基于網(wǎng)絡(luò)通信的水下無人潛航器電池管理器設(shè)計(jì)研究*

趙龍龍

(91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022)

基于網(wǎng)絡(luò)通信的水下無人潛航器電池管理器設(shè)計(jì)研究*

趙龍龍

(91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022)

在分析水下無人潛航器電池管理器功能組成的基礎(chǔ)上,對水下無人潛航器電池管理器的結(jié)構(gòu)布局、電氣機(jī)械接口進(jìn)行了分析設(shè)計(jì),并對關(guān)系電池安全工作的電流、電壓及通信接口電路與軟件進(jìn)行了研究分析,所設(shè)計(jì)的電池管理器能為水下無人潛航器電池可靠安全運(yùn)行提供支持。

水下無人潛航器; 網(wǎng)絡(luò); 電池管理器

1 引言[1～3]

水下無人潛航器(Unmanned Undersea Vehicle,UUV)廣泛應(yīng)用于水下偵察、通信、反潛等軍事領(lǐng)域。作為水下機(jī)動(dòng)平臺,其眾多性能特點(diǎn)的最終保證,均來源于其基本動(dòng)力的提供。在水下無人潛航器的設(shè)計(jì)中,推進(jìn)動(dòng)力能源的提供一般采用電池組方式。由于潛航器內(nèi)部設(shè)備的復(fù)雜性,對電池組的供電要求較高,如有低壓直流舵機(jī)、儀表用電,也有大電流、高壓推進(jìn)用電等需求,因此電池組工作狀態(tài)的穩(wěn)定安全,將直接影響到水下無人潛航器的正常使用。

本文在分析水下無人潛航器電池管理器功能組成的基礎(chǔ)上,對UUV結(jié)構(gòu)布局、電氣及機(jī)械接口進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對涉及電池工作的電流、電壓及通信接口電路和軟件進(jìn)行了分析研究,所設(shè)計(jì)的電池管理器可為水下無人潛航器電池的可靠安全運(yùn)行提供支持。

2 電池管理器功能組成[4～5]

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本文研究的水下無人潛航器采用回旋體流線外形,具備水下大深度、高航速航行與設(shè)備搭載能力。水下無人潛航器外形示意圖如圖1所示。

圖1 水下無人潛航器外形示意圖

水下無人潛航器一般采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分段實(shí)現(xiàn)潛航器的運(yùn)動(dòng)、控制、通信、探測等功能。其主要分段包括電池段、導(dǎo)航定位段、電子段、推進(jìn)段等。電池段為推進(jìn)段及電子儀表系統(tǒng)提供電力,確保潛航器內(nèi)各類電子設(shè)備正常運(yùn)行,是水下無人潛航器的重要組成部分。

2.2 管理器功能

圖2 電池管理器功能結(jié)構(gòu)示意圖

水下無人潛航器電池管理器作為水下無人潛航器電池單元重要的模塊,其主要完成電信號與數(shù)字信號間的轉(zhuǎn)換,對數(shù)字信號經(jīng)處理打包后,以網(wǎng)絡(luò)通訊方式將結(jié)果上報(bào)至上位機(jī)系統(tǒng)。電池管理器主要由數(shù)字電路和模擬電路兩大部分組成,主要完成對電池組的電壓、電流、溫度的信號的采集并上傳,同時(shí)能上報(bào)電池故障信號。電池管理器功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 電池管理器接口結(jié)構(gòu)[6～7]

3.1 結(jié)構(gòu)布局

電池管理器結(jié)構(gòu)布局主要由電池管理器殼體、蓋板、通訊電路板和電纜組成。電池管理器結(jié)構(gòu)布局模型設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電池管理器結(jié)構(gòu)布局

通訊電路板通過螺釘固定在殼體底部,電纜一端與通訊電路板按對應(yīng)標(biāo)識進(jìn)行連接,另一端通過螺釘與殼體進(jìn)行裝配,最后安裝蓋板。

3.2 電氣接口

電池管理器電氣接口分為對系統(tǒng)內(nèi)和對系統(tǒng)外兩種,均布置在電池管理器殼體前端,對系統(tǒng)內(nèi)的電氣接口分別與分組電池以及潛航器舵機(jī)儀表電源變換器通過系統(tǒng)內(nèi)電纜連接；對系統(tǒng)外電氣接口設(shè)為一獨(dú)立接口,通過該接口給上位機(jī)系統(tǒng)上傳采集信息,上報(bào)故障信號。其中對系統(tǒng)外電氣接口信號定義如表1所示。

表1 電氣接口信號定義表

3.3 機(jī)械接口

電池管理器安裝在水下無人潛航器電池艙段,通過螺釘緊固方式與水下無人潛航器殼體相連。

4 電池管理器電路設(shè)計(jì)

4.1 供電電路原理

水下無人潛航器電池管理器對電池具有充放電管理功能,從節(jié)約電池能量和提高水下無人潛航器使用壽命的角度,一般在調(diào)試維護(hù)時(shí)采用外部電源供電,不消耗電池電量；在水下航行時(shí),直接使用潛航器內(nèi)部電池供電,因此在對電池管理器供電電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮內(nèi)、外供電使用要求,電路基本原理圖如圖4所示。

