裝甲車輛供電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

袁 東, 魏曙光, 馬曉軍

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系, 北京 100072)

裝甲車輛供電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

袁 東, 魏曙光, 馬曉軍

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系, 北京 100072)

從裝甲車輛負(fù)載電能需求出發(fā)，回顧了近年來裝甲車輛供電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，其總體特征為小功率向大功率、低壓向高壓、單一供電體制向復(fù)合供電體制、模擬/繼電控制向數(shù)字化/網(wǎng)絡(luò)化控制發(fā)展。以供電體制為主線，重點分析了28V低壓車載供電系統(tǒng)、270V/28V復(fù)合車載供電系統(tǒng)以及車載綜合電力系統(tǒng)3類典型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與關(guān)鍵技術(shù)，并對未來戰(zhàn)場智能電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行了展望，為裝甲車輛供電系統(tǒng)論證分析、研制設(shè)計以及改造升級等研究提供了理論借鑒和技術(shù)參考。

裝甲車輛； 供電體制； 綜合電力系統(tǒng)

裝甲車輛供電系統(tǒng)是各種車載用電裝置的能源樞紐，涉及裝甲車輛的火力、機動、防護(hù)和指揮控制等多個方面，因此供電系統(tǒng)的性能直接影響裝甲車輛的整體戰(zhàn)技性能和戰(zhàn)場生存能力[1-3]。隨著裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，裝甲車輛供電系統(tǒng)經(jīng)歷了從小功率向大功率、低壓向高壓、單一供電體制向復(fù)合供電體制、模擬/繼電控制向數(shù)字化/網(wǎng)絡(luò)化控制的發(fā)展過程。從其供電體制和電壓等級來看，目前主要有28V低壓車載供電系統(tǒng)和270V/28V復(fù)合車載供電系統(tǒng)2種類型，隨著陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)的不斷推進(jìn)，采用多能量源復(fù)合式的大功率/大容量車載綜合電力系統(tǒng)將成為裝甲車輛供電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向和典型架構(gòu)模式。

1 28 V低壓車載供電系統(tǒng)

1.1 直流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)

早期裝甲車輛中的用電裝置少，需求功率小，直流電機由于其技術(shù)成熟而被廣泛地應(yīng)用于車載供電系統(tǒng)。直流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由直流發(fā)電機、機械式調(diào)壓器、濾波器、鉛酸蓄電池和輸配電裝置等組成。機械式調(diào)壓器根據(jù)檢測電壓控制繼電器通斷，調(diào)節(jié)激磁電流，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓，由于機械開關(guān)頻率低，電壓波動量往往較大，因此供電系統(tǒng)中增設(shè)了濾波器，用于改善供電質(zhì)量。

圖1 直流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用分散式配電，直流發(fā)電機和鉛酸蓄電池的電能輸送到主配電板，通過空氣開關(guān)、接觸器等分出若干條支路通往用電設(shè)備。由于工作電壓較低，為了減少銅耗、簡化供電線路，系統(tǒng)絕大部分支路采用單線制，電源正極與用電裝置連接，負(fù)極用車體代替，因此負(fù)極導(dǎo)線常稱為搭鐵線。

由上述分析可知，該直流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)存在如下問題：1)直流電機因存在電刷而使發(fā)電機轉(zhuǎn)速提高受到限制，功率密度較低，且需要經(jīng)常性的維護(hù)保養(yǎng)；2)機械式調(diào)壓器的控制精度不高，且其觸頭振動時產(chǎn)生的火花容易燒毀觸頭，并會干擾其他設(shè)備工作。

隨著裝甲車輛作戰(zhàn)系統(tǒng)的日趨復(fù)雜和信息化程度的不斷提高，各種車載電氣電子設(shè)備迅速增加，對供電系統(tǒng)功率需求和供電品質(zhì)要求越來越高，上述直流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)難以滿足要求。

1.2 交流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)

隨著電機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機和可控硅調(diào)壓器逐漸應(yīng)用于裝甲車輛供電系統(tǒng)。交流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)也是目前應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)形式[4]。

圖2 交流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該交流發(fā)電機低壓供電系統(tǒng)主要由交流發(fā)電機、整流器、調(diào)壓器、鉛酸蓄電池和輸配電裝置組成。初期交流發(fā)電機采用爪極硅整流發(fā)電機，激磁繞組使用銅環(huán)電刷供電，整流器采用內(nèi)置設(shè)計，具有體積小、功率密度大等優(yōu)點，但其激磁電刷的存在限制了電機功率的提高。

因此，在更大功率的裝甲車輛供電系統(tǒng)中，一般采用基于兩級激磁的無刷爪極轉(zhuǎn)子硅整流交流同步發(fā)電機，該發(fā)電機包括主發(fā)電機和激磁機。激磁機的激磁電流由電壓調(diào)節(jié)器控制，這樣在激磁機轉(zhuǎn)子的電樞繞組上感應(yīng)出三相交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后得到主發(fā)電機需要的直流激磁電流。采用這種結(jié)構(gòu)可解決電刷帶來的換向問題，同時兩級激磁可增大激磁電流的調(diào)節(jié)范圍，使發(fā)電機能夠提供更大功率的輸出。區(qū)別于前述交流發(fā)電機整流器內(nèi)置設(shè)計結(jié)構(gòu)，該供電系統(tǒng)外置硅整流橋設(shè)計，且采用風(fēng)冷散熱方式。

