差对比，确定最佳的隐含层神经元个数。 在确定了神经网络结构后，要通过输入和输出样本集对网络进行训练，亦即对网络的阙值和权值进行学习和修正， 以使网络实现给定的输入输出的映射关系。其学习分为两个阶段： 1)输入已知的学习样本，通过设置的网络结构和前一次迭代的权值和阙值，从网络的第一层向后计算各神经元的输出； 2)对权值和阙值进行修改，从最后一层先前计算各权值和阙值对总误差的影响（梯度） ，据此对各权值和阙值进行修改。以上两个过程反复交替，直到达到收敛为止。 经网络工具箱 在神经网络的研究过程中，采用的 是在计算机上软