履帶車輛供電系統(tǒng)半實物仿真研究

鄭 潔， 郭會然， 劉 睿

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

裝甲車輛供電電網(wǎng)愈發(fā)復雜，相互耦合效應愈明顯，單一的功能、性能測試無法模擬電氣設備在整個電網(wǎng)中的實際工作狀態(tài)，無法表征電氣設備實際工作特征.并且由于試驗室驗證條件有限，不可能完全提供整車電應力測試的全部條件，因此需開展供電系統(tǒng)半實物仿真驗證，實現(xiàn)電應力的仿真注入，模擬實際的工作應力，從而提供電氣設備自身入網(wǎng)特性的試驗基礎，同時還可以獲得電應力測試數(shù)據(jù)，掌握電網(wǎng)實際的供電特性.

1 總體設計方案

通過對電網(wǎng)中電源特性和負載適配性的相互耦合關系研究，找出電氣設備故障模式的電應力典型影響因素；通過對大量電子產(chǎn)品故障進行統(tǒng)計、歸納，重點對各類故障產(chǎn)生時的綜合應力條件進行深入的邊界分析，進而確認不同故障模式的關鍵影響因素類別；通過試驗室測試找尋系統(tǒng)極限瞬時應力條件，結合GJB298-1987的相關技術約束參數(shù)，建立供電系統(tǒng)極限瞬時電應力仿真模型，然后可將仿真模型疊加至機電綜合試驗環(huán)境中，建立裝甲車輛整車供電半實物仿真驗證平臺，如圖1所示.

圖1 總體設計方案

2 供電系統(tǒng)電應力關鍵影響因素分析

供電系統(tǒng)的電應力的影響因素主要包括電壓和電流兩種特性參數(shù)，電壓和電流又可分為正常工作電壓/電流和瞬態(tài)工作電壓/電流，此外還有紋波、頻率等影響因素.從應力作用效果上，可分為正常工作應力水平和過度性電應力兩大類影響因素，過渡性電應力引發(fā)的故障普遍存在但是其產(chǎn)生原理復雜.因此，首先從供電系統(tǒng)的電氣特性入手，從電源特性同負載特性的耦合關系入手，從電應力的影響因素中找出影響供電系統(tǒng)可靠性的關鍵影響因素.

2.1 電源特性同負載特性的相互耦合關系

2.1.1 負載特性

車輛上的負載大致分為兩種，一種是線性負載，一種是非線性負載.線性負載輸入電流隨輸入電壓的增加而增加，但是負載的變化不會使電源電壓波形畸變，線性負載的工作電壓、電流只含有基波，但非線性負載的電壓、電流中含有很多諧波，這會造成波形的畸變.

裝甲車輛中廣泛使用負載主要包含照明燈、電阻式加溫元件、直流電動機、直流電磁閥、繼電器、接觸器等.電阻式負載具有典型的線性負載，廣泛使用的直流電動機其工作特性如圖2所示.雖然其啟動電流很大，但正常工作后，隨著電源電壓升高，電機轉矩增大，輸入電流也相應增加，仍具有線性特性，因此也屬于線性負載.

圖2 某車型機油泵工作特性曲線

目前已裝備的裝甲車輛基本采用28 V直流供電系統(tǒng)，其電源系統(tǒng)由勵磁發(fā)電系統(tǒng)、鉛酸蓄電池構成.電源調節(jié)系統(tǒng)將直流電源穩(wěn)定在(28±0.7)V，當供電系統(tǒng)產(chǎn)生外部干擾的情況下，通過內部調節(jié)作用來抑制電壓的變化.發(fā)電機的調壓設備的晶體管整流電路具有典型的非線性特征，能在電源電壓波動或負載變化時，高效地調節(jié)輸出電壓.開關電源或模塊電源是典型的非線性電路，大多數(shù)的電子裝置均屬于此類，它和供電的設備一起構成非線性用電設備.但目前現(xiàn)有裝備的各電子裝置中所采用的開關電源功率較小，對供電系統(tǒng)影響較小，不作為重要的研究方向.

