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1、华中科技大学 硕士学位论文 潜艇蓄电池分级恒流充电控制系统的研究 姓名：黄晓辉 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：黄声华 20070605 I 摘 要 潜艇蓄电池充电系统是潜艇电力推进系统极为重要的组成部分，关乎潜艇的动力 性能、隐蔽性能和续航能力。而这些都与潜艇蓄电池充电控制系统密切相关，如何设 计出可靠、安全的充电控制系统使之能够最大程度地延长蓄电池的使用时间、增加潜 艇的续航能力一直是潜艇蓄电池充电系统的研究热点。 本文首先在综合国内外有关文献的基础上，系统地介绍了潜艇混合电力推进系统 的结构组成和较之传统推进系统的优越性，随后介绍了现有各种蓄电池的优缺点以及 潜艇推进系统
2、对蓄电池的要求，指出了选择硅能蓄电池作为潜艇充电系统所用蓄电池 的原因。 详细分析了各种现有的蓄电池充电方法后，指出了选择分级恒流充电方法作为潜 艇蓄电池充电方法的原因。讨论并分析了蓄电池的几种模型，提出一种针对硅能蓄电 池的建模方法：实验法，并给出了实验法建立模型的步骤，最后建立了硅能蓄电池的 实验模型。 利用 Matlab/Simulink 系统仿真软件建立了蓄电池充电系统各个部分的仿真模型， 并针对实际系统的几种典型工况进行了仿真，给出了仿真波形及理论分析。 完成了以 TMS320LF2407 DSP 为控制核心的潜艇蓄电池充电控制系统的硬件和 软件设计，对系统的软硬件各部分的结构和功能
3、分别作了详细的阐述。根据以上设计 思路开发了潜艇蓄电池分级恒流充电控制器，并在模拟试验平台上验证了设计的分级 恒流充电控制系统的具体性能，实验结果表明其控制性能达到很好的预期效果。 关键词：蓄电池分级恒流充电控制系统，蓄电池模型，系统仿真，DSP II Abstract Submarine Battery Charge System is a vital part of the electric propulsion system in submarine, which relates to the dynamic performance, hidden performance and nav
4、igation range. These performances are closely related to the battery charge control system. How to design a reliable and secure control system has been the hotspot of submarine battery charger research. The final target is to make it greatly possible to extend the use time of the battery and increas
5、e the range. This paper first give a systematic introduction about the advantages of the submarine electric propulsion system than traditional propulsion systems, on the basis of the literature at home and abroad, then introduced the advantages and disadvantages of the existing batteries and require
6、ments for battery in submarine propulsion system, finally pointed out the reasons about the choice of silicon battery as a submarine battery. After a detailed analysis of the existing charging method, we chose grading constant current charging method as a submarine battery charging method. Then afte
7、r giving analysis of several kinds of battery model, we have chosen experimental method for Silicon battery Modeling, and finally have made out the experimental model for the battery. The thesis has modeled most parts of the battery charger system by using system simulation software Matlab/Simulink,
