基于TRIZ 理論的船舶蓄電池容量測試方法改進

文 / 渤海船舶重工有限責任公司 郭健 牛震宇 遼寧省科學技術館 劉永睿

引言

船舶使用蓄電池供電系統作為船舶應急電源，通常采用自制燈板、家用電阻絲式電爐子等簡陋設備作為負載進行放電，放電過程不是恒流源放電，同時無法準確地檢測放電電壓和電流。上述方法存在以下不足：放電時間長；測試精度低；安全性能差。在大電流工作時，常常容易燒毀調試設備，為報驗帶來諸多不可控因素，導致最終的檢測結果不準確，還會增加火災隱患和觸電危險。在同行業能夠徹底解決該問題，具有很高的經濟、技術價值，由此，每年企業將減少損失100余萬元。

根據現有資料顯示，在國內、外，蓄電池容量測試儀廣泛應用于汽車行業，在車載直流蓄電池測試方面有成型產品。在造船行業，各大造船廠使用較少，現無面向船舶行業的專業產品，對該產品的應用具有更積極的意義。

1 問題描述

該問題所在技術系統是船舶蓄電池供電測試系統，它的主要功能是驗證蓄電池的放電能力，通過逆變器逆變為交流電，檢測蓄電池逆變電源電流恒流放電過程，即恒流大功率連續供電30分電流誤差≤1A。在實現該功能的過程中，要保證待測船上蓄電池系統不能改變， 以恒流大功率連續測試30分鐘也不能中斷，電流誤差不大于1A。

1.1 現有技術系統的工作原理（如下簡圖）

船舶待測蓄電池系統供電箱用連接電纜與負載開關和負載電阻（燈泡）連接好。接通負載開關，使待測蓄電池供電箱向負載電阻放電，進行測試。用外加電流表、電壓表和功率表等儀表監測放電參數，用風扇給電阻散熱，降低系統溫度。

1.2 當前系統存在的問題

在系統進行放電試驗過程中，需要多組燈泡同時工作，短時間內燈泡表面及局部環境聚集了大量的熱量，由于熱量散發不及時，使燈泡周圍局部溫度過高，造成燈泡穩定性差，易燒壞。在高達70℃的環境溫度下，更換損壞燈泡極其困難且耗時較長。如更換不及時，會因試驗電流偏差大于1A，而中斷試驗。

1.3 問題出現的條件和時間

根據實際測試統計，在恒定電流5A的情況下，其一，試驗15分鐘以后就有負載電阻（燈絲）不穩定，燒毀損壞，20分鐘以后損壞數量增多。其二，負載散熱大，環境升溫快，存在安全隱患，負載中間位置溫度高，25分鐘左右各點溫度恒定基本不再升高。

1.4 問題現有解決方案及其缺點

1.4.1 方案：

1.4.1.1 接入幾個備用負載燈泡，發現燈泡燒毀及時投入備用燈泡，待壞燈泡及周圍溫度降低至40℃以下及時更換壞泡；

1.4.1.2 為了改善散熱效果，增加散熱風扇的數量；

1.4.1.3 延長連接電纜，將負載移到室外露天區域增加通風。

1.4.2 缺點：

1.4.2.1 備用負載數量有限，如損壞量太大，備用數量難以為繼；

1.4.2.2 增加散熱風扇少，效果不明顯，增加風扇多，占用空間大，不方便放置；

1.4.2.3 負載移到室外電纜過長，系統穩定性差，室外天氣偶遇雨、雪、大風時又無法使用。

2 TRIZ理論應用

2.1 功能分析

通過運用功能分析，列出相關的系統組件，建立功能模型等分析方法：

系統級別 組件名稱負載開關、散熱風扇、負載燈泡、燈座、器件固定板、儀表、電能、空氣，外殼超系統組件 人、船用供電系統系統內組件

2.2 建立功能模型

根據建立的功能模型分析，實施裁剪策略，有害組件是負載燈泡，根據裁剪實施策略，裁掉負載燈泡。考慮尋求系統中可用件散熱風扇，因風扇功率較大、無法滿足指定電流的調節要求，選黃金電阻消除有害發熱，采用帶燈開關起指示作用。

2.3 因果鏈分析

通過因果鏈分析查找末端因素，并對末端因素提出相應的技術方案，重新進行燈泡、風扇的排列和布局，便于操作、散熱。（如圖1）

圖1

2.4 輔助分析

通過最終理想解、九屏圖、因果鏈等分析方法，也找出了問題的關鍵點和矛盾所在。

經過方案的可行性分析進行改進，與功能裁剪策略相似，如：擴大空間，加快空氣流量，提高散熱效果；自動控制測試裝置投切，穩定測試參數；使用可調檔風扇，可隨負載溫度，調節空氣流通速度等相關方法。

3 運用TRIZ工具

3.1 技術矛盾

通過原問題“擴大空間，加快空氣流量，提高散熱效果”的技術矛盾表述： 如果增大負載燈泡之間的排列空間和空氣流動量，那么就會降低了負載溫度，便于拆裝維修，但是增大了器件固定板的尺寸，不便于攜帶，存放更占空間；如果測量精度低，那么蓄電池測量裝置需求器件少，但是恒流放電調節波動大 ，反之波動小。

參照39個通用工程參數，改善的溫度、可維修性參數，惡化的靜止物體的體積參數查找阿奇舒勒矛盾矩陣：

惡化的參數靜止物體的體積改善的參數溫度 35、6、4可維修性 1

3.1.1 運用創新原理產生聯想如下：

創新原理 35、改變物體的體積A.改變物體的物理狀態；B.改變物體的濃度具體內容或粘度；C.改變物體的柔度；D.改變物體的溫度或體積方案 利用立體空間，把器件固定板改成器件箱創新原理 1、分割A.把一個物體分成相互獨立的部分；B.將物具體內容體分成容易組裝和拆卸的部分；C.提高物體的可分性或分散程度方案 一塊電阻板分成若干塊，分層放置

3.2 物理矛盾

負載燈泡間距是散熱的主要問題。如果燈泡負載間距小，那么節省空間，但溫度升高，反之則低。

3.2.1 通過空間分離的方法（1、2、3、4、7、13、17、24、26、30）分析矛盾問題，利用矛盾：1.分割法 17.多維原法。

創新原理 1.分割法 17、多維原法分割法： B、將物體分成容易組裝和拆卸的部分具體內容多維原法 ：A、用物體的多層排列代替單層排列方案 燈泡板用多層排列替代單層平面排列

3.3 物場分析

基于物場模型的標準解，以降低局部溫度高的問題，通過1.2.3引入第二種物質，構建完善的物場模型，用導流板改善空氣動力性。

4 技術方案整理

將技術方案逐項列舉，再利用方案特性及占比評分矩陣（消除矛盾30%；無新危害10%；成本低10%； 簡單性20%；可行性30% ）乘以權重系數得出每條方案的最終得分選出優選方案，綜合結論：制成器件箱，利用立體空間分層放置；用黃金散熱電阻代替燈泡縮小體積；設置空氣導流板便于散熱。

5 項目改進后效果評估

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6 總結

該技術成果在十萬噸級船塢生產線的系泊試驗得到了全面應用，達到了預期的的經濟效益，利用TRIZ理論作為引導，并申請了專利，打破了思維慣性、創新的神秘感，養成了積極思維的好習慣。

該成果推廣實施之后，有效提高了勞動生產效率，縮短了系泊試驗調試的施工周期。