2.1.2 電源特性同負載特性的相互影響分析

供電系統(tǒng)中電氣設備的啟動、停止和變負荷運行工作頻繁，系統(tǒng)處于動態(tài)變化的運行情況比較多，在不同的工況下不同故障點對系統(tǒng)運行造成的影響差別很大.發(fā)電機、負載、電力電子變換器和帶電元件的接地連接耦合性強，抗擾動能力弱，多應力集中施加，極易造成系統(tǒng)故障.目前大量的大功率線性負載在電源開關動作瞬間會產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，對供電系統(tǒng)造成較大的沖擊，并且很多失效模式都與使用中產(chǎn)生的瞬間高電壓沖擊有關，例如，整車電源系統(tǒng)瞬時浪涌電壓和浪涌電流，電感性或電容性電路中斷時產(chǎn)生的浪涌電壓和浪涌電流都是伴隨存在的.

綜上所述，電源特性同負載特性相互耦合特性主要包含浪涌電流、浪涌電壓、尖峰脈沖電壓3種.用電設備在完成其規(guī)定的功能時，應對其電壓/電流變化率和脈沖幅值進行約束，限制用電設備的電壓/電流波動，使其滿足供電系統(tǒng)的脈沖和電壓瞬變所規(guī)定的范圍.同時，用電設備也必須具備抗浪涌電壓和電流沖擊能力.

2.2 供電系統(tǒng)主要故障模式及其影響分析

2.2.1 基于故障模型的故障模式分析

電氣設備的可靠性同電應力有著極其密切的關系.電應力包括電壓、電流、功率、靜電感應、浪涌電壓和電磁場等，從應力作用效果上，可分為正常工作水平的電應力和過度性電應力兩大類.其中，后者常會導致失效的發(fā)生，與電應力有關的失效模式主要為：

1)高電壓(強電場)引起的擊穿失效.這種失效與元器件使用中遇到的瞬態(tài)脈沖有關.裝甲車輛中主要由大功率的投入或切除、電源的轉換、電網(wǎng)的短路和短路的切除、直流電動機的起動等因素導致，其中電壓浪涌幅值最大為100 V，最小為15 V，動態(tài)時間一般從數(shù)毫秒至數(shù)秒.高電壓主要影響電子產(chǎn)品中的穩(wěn)壓器件，對非調整性器件，高壓有利于暴露二極管、晶體管的缺陷.

2)大電流引起的燒毀失效.這種失效與電路中電感性或電容性電路中通、斷點瞬間誘發(fā)大電流有關.現(xiàn)役的裝甲車輛中大量應用了直流電動機，功率從幾百瓦至幾千瓦不等，這類負載在起動時往往帶來瞬時電流的沖擊，最高可能幾百安，有可能超出負載的過載能力，導致用電設備損壞.大電流可以引起導體溫度升高，導致導體熔化，通過傳導和對流，導體可將熱量傳遞給其他元件及絕緣材料，引發(fā)疲勞失效.電流過高會引起電阻等元件參數(shù)值隨時間漂移，大電流還會產(chǎn)生磁場，引發(fā)噪聲.

3)與熱效應伴隨的熱電擊穿失效.這種失效主要是因為功率應力引起過熱，經(jīng)常有明顯可見溶蝕痕跡的損傷，特別是封裝材料有碳化現(xiàn)象；芯片表面金屬布線熔融蒸發(fā)，造成開路、短路或漏電.長時間熱效應積累會引起電阻器和電容器等器件的參數(shù)值發(fā)生漂移.

因此，為找出這些影響因素同故障模式的關系，首先確定電子裝備組件及元器件功能、性能，列出彼此的交聯(lián)關系及影響.基于此對產(chǎn)品進行故障模式的分析，確定產(chǎn)品典型故障模式，通過系統(tǒng)的逐級建模，找出故障的傳遞關系，從而分析出典型故障的關鍵影響因素.如圖3所示.