8、 and make simulation waveform analysis against the typical working conditions. The thesis has completed hardware and software design for control the submarine battery charge control system based on a TMS320LF2407 DSP core controller. Hardware and softwares structure and function are described in det
9、ail. Based on the above, a grading constant current charging controller for submarine battery is developed. Then the control system is tested on the simulation platform, and satisfactory result is drawn. The simulation results and experiment results verify validity and effectiveness of the control s
10、ystem. Key words: Grading constant current charge control system, battery model, system simulation, DSP 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有
11、关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 1 绪 论 1.1 课题的来源 船舶电站在船舶的整个系统中占有举足轻重的地位，它关系到船舶的动力与照 明、通信、导航等几乎各个方面。可以毫不夸张地说，如果没有船舶电站，那么船舶 只是海上
12、的随波逐流的一堆钢铁。而在船舶电站系统中最为重要的子系统是推进系 统，船舶推进系统一般分为传统推进系统和电力推进系统。传统的船舶推进系统主要 是以内燃机和蒸汽机为动力，通过机械传动的方式来实现船舶的推进，这种推进方式 在船舶发展的早期应用较多。 但是该推进方式效率低下、 速度不易调节、 稳定性较差， 因此在船舶发展中期逐渐被电力推进方式所替代。电力推进方式之所以优于柴油机等 传统推进方式是因为：首先是电动机无烟尘油水，且噪声低。在陆上，汽油汽车能量 利用效率低于柴油汽车，而前者有难闻的气味，却无粉尘；后者反之，效率较高，却 不可避免地存在粉尘，柴油船舶及汽油船舶概不例外；其次在于，电力推进能量
13、利用 效率高。众所周知1，柴油机的动力能量利用效率，即用于推进船舶做功的能量利用 效率约为 30%。这是因为其冷却水带走约 30%,烟气带走约 30%。在现代能源技术中， 提倡供热和供电的统一，因为这样可以利用冷却水和烟气所带走的能量，能量利用效 率可以达到 70%以上。然而在船舶上，尤其是小型船舶，热能无法利用，至少难以大 幅度回收，因此，柴油机的动力能量利用效率就是能量总利用效率，仅为 30%。以蓄 电池电动船舶为例来比较，它实质就是蓄电池加电动机的船舶电力推进，其能量利用 效率高于 46%，高出柴油机 50%以上，因为蓄电池的效率为 55%-75%，而电动机的 效率高于 85%。 目前船
14、舶电力推进技术是成熟的，早已应用于特种船舶如自航起重船、工程船、 挖泥船和常规潜艇。电力推进分为柴油机发电的电力推进和全蓄电池电力推进两种。 前者因为有柴油机， 所以仍然是低效率和有污染的， 但是续航能力较强； 后者噪音低、 污染较小，但续航能力低下、成本较高。为了兼顾效率和续航能力，常规潜艇一般采 2 用混合电力推进的方式，混合电力推进的特点是一次动力源为柴油发动机或者燃料电 池等，它应当尽可能长时间地工作在高效率区甚至是恒功率输出，这样其污染物排放 最小，而且能源利用率最高；二次动力源为蓄电池，在柴油机动力不足或者出现故障 的情况下蓄电池能够提供主要动力，对于常规潜艇来说，蓄电池还能够提供
15、水下航行 的动力源，增加其水下续航能力，提高作战隐蔽能力。混合电力推进系统一般包括柴 油发电机组、主推进电机、两组蓄电池组及其他负载等，柴油发电机组的组成形式一 般为柴油发动机带同步发电机加不可控或可控整流桥，但也有柴油发动机直接带直流 发电机的结构，这种结构由于直流发电机的容量相对于交流电机来说要小，所以一般 很少用这种结构；主推进电机一般为直流推进电机或者交流推进电机，用来带动螺旋 桨或者船舵；蓄电池组要选用高比功率、高比能量的蓄电池单体串联组合在一起；主 推进电机一般为直流电动机或者交流电机。 图 1.1 为常见的混合电力推进的系统结构。 柴油发电机 组 蓄电池充放电 控制系统 蓄电池充
16、放电 控制系统 配电 动力调节电 装置 推进装置 其他负载 蓄电池组 图 1.1 混合电力推进系统结构图 某研究所设计的常规潜艇就采用上述混合电力推进系统结构，我们的课题项目就 来源于该系统的蓄电池充放电控制系统。这种混合电力推进系统对于潜艇来说能使其 隐蔽性及反潜能力更好，具有以下优点2： (1) 布局更灵活、有效空间更多、费用降低。由于与螺旋桨轴电动机无机械连 接，主机可安装在紧凑舱中最佳位置。 (2) 使用多台发电机组和电动机，增加了选择设备的灵活性，确保了较大的可靠 性，当部分发电机组发生故障时，其余的机组仍能照常工作，单一的发动机故障不会 引起潜艇速度/续航力的明显降低，单点故障率降低，提高了潜艇的生命力。 (3) 维护工作量减少，无活动部件。固定的电力电子设备、结实的电动机以及螺