圖4 電池管理器供電電路原理圖

4.2 電流電壓溫度采集

由于水下無人潛航器的電壓采集范圍差異較大,電路采用兩種阻值不同限流電阻,并在電壓檢測回路中串聯(lián)繼電器。在潛航器中對儀表、舵機(jī)和動(dòng)力的用電管理一般分組,三者間電流差別較大,選用不同量程電流傳感器檢測用電電流,主要使用電流型霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)電流檢測,可隔離檢測并提高檢測精度。

電壓、電流檢測電路采用一階低通濾波和二階低通濾波串聯(lián)組成高階低通濾波,提高被測信號品質(zhì)和精度。溫度信號與其它組件沒有直接連接關(guān)系,可采用兩路一階低通濾波串聯(lián)實(shí)現(xiàn)溫度信號的檢測。其中電壓采集電路原理圖如圖5所示。

圖5 電壓采集電路原理圖

4.3 網(wǎng)絡(luò)通信電路

水下無人潛航器內(nèi)部信息管理控制采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),電源管理器作為其中一個(gè)節(jié)點(diǎn),與潛航器主干網(wǎng)具備網(wǎng)絡(luò)連接通信功能,圖6為CAN通信電路原理圖。

電池管理器采用CAN和以太網(wǎng)通信,在電路設(shè)計(jì)時(shí),同時(shí)設(shè)計(jì)CAN通信電路和CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)通信電路,滿足與系統(tǒng)總體進(jìn)行通信要求。

圖6 CAN通信電路原理圖

5 電池管理器軟件設(shè)計(jì)[8～10]

5.1 軟件構(gòu)成

電池管理器軟件在CAN/以太網(wǎng)通信模塊的基礎(chǔ)上,具備檢測、控制及故障保護(hù)等軟件功能模塊。電池管理器軟件功能模塊如圖7所示。

圖7 電池管理器軟件功能模塊

5.2 軟件接口

電池管理器軟件運(yùn)行在TMS320F2812數(shù)字信號處理器中,其運(yùn)行接口主要為:控制DSP模塊的IO接口,輸出LED狀態(tài)指示燈信號,控制DC27D和DC24Y斷電功能；軟件控制DSP模塊AD接口,輸入模擬信號,分別實(shí)現(xiàn)儀表、舵機(jī)和動(dòng)力電壓和電流,以及電池組溫度信號的采集；軟件通過控制DSP模塊的CAN和以太網(wǎng)接口后實(shí)現(xiàn)與綜合管理系統(tǒng)之間的通訊,完成綜合管理系統(tǒng)的指令解析與電池管理器狀態(tài)信息的反饋；軟件可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)軟件的在線仿真與程序燒錄。

5.3 主要功能

1) CAN/以太網(wǎng)通信功能:軟件遵循以太網(wǎng)通訊協(xié)議,接收來自綜合管理系統(tǒng)發(fā)送的控制命令,并且將電池管理器自身的狀態(tài)信息(電流、電壓、溫度、故障)定時(shí)或者實(shí)時(shí)上報(bào)給綜合管理系統(tǒng),具體協(xié)議按照潛航器總體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2) 電流電壓溫度檢測處理功能:軟件完成儀表、舵機(jī)和動(dòng)力電壓和電流檢測和處理,將檢測結(jié)果上傳至潛航器綜合管理系統(tǒng),同時(shí)完成電池組溫度信號檢測和處理,將檢測結(jié)果上傳至潛航器綜合管理系統(tǒng)。

3) 電源變換器使能功能:軟件具有使能信號輸出功能,實(shí)現(xiàn)對電源變換器的使能輸出功能,同時(shí)接收綜合管理系統(tǒng)指令,實(shí)現(xiàn)對電源變換器的斷電功能。

4) LED指示及保護(hù)功能:軟件應(yīng)根據(jù)工作狀態(tài)的不同給出相應(yīng)的LED指示,工作狀態(tài)按待機(jī)、正常工作、故障三種狀態(tài)定義。對電池組具有電壓過充、過放、過流、過溫等信號的生成和上報(bào)功能。

6 結(jié)語

作為水下無人潛航器中的重要組成部分,其電池組的安全管理一直是潛航器內(nèi)部設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。涉及電池運(yùn)行狀態(tài)安全的電壓、電流及溫度等參數(shù)信息需要電池管理器準(zhǔn)確采集和處理,同時(shí)能通過網(wǎng)絡(luò)方式將故障狀態(tài)信息上報(bào)主體管理器,本文設(shè)計(jì)了電池管理器的內(nèi)外軟硬件接口及布局安裝,可為水下無人潛航器的電池管理設(shè)計(jì)提供參考。

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Battery Manager Design of Unmanned Undersea Vehicle Based on Network Communication

ZHAO Longlong

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

Based on the analysis for function and component of UUV battery manager, the structural layout, electrical mechanical interface design of UUV battery manager are analyzed and designed, the battery voltage, current, temperature, communication interface circuits and software which are related to the safety of the battery are studied and analyzed, the designed battery manager can provide support for the UUV battery safe and reliable operation.

unmanned undersea vehicle, network, battery manager

TP393

2016年9月8日,

2016年10月17日

趙龍龍,男,高級工程師,研究方向:水聲信號處理。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.036