鄭斌 袁文海 董小順 馬海軍 徐雅新 李翔

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的通用飛機(jī)鉛酸蓄電池測(cè)試方法精度低、工序繁雜等問(wèn)題，提出了基于LabVIEW的通用飛機(jī)鉛酸蓄電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)不同傳感器多點(diǎn)采集蓄電池信息，利用獨(dú)立式采集卡與工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電數(shù)據(jù)采集和處理。利用LabVIEW軟件，完成模塊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，通過(guò)記錄分析電壓、電流等數(shù)據(jù)的變化，可以圖形化直觀展示蓄電池的工作狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的自動(dòng)精確測(cè)試，提高了測(cè)試效率和精度。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池;LabVIEW;測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V271.4 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來(lái)我國(guó)通用航空事業(yè)快速發(fā)展，鉛酸蓄電池因其技術(shù)成熟、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通航中小型飛機(jī)上作為應(yīng)急電源使用，當(dāng)飛機(jī)在飛行中出現(xiàn)主電源故障的情況下，由蓄電池向重要機(jī)載設(shè)備供電，因此蓄電池的供電質(zhì)量將直接影響到飛行安全[1-2]。在傳統(tǒng)的維護(hù)工作中，對(duì)蓄電池的測(cè)試是通過(guò)手動(dòng)方式進(jìn)行檢測(cè)，人工讀取儀表測(cè)試數(shù)據(jù)，依據(jù)維護(hù)手冊(cè)人為判斷蓄電池性能是否正常，傳統(tǒng)測(cè)試方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，測(cè)試工序復(fù)雜。單組蓄電池充放電長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)，蓄電池測(cè)試過(guò)程中，機(jī)務(wù)維護(hù)人員需多次使用儀表監(jiān)控蓄電池參數(shù)變化。第二，測(cè)量成本高。隨著飛行訓(xùn)練量增大，蓄電池使用數(shù)量和次數(shù)增加，對(duì)多組蓄電池同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，需配備充足的儀器儀表和維護(hù)人員，進(jìn)而蓄電池維護(hù)成本增加。第三，精確度差。利用傳統(tǒng)儀表測(cè)量蓄電池不同時(shí)段的充放電數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果誤差較大[3]。

基于虛擬儀器技術(shù)本研究設(shè)計(jì)了一種通用飛機(jī)鉛酸蓄電池測(cè)試系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)所需要的儀器模塊，自動(dòng)采集所需參數(shù)對(duì)蓄電池進(jìn)行測(cè)試，采用圖形化的軟面板替代傳統(tǒng)的控制面板，控制部件替代功能等效的實(shí)際儀器，能夠?qū)︺U酸蓄電池進(jìn)行較高精度的測(cè)試，并提高測(cè)試效率。

1 蓄電池測(cè)試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通用飛機(jī)鉛酸蓄電池測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分利用電壓、電流、溫度等傳感器采集輸出電壓、電流信號(hào)和電解液的溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊和CompactDAQ數(shù)據(jù)采集卡對(duì)蓄電池充放電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，最后由工控機(jī)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析。軟件部分基于LabVIEW軟件完成模塊程序的設(shè)計(jì)，測(cè)試數(shù)據(jù)的變化，實(shí)現(xiàn)結(jié)果的輸出。蓄電池測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

蓄電池測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、測(cè)控機(jī)模塊等組成。

傳感器模塊由溫度傳感器、電壓電流傳感器等部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了由溫度及電壓電流等模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理模塊處理后傳遞給采集卡的功能。其中，該測(cè)試系統(tǒng)選用鉑電阻PT100型溫度傳感器，將其接線端與信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)設(shè)備連接，易于操作且精確度高，可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)試和數(shù)據(jù)輸出一體化，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

信號(hào)調(diào)理電路主要是將模擬信號(hào)經(jīng)傳感器組轉(zhuǎn)換后，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波等處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可識(shí)別的信號(hào)量，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸，具有抗干擾和保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)。信號(hào)調(diào)理電路圖如圖2所示。

經(jīng)電阻R7和R9分流，R4是可調(diào)變阻器，隨著溫度的變化其阻值發(fā)生變化，即輸入信號(hào)的變化調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的衰減程度，最終得到0-3 V的電壓信號(hào)。傳感器輸出的信號(hào)有噪聲信號(hào)，對(duì)隨后的放大電路產(chǎn)生不利影響，調(diào)理電路內(nèi)部設(shè)計(jì)的C1、C2、C3、C4、C5等電容實(shí)現(xiàn)濾波功能，提高信噪比，促使調(diào)幅信號(hào)趨于穩(wěn)定。