由以上逐層分析可以看到，電應力對于電源控制器電源模塊損壞的影響因素主要包含尖峰脈沖、浪涌電壓、浪涌電流和短路電流.

圖3 某車型電源控制器故障傳遞模型

2.2.2 供電系統(tǒng)故障統(tǒng)計與分析

以某型裝甲車供電系統(tǒng)為研究對象，充分調研收集產(chǎn)品信息、梳理產(chǎn)品的功能、組成、壽命剖面、環(huán)境條件等；詳細收集產(chǎn)品各類故障信息，如：外場數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)等，充分了解、掌握失效品發(fā)生失效的背景信息.應用統(tǒng)計分析方法繪制出該車型電應力的故障模式影響因素的示意圖，如圖4所示.主要包含浪涌電壓、浪涌電流、短路電流和尖峰脈沖電壓.

圖4 某車型供電系統(tǒng)電應力故障影響因素示意圖

通過以上分析，電應力的主要影響因素主要包含電壓、電流和功率.穩(wěn)態(tài)特性對于系統(tǒng)基本沒有影響.供電系統(tǒng)電應力關鍵影響因素主要為瞬態(tài)特性，如浪涌電壓、浪涌電流、尖峰脈沖電壓、短路電流.

3 供電系統(tǒng)電應力的注入仿真

供電系統(tǒng)仿真的關鍵是確定電網(wǎng)電應力的邊界條件，模擬瞬態(tài)應力的施加、確定測試的監(jiān)控數(shù)據(jù)、監(jiān)測參數(shù)的特征提取.經(jīng)過分析之前的供電系統(tǒng)特性以及之前所積累的大量的電源及其負載特性測試曲線，可知GJB298-1987[1]中所規(guī)定的電氣特性基本可以表征供電系統(tǒng)的極限工作特性.因此它不僅是對軍用裝甲車輛整個供電系統(tǒng)中的電源系統(tǒng)與用電設備之間的協(xié)調，也是車輛供電系統(tǒng)和用電設備進行半實物仿真驗證設計時的依據(jù).

3.1 仿真平臺的搭建

仿真驗證平臺包括上位機、功率放大器及其控制單元和暫態(tài)波形發(fā)生器，如圖5所示.功率放大器負責提供穩(wěn)態(tài)直流28 V電源，并能夠疊加高達200 kHz的紋波用于紋波測試.當測試浪涌和尖峰脈沖時，需要暫態(tài)脈沖器來配合功率放大器產(chǎn)生測試所需要的脈沖.

圖5 仿真測試系統(tǒng)框圖

上位機能通過特制開發(fā)的軟件管理功放、拋負載脈沖發(fā)生器和暫態(tài)脈沖發(fā)生器，并可通過上位機軟件編制GJB298-1987的測試項目.基于四象限功率放大設備的仿真測試系統(tǒng)能夠按照設計輸出非常精確的電壓波形，用來測試用電設備與此電源系統(tǒng)的相適應性.

3.2 電應力穩(wěn)態(tài)特性注入仿真

使用PAS LVA 1000線性功放輸出恒定直流電壓，此時拋負載脈沖發(fā)生器相當于被旁路，而暫態(tài)脈沖發(fā)生器相當于被斷開，通過上位機軟件施加穩(wěn)態(tài)電壓和紋波電壓，模擬車上電源系統(tǒng)發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)工作的工況、僅蓄電池供電的工況和僅發(fā)電機供電的工況.波形電壓輸入仿真如圖6所示,穩(wěn)態(tài)電壓輸入仿真如圖7所示.

圖6 紋波電壓輸入波形(僅蓄電池工作時)

圖7 穩(wěn)態(tài)電壓輸入波形(僅蓄電池工作時)

由圖6、圖7可知，上位機軟件輸出28 V的穩(wěn)態(tài)電壓，并能夠疊加200 kHz的紋波電壓，從而模擬了電網(wǎng)真實的輸出狀態(tài).

