基于TRIZ 理论的船舶蓄电池容量测试方法改进

文 / 渤海船舶重工有限责任公司 郭健 牛震宇 辽宁省科学技术馆 刘永睿

引言

船舶使用蓄电池供电系统作为船舶应急电源，通常采用自制灯板、家用电阻丝式电炉子等简陋设备作为负载进行放电，放电过程不是恒流源放电，同时无法准确地检测放电电压和电流。上述方法存在以下不足：放电时间长；测试精度低；安全性能差。在大电流工作时，常常容易烧毁调试设备，为报验带来诸多不可控因素，导致最终的检测结果不准确，还会增加火灾隐患和触电危险。在同行业能够彻底解决该问题，具有很高的经济、技术价值，由此，每年企业将减少损失100余万元。

根据现有资料显示，在国内、外，蓄电池容量测试仪广泛应用于汽车行业，在车载直流蓄电池测试方面有成型产品。在造船行业，各大造船厂使用较少，现无面向船舶行业的专业产品，对该产品的应用具有更积极的意义。

1 问题描述

该问题所在技术系统是船舶蓄电池供电测试系统，它的主要功能是验证蓄电池的放电能力，通过逆变器逆变为交流电，检测蓄电池逆变电源电流恒流放电过程，即恒流大功率连续供电30分电流误差≤1A。在实现该功能的过程中，要保证待测船上蓄电池系统不能改变， 以恒流大功率连续测试30分钟也不能中断，电流误差不大于1A。

1.1 现有技术系统的工作原理（如下简图）

船舶待测蓄电池系统供电箱用连接电缆与负载开关和负载电阻（灯泡）连接好。接通负载开关，使待测蓄电池供电箱向负载电阻放电，进行测试。用外加电流表、电压表和功率表等仪表监测放电参数，用风扇给电阻散热，降低系统温度。

1.2 当前系统存在的问题

在系统进行放电试验过程中，需要多组灯泡同时工作，短时间内灯泡表面及局部环境聚集了大量的热量，由于热量散发不及时，使灯泡周围局部温度过高，造成灯泡稳定性差，易烧坏。在高达70℃的环境温度下，更换损坏灯泡极其困难且耗时较长。如更换不及时，会因试验电流偏差大于1A，而中断试验。

1.3 问题出现的条件和时间

根据实际测试统计，在恒定电流5A的情况下，其一，试验15分钟以后就有负载电阻（灯丝）不稳定，烧毁损坏，20分钟以后损坏数量增多。其二，负载散热大，环境升温快，存在安全隐患，负载中间位置温度高，25分钟左右各点温度恒定基本不再升高。

1.4 问题现有解决方案及其缺点

1.4.1 方案：

1.4.1.1 接入几个备用负载灯泡，发现灯泡烧毁及时投入备用灯泡，待坏灯泡及周围温度降低至40℃以下及时更换坏泡；

1.4.1.2 为了改善散热效果，增加散热风扇的数量；

1.4.1.3 延长连接电缆，将负载移到室外露天区域增加通风。

1.4.2 缺点：

1.4.2.1 备用负载数量有限，如损坏量太大，备用数量难以为继；

1.4.2.2 增加散热风扇少，效果不明显，增加风扇多，占用空间大，不方便放置；

1.4.2.3 负载移到室外电缆过长，系统稳定性差，室外天气偶遇雨、雪、大风时又无法使用。

2 TRIZ理论应用

2.1 功能分析

通过运用功能分析，列出相关的系统组件，建立功能模型等分析方法：

系统级别 组件名称负载开关、散热风扇、负载灯泡、灯座、器件固定板、仪表、电能、空气，外壳超系统组件 人、船用供电系统系统内组件

2.2 建立功能模型

根据建立的功能模型分析，实施裁剪策略，有害组件是负载灯泡，根据裁剪实施策略，裁掉负载灯泡。考虑寻求系统中可用件散热风扇，因风扇功率较大、无法满足指定电流的调节要求，选黄金电阻消除有害发热，采用带灯开关起指示作用。

2.3 因果链分析

通过因果链分析查找末端因素，并对末端因素提出相应的技术方案，重新进行灯泡、风扇的排列和布局，便于操作、散热。（如图1）

图1

2.4 辅助分析

通过最终理想解、九屏图、因果链等分析方法，也找出了问题的关键点和矛盾所在。

经过方案的可行性分析进行改进，与功能裁剪策略相似，如：扩大空间，加快空气流量，提高散热效果；自动控制测试装置投切，稳定测试参数；使用可调档风扇，可随负载温度，调节空气流通速度等相关方法。

3 运用TRIZ工具

3.1 技术矛盾

通过原问题“扩大空间，加快空气流量，提高散热效果”的技术矛盾表述： 如果增大负载灯泡之间的排列空间和空气流动量，那么就会降低了负载温度，便于拆装维修，但是增大了器件固定板的尺寸，不便于携带，存放更占空间；如果测量精度低，那么蓄电池测量装置需求器件少，但是恒流放电调节波动大 ，反之波动小。

参照39个通用工程参数，改善的温度、可维修性参数，恶化的静止物体的体积参数查找阿奇舒勒矛盾矩阵：

恶化的参数静止物体的体积改善的参数温度 35、6、4可维修性 1

3.1.1 运用创新原理产生联想如下：

创新原理 35、改变物体的体积A.改变物体的物理状态；B.改变物体的浓度具体内容或粘度；C.改变物体的柔度；D.改变物体的温度或体积方案 利用立体空间，把器件固定板改成器件箱创新原理 1、分割A.把一个物体分成相互独立的部分；B.将物具体内容体分成容易组装和拆卸的部分；C.提高物体的可分性或分散程度方案 一块电阻板分成若干块，分层放置

3.2 物理矛盾

负载灯泡间距是散热的主要问题。如果灯泡负载间距小，那么节省空间，但温度升高，反之则低。

3.2.1 通过空间分离的方法（1、2、3、4、7、13、17、24、26、30）分析矛盾问题，利用矛盾：1.分割法 17.多维原法。

创新原理 1.分割法 17、多维原法分割法： B、将物体分成容易组装和拆卸的部分具体内容多维原法 ：A、用物体的多层排列代替单层排列方案 灯泡板用多层排列替代单层平面排列

3.3 物场分析

基于物场模型的标准解，以降低局部温度高的问题，通过1.2.3引入第二种物质，构建完善的物场模型，用导流板改善空气动力性。

4 技术方案整理

将技术方案逐项列举，再利用方案特性及占比评分矩阵（消除矛盾30%；无新危害10%；成本低10%； 简单性20%；可行性30% ）乘以权重系数得出每条方案的最终得分选出优选方案，综合结论：制成器件箱，利用立体空间分层放置；用黄金散热电阻代替灯泡缩小体积；设置空气导流板便于散热。

5 项目改进后效果评估

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6 总结

该技术成果在十万吨级船坞生产线的系泊试验得到了全面应用，达到了预期的的经济效益，利用TRIZ理论作为引导，并申请了专利，打破了思维惯性、创新的神秘感，养成了积极思维的好习惯。

该成果推广实施之后，有效提高了劳动生产效率，缩短了系泊试验调试的施工周期。