該測(cè)試系統(tǒng)選擇的接口是NI公司研發(fā)的CompactDAQ數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡可提高計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，空間占有率小。依靠數(shù)據(jù)采集模塊，利用通道索引采集相關(guān)信號(hào)，數(shù)據(jù)結(jié)果在虛擬儀表的前面板上顯示，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)方案選用3個(gè)采集通道，各采集通道信息參數(shù)如表1所示。

工控機(jī)作為測(cè)控計(jì)算機(jī)，控制著整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，是測(cè)試系統(tǒng)的核心。工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行獲取，使用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，直觀地表示出蓄電池的參數(shù)和性能指標(biāo)。

3 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是采用LabVIEW軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)[4-5]，將虛擬儀器運(yùn)用到蓄電池測(cè)試中，利于系統(tǒng)修改，保證了測(cè)試精度，增強(qiáng)了測(cè)試系統(tǒng)的可維護(hù)性及可擴(kuò)展性。本測(cè)試系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖3所示。

LabVIEW軟件具有豐富的圖形環(huán)境和強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，該測(cè)試系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)了溫度、電壓電流和停止三類開(kāi)關(guān)，用以采集溫度、電壓、電流的數(shù)據(jù)。除開(kāi)關(guān)外，前面板還設(shè)置了溫度計(jì)、溫度報(bào)警燈、電壓報(bào)警燈、電壓波形圖、電壓采樣頻率等。根據(jù)機(jī)務(wù)維修手冊(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行期間蓄電池的充放電溫度不高于43.3 ℃;否則，蓄電池?zé)崃窟^(guò)高導(dǎo)致電解液中水分大量缺失，降低蓄電池壽命。夏季時(shí)，蓄電池應(yīng)放于涼水中做降溫處理。溫度模塊設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

新建VI選項(xiàng)，進(jìn)入編寫(xiě)程序界面，在程序框圖中編寫(xiě)所需程序。程序框圖的最外層是一個(gè)while循環(huán)，循環(huán)停止條件連接停止按鍵，循環(huán)次數(shù)不設(shè)置。while循環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，嵌套結(jié)構(gòu)使用事件結(jié)構(gòu)，共包含4個(gè)事件分支。其中，事件0是“超時(shí)事件”創(chuàng)建常量設(shè)置為“-1”，表示永不超時(shí)。事件1為“充電測(cè)量電壓事件”，用于測(cè)量蓄電池的充電階段。事件2為“放電測(cè)量電壓事件”，測(cè)量蓄電池的放電階段。事件3設(shè)置為“停止按鈕事件”，測(cè)量結(jié)束后停止正在運(yùn)行的VI程序。

蓄電池充電階段分為兩個(gè)階段。首先構(gòu)建事件結(jié)構(gòu)，觀察充電器的電壓是否達(dá)到33 V，采用2 A的恒定電流進(jìn)行充電，充電電壓升至33 V，充電電壓燈亮起后持續(xù)充電一小時(shí)，充電第一階段完成。

第二階段采用恒為1 A的電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，若輸出電壓的數(shù)值連續(xù)3小時(shí)保持恒定不變，表明比重?cái)?shù)連續(xù)三小時(shí)穩(wěn)定在同一數(shù)值，蓄電池視為充電完成。充電階段局部程序圖如圖5所示。

蓄電池的放電測(cè)試需遵循“先充后放”的原則。放電測(cè)試根據(jù)電池的新舊情況進(jìn)行不同時(shí)間段的測(cè)量。裝機(jī)未超過(guò)一年的蓄電池，需進(jìn)行每3個(gè)月一次復(fù)充，每6個(gè)月一次放電測(cè)試;使用超過(guò)一年的蓄電池，則進(jìn)行每3個(gè)月一次放電測(cè)試，保證蓄電池容量穩(wěn)定在80%以上[6]。

蓄電池放電采用恒流放電方式，放電電壓設(shè)置不低于20 V，若放電時(shí)間大于48分鐘，表明該電瓶容量大于80%，電瓶正常。若放電時(shí)間小于48分鐘，則進(jìn)行第二次測(cè)量。若連續(xù)兩次測(cè)得蓄電池放電時(shí)間均小于48 min，該蓄電池不可再裝機(jī)使用，應(yīng)進(jìn)行報(bào)廢處理。放電階段局部程序圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

本系統(tǒng)將硬件測(cè)試部分與電源、測(cè)控機(jī)連接，通過(guò)設(shè)計(jì)蓄電池測(cè)試系統(tǒng)交互界面，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果。與傳統(tǒng)人工測(cè)試方式相比，可對(duì)蓄電池的充放電過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，提高測(cè)試精度和效率。