3.3 電應力瞬態(tài)特性注入仿真

使用PAS LVA 1000線性功放來產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的28 V電壓，此時拋負載脈沖發(fā)生器相當于暫態(tài)發(fā)生器串聯(lián)在PAS LVA 1000功放和被測件之間，負責產(chǎn)生浪涌電壓以及尖峰脈沖電壓所需要的內阻、電壓和能量，而暫態(tài)脈沖發(fā)生器相當于被斷開沒參與測試.功放會按照預設定分別給被測件發(fā)出穩(wěn)態(tài)的電壓，通過上位機軟件施加浪涌電壓和尖峰脈沖電壓.浪涌電壓輸入仿真如圖8所示，尖峰脈沖電壓輸入仿真如圖9所示.

由圖8、圖9可知，由PAS LVA 1000線性功放輸出穩(wěn)態(tài)電壓，上位機依據(jù)GJB298-1987中浪涌電壓和尖峰脈沖電壓的包絡曲線模擬兩種電壓的極限值，并疊加至穩(wěn)態(tài)電壓上，從而實現(xiàn)了電網(wǎng)瞬態(tài)電壓特性的仿真模擬.

圖8 浪涌電壓仿真

圖9 尖峰脈沖電壓仿真

4 電應力注入仿真的試驗驗證

4.1 用電設備極限瞬態(tài)電應力注入測試

1)測試內容：尖峰脈沖測試.

2)測試對象：電源控制器.

3)仿真波形參數(shù)設置：尖峰脈沖電壓Vpeak設置為±250 V，尖峰脈沖電壓的上升沿時間設置為50 ns，尖峰脈沖電壓持續(xù)時間為50 ms，尖峰脈沖電壓的振蕩頻率為fosc=500 kHz.

4.2 測試結果

圖10為電源控制器測試點1的測試結果，通道3為濾波器輸入端電壓；通道4為浪涌抑制器輸出端電壓.圖11為電源控制器測試點2的測試結果，通道1為5 V電源模塊輸出端電壓；通道3為濾波器輸入端電壓；通道4為浪涌抑制器輸出端電壓.

圖10 電源控制器尖峰脈沖電壓測試波形(測試點1)

圖11 電源控制器尖峰脈沖電壓測試波形(測試點2)

由圖10知測試點1的測試結果：尖峰脈沖電壓受電路中負載及濾波組件的影響，注入設備時僅為+100～-50 V的尖峰.但浪涌抑制器輸出仍受尖峰脈沖電壓的影響，出現(xiàn)+35～+18 V的尖峰.雖然通過工裝檢測，電源控制器功能未發(fā)現(xiàn)異常，但是可以看到輸出電壓已經(jīng)產(chǎn)生畸變.在復雜電磁環(huán)境下，受傳導以及輻射的干擾疊加，這個變化影響將更加凸顯，因此通過測試可以表明尖峰脈沖電壓是電源控制器敏感電應力之一.

由圖11知測試點2的測試結果：相比較15 V電源模塊受尖峰脈沖的影響，5 V電源模塊的輸出端產(chǎn)生了較明顯的干擾信號，電壓幅值范圍為2～8 V，總線通訊測試時間30 min，發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟幀的故障，進一步確定了尖峰脈沖電壓是電源控制器中的故障影響因素之一.

5 結束語

從供電系統(tǒng)電應力的關鍵影響因素入手，開展電氣部件故障層級建模分析，結合供電系統(tǒng)故障統(tǒng)計與分析的結果，確定了浪涌電壓、浪涌電流、短路電流和尖峰脈沖電壓為測試應力，實現(xiàn)了供電系統(tǒng)的集成測試，測試結果同分析結果一致.通過裝甲車輛供電系統(tǒng)半實物仿真驗證研究，解決了GJB298-1987中的指標無法提供可以量化測試結論的問題，達到了充分激發(fā)用電設備潛在故障的目的，但存在測試參數(shù)同車型的實際特征貼合不夠，測試邊界值不夠準確的問題,在以后的設計中重點開展系統(tǒng)極限瞬時電應力分析和引發(fā)故障的邊界參數(shù)研究.