基于网络通信的水下无人潜航器电池管理器设计研究*

赵龙龙

(91388部队93分队 湛江 524022)

基于网络通信的水下无人潜航器电池管理器设计研究*

赵龙龙

(91388部队93分队 湛江 524022)

在分析水下无人潜航器电池管理器功能组成的基础上,对水下无人潜航器电池管理器的结构布局、电气机械接口进行了分析设计,并对关系电池安全工作的电流、电压及通信接口电路与软件进行了研究分析,所设计的电池管理器能为水下无人潜航器电池可靠安全运行提供支持。

水下无人潜航器; 网络; 电池管理器

1 引言[1～3]

水下无人潜航器(Unmanned Undersea Vehicle,UUV)广泛应用于水下侦察、通信、反潜等军事领域。作为水下机动平台,其众多性能特点的最终保证,均来源于其基本动力的提供。在水下无人潜航器的设计中,推进动力能源的提供一般采用电池组方式。由于潜航器内部设备的复杂性,对电池组的供电要求较高,如有低压直流舵机、仪表用电,也有大电流、高压推进用电等需求,因此电池组工作状态的稳定安全,将直接影响到水下无人潜航器的正常使用。

本文在分析水下无人潜航器电池管理器功能组成的基础上,对UUV结构布局、电气及机械接口进行了设计,并对涉及电池工作的电流、电压及通信接口电路和软件进行了分析研究,所设计的电池管理器可为水下无人潜航器电池的可靠安全运行提供支持。

2 电池管理器功能组成[4～5]

2.1 总体结构

本文研究的水下无人潜航器采用回旋体流线外形,具备水下大深度、高航速航行与设备搭载能力。水下无人潜航器外形示意图如图1所示。

图1 水下无人潜航器外形示意图

水下无人潜航器一般采用模块化结构设计,分段实现潜航器的运动、控制、通信、探测等功能。其主要分段包括电池段、导航定位段、电子段、推进段等。电池段为推进段及电子仪表系统提供电力,确保潜航器内各类电子设备正常运行,是水下无人潜航器的重要组成部分。

2.2 管理器功能

图2 电池管理器功能结构示意图

水下无人潜航器电池管理器作为水下无人潜航器电池单元重要的模块,其主要完成电信号与数字信号间的转换,对数字信号经处理打包后,以网络通讯方式将结果上报至上位机系统。电池管理器主要由数字电路和模拟电路两大部分组成,主要完成对电池组的电压、电流、温度的信号的采集并上传,同时能上报电池故障信号。电池管理器功能结构示意图如图2所示。

3 电池管理器接口结构[6～7]

3.1 结构布局

电池管理器结构布局主要由电池管理器壳体、盖板、通讯电路板和电缆组成。电池管理器结构布局模型设计如图3所示。

图3 电池管理器结构布局

通讯电路板通过螺钉固定在壳体底部,电缆一端与通讯电路板按对应标识进行连接,另一端通过螺钉与壳体进行装配,最后安装盖板。

3.2 电气接口

电池管理器电气接口分为对系统内和对系统外两种,均布置在电池管理器壳体前端,对系统内的电气接口分别与分组电池以及潜航器舵机仪表电源变换器通过系统内电缆连接；对系统外电气接口设为一独立接口,通过该接口给上位机系统上传采集信息,上报故障信号。其中对系统外电气接口信号定义如表1所示。

表1 电气接口信号定义表

3.3 机械接口

电池管理器安装在水下无人潜航器电池舱段,通过螺钉紧固方式与水下无人潜航器壳体相连。

4 电池管理器电路设计

4.1 供电电路原理

水下无人潜航器电池管理器对电池具有充放电管理功能,从节约电池能量和提高水下无人潜航器使用寿命的角度,一般在调试维护时采用外部电源供电,不消耗电池电量；在水下航行时,直接使用潜航器内部电池供电,因此在对电池管理器供电电路进行设计时,应充分考虑内、外供电使用要求,电路基本原理图如图4所示。

图4 电池管理器供电电路原理图

4.2 电流电压温度采集

由于水下无人潜航器的电压采集范围差异较大,电路采用两种阻值不同限流电阻,并在电压检测回路中串联继电器。在潜航器中对仪表、舵机和动力的用电管理一般分组,三者间电流差别较大,选用不同量程电流传感器检测用电电流,主要使用电流型霍尔传感器实现电流检测,可隔离检测并提高检测精度。

电压、电流检测电路采用一阶低通滤波和二阶低通滤波串联组成高阶低通滤波,提高被测信号品质和精度。温度信号与其它组件没有直接连接关系,可采用两路一阶低通滤波串联实现温度信号的检测。其中电压采集电路原理图如图5所示。

图5 电压采集电路原理图

4.3 网络通信电路

水下无人潜航器内部信息管理控制采用网络结构,电源管理器作为其中一个节点,与潜航器主干网具备网络连接通信功能,图6为CAN通信电路原理图。

电池管理器采用CAN和以太网通信,在电路设计时,同时设计CAN通信电路和CAN转以太网通信电路,满足与系统总体进行通信要求。

图6 CAN通信电路原理图

5 电池管理器软件设计[8～10]

5.1 软件构成

电池管理器软件在CAN/以太网通信模块的基础上,具备检测、控制及故障保护等软件功能模块。电池管理器软件功能模块如图7所示。

图7 电池管理器软件功能模块

5.2 软件接口

电池管理器软件运行在TMS320F2812数字信号处理器中,其运行接口主要为:控制DSP模块的IO接口,输出LED状态指示灯信号,控制DC27D和DC24Y断电功能；软件控制DSP模块AD接口,输入模拟信号,分别实现仪表、舵机和动力电压和电流,以及电池组温度信号的采集；软件通过控制DSP模块的CAN和以太网接口后实现与综合管理系统之间的通讯,完成综合管理系统的指令解析与电池管理器状态信息的反馈；软件可通过JTAG接口实现软件的在线仿真与程序烧录。

5.3 主要功能

1) CAN/以太网通信功能:软件遵循以太网通讯协议,接收来自综合管理系统发送的控制命令,并且将电池管理器自身的状态信息(电流、电压、温度、故障)定时或者实时上报给综合管理系统,具体协议按照潜航器总体要求进行设计。

2) 电流电压温度检测处理功能:软件完成仪表、舵机和动力电压和电流检测和处理,将检测结果上传至潜航器综合管理系统,同时完成电池组温度信号检测和处理,将检测结果上传至潜航器综合管理系统。

3) 电源变换器使能功能:软件具有使能信号输出功能,实现对电源变换器的使能输出功能,同时接收综合管理系统指令,实现对电源变换器的断电功能。

4) LED指示及保护功能:软件应根据工作状态的不同给出相应的LED指示,工作状态按待机、正常工作、故障三种状态定义。对电池组具有电压过充、过放、过流、过温等信号的生成和上报功能。

6 结语

作为水下无人潜航器中的重要组成部分,其电池组的安全管理一直是潜航器内部设计的重点。涉及电池运行状态安全的电压、电流及温度等参数信息需要电池管理器准确采集和处理,同时能通过网络方式将故障状态信息上报主体管理器,本文设计了电池管理器的内外软硬件接口及布局安装,可为水下无人潜航器的电池管理设计提供参考。

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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

赵龙龙,男,高级工程师,研究方向:水声信号处理。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.036