4.1 充電過(guò)程與結(jié)果分析

充電階段進(jìn)行前，檢查電解液的液面高度，滿足其高于極板頂部方可操作，保持充電環(huán)境在通風(fēng)良好的狀態(tài)下進(jìn)行。

接通充電模塊開(kāi)關(guān)和溫度測(cè)量開(kāi)關(guān)，若測(cè)得蓄電池溫度不高于43.3 ℃，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下一步事件;若測(cè)得蓄電池溫度高于43.3 ℃，則前面板上溫度報(bào)警燈亮起，關(guān)閉測(cè)試系統(tǒng)。待到蓄電池溫度降至可測(cè)量的范圍值，再對(duì)蓄電池進(jìn)行測(cè)量。蓄電池充電參數(shù)變化圖如圖7所示。

通過(guò)各項(xiàng)測(cè)試可直觀看出，隨著測(cè)試時(shí)間的增加，溫度在初始階段上升趨勢(shì)明顯，后期變化較為緩和，充電過(guò)程中溫度最高升至37.7 ℃，較初始溫度增加12.7 ℃，充電初始電壓21 V，電解液不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終測(cè)得充電后期電壓為31.2 V。若出現(xiàn)每個(gè)電池均能釋放氣泡，則充電階段完成，充電時(shí)間總耗時(shí)約7小時(shí)。

依據(jù)上述參數(shù)變化，當(dāng)蓄電池的溫度達(dá)到26.6 ℃時(shí)，蓄電池處于充足電量狀態(tài)。若蓄電池的溫度為21.2 ℃時(shí)，電解液比重值為1.275-0.003=1.272。若溫度為32.3 ℃時(shí)，電解液比重值為1.275+0.003=1.278。溫度和比重補(bǔ)償轉(zhuǎn)化表如表2所示[5]。

將充滿電的蓄電池靜置4小時(shí)，測(cè)試其開(kāi)路電壓。若該蓄電池的開(kāi)路電壓大于26.3 V，表明蓄電池充電完成;若不大于26.3 V，重復(fù)上述步驟對(duì)蓄電池進(jìn)行重新充電，充電測(cè)試階段前面板圖如圖8所示。

由圖8可看出，本次充電測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)的溫度變化未超出正?？刂品秶娏?、電壓等測(cè)試參數(shù)的變化值可直觀展示在前面板上。

4.2 放電過(guò)程與結(jié)果分析

接通溫度和放電測(cè)量電壓開(kāi)關(guān)，放電電流以8 A恒流放電，同時(shí)觸發(fā)定時(shí)器計(jì)時(shí)。蓄電池電壓降至20 V，此時(shí)放電電壓燈亮起，若放電時(shí)間燈亮起，表明該電瓶正常。放電測(cè)試階段局部前面板圖如圖9所示。

由蓄電池放電測(cè)試可知，隨著測(cè)試時(shí)間的增加，放電電壓在初始階段下降趨勢(shì)明顯，后期下降較為緩慢，放電過(guò)程中溫度降至22.3 ℃，放電初始電壓26.5 V，電解液不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終測(cè)得放電后期電壓為20.0 V。

通過(guò)上述蓄電池充、放電階段測(cè)試過(guò)程可知，利用該通用飛機(jī)鉛酸蓄電池測(cè)試系統(tǒng)可以安全、高精度、高效率的測(cè)出蓄電池的性能，同時(shí)將測(cè)試參數(shù)保存為Excel格式，記錄蓄電池測(cè)試的結(jié)果，最終生成測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié) 論

針對(duì)鉛酸蓄電池的充、放電測(cè)試工作等問(wèn)題，利用虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方式的弊端，增強(qiáng)了測(cè)試系統(tǒng)的精度和效率，并對(duì)需要檢測(cè)的蓄電池（G-241電瓶）進(jìn)行大量的采集取樣和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，利用虛擬儀器技術(shù)可以代替大量的傳統(tǒng)測(cè)試儀器，減少成本，提高測(cè)試的精確性，直觀地顯示蓄電池參數(shù)性能，提高了機(jī)務(wù)工作效率，該測(cè)試系統(tǒng)在機(jī)務(wù)維護(hù)工作中優(yōu)于傳統(tǒng)人工測(cè)試方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 王友仁，梁嘉羿，黃薛，等.航空蓄電池能量均衡技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2017，38（5）：216-225.

[2] 張端陽(yáng)，郭樹(shù)滿.鉛酸蓄電池在線檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2019（6）：29-32.

[3] 劉險(xiǎn)峰. 蓄電池容量在線檢測(cè)的研究[J]. 蓄電池， 2009（3）：45-49.

[4] 徐仁慶，殷晨波，何茂先.基于虛擬技術(shù)的氫氣傳感器檢測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（5）：35-36.

[5] 朱墨，吳國(guó)清.基于LabVIEW同步控制的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控仿真平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006（2）：176-179.

[6] Q01-1120，Gill Dry-charged Lead-acid Aircraft Battery Service Manual[S].Redlands California： Teledune Company，2013.