隨著電機技術(shù)的發(fā)展，調(diào)壓器也由機械式調(diào)壓逐步發(fā)展為可控硅調(diào)壓和晶體管調(diào)壓電路，與交流發(fā)電機配套使用，這種調(diào)壓器消除了振動觸頭，有效提高了系統(tǒng)控制性能和可靠性。魏巍[5]進(jìn)一步設(shè)計了基于DSP-TMS320LF2407A的數(shù)字式調(diào)壓器，并采用基于轉(zhuǎn)速前饋的復(fù)合穩(wěn)壓控制結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速、激磁電流等狀態(tài)信息引入控制中，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。同時，調(diào)壓器內(nèi)嵌狀態(tài)檢測和故障診斷單元，實現(xiàn)了對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測和在線故障診斷。

圖3 基于轉(zhuǎn)速前饋的復(fù)合穩(wěn)壓控制結(jié)構(gòu)

同樣地，電力電子技術(shù)的發(fā)展也推動了配電裝置的不斷升級。1.1節(jié)中所述的基于繼電器、接觸器、空氣開關(guān)的配電方式，由于保護(hù)功能差、自動化程度低、電磁干擾大以及存在觸點火花等問題，難以滿足各種新型電氣電子設(shè)備，特別是計算機類設(shè)備對系統(tǒng)供電品質(zhì)、監(jiān)控保護(hù)、能量管理以及電磁環(huán)境等的嚴(yán)苛要求。針對上述問題，馬曉軍等[6]設(shè)計了基于電子開關(guān)的新型裝甲車輛電源管理系統(tǒng)，電子開關(guān)采用大功率MOS管輔以如圖4所示的軟開通/軟關(guān)斷控制電路，通過程控給定，根據(jù)不同負(fù)載設(shè)置開通/關(guān)斷過程的電流斜率，實現(xiàn)各用電支路的“無觸點”供電控制，改善了供電質(zhì)量，同時實現(xiàn)了供電支路的實時狀態(tài)監(jiān)測與故障保護(hù)。

圖4 電子開關(guān)軟開通/軟關(guān)斷控制電路

調(diào)壓器、電子開關(guān)等系統(tǒng)部件的數(shù)字化控制不僅提高了供電系統(tǒng)本身的控制性能，還為網(wǎng)絡(luò)化車輛電源管理系統(tǒng)的構(gòu)建提供了底層硬件基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)化車輛電源管理系統(tǒng)的設(shè)計思路為：將供電系統(tǒng)各部件的管理控制單元通過相應(yīng)總線(如MIC總線等)連接起來，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在線監(jiān)測與故障報警[7-8]。同時，系統(tǒng)還可根據(jù)不同設(shè)備的任務(wù)剖面和用電特性，確定其任務(wù)及功能優(yōu)先級，制定不同情況下的電源系統(tǒng)能量分配策略，以確保供電緊張情況下重要功能設(shè)備的可靠供電，實現(xiàn)電源系統(tǒng)能量的優(yōu)化管理與控制。

在系統(tǒng)研制與工程實踐飛速發(fā)展的同時，裝甲車輛供電系統(tǒng)理論研究體系逐步建立并日臻完善，系統(tǒng)瞬態(tài)分析、電磁干擾(Electro Magnetic Interfe-rence,EMI)傳導(dǎo)特性、故障診斷方法等研究不斷深入。臧克茂[2]提出了模式整體法和模式轉(zhuǎn)移法等一系列方法，系統(tǒng)地分析了車輛供電系統(tǒng)浪涌電壓、尖峰脈沖電壓和啟動擾動電壓等特性，構(gòu)建了典型車載供電系統(tǒng)的瞬態(tài)分析理論體系，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、生產(chǎn)使用和發(fā)展論證提供了理論依據(jù)。賴建軍[9]采用分布式建模的方法，建立了爪極同步發(fā)電機、整流橋、蓄電池和調(diào)壓器等部件的動態(tài)模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了供電系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI模型，采用頻域分析法，在0～10kHz和10kHz～30MHz頻段內(nèi)，分別對變轉(zhuǎn)速、變負(fù)載產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI進(jìn)行了頻譜分析。魏巍等[10-11]構(gòu)建了基于系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)層與節(jié)點層的供電系統(tǒng)故障診斷體系，并提出了基于快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷等方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)字控制與故障診斷的有機融合。

1.3 雙電網(wǎng)低壓供電系統(tǒng)

1.1、1.2節(jié)中車載低壓供電系統(tǒng)均采用單電網(wǎng)模式，即所有用電裝置均掛接在單一供電母線上，理論分析[2]與工程實踐表明：這種供電模式在負(fù)載投/切，特別是大負(fù)載投/切時會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。以裝甲車輛發(fā)動機啟動過程為例，其供電母線的電流/電壓波形如圖5所示，其中：曲線①為供電母線的電流波形；曲線②為供電母線的電壓波形。

圖5 裝甲車輛啟動過程供電母線的電流/電壓波形

由圖5可知：啟動瞬間電流沖擊高達(dá)上千安培，供電母線電壓跌落至18V以下。這種沖擊會對其他工作設(shè)備，特別是計算機控制類設(shè)備造成嚴(yán)重影響，如死機、復(fù)位、黑屏等；一些車載大功率電機啟動或加速過程的瞬時電流沖擊也經(jīng)常會引起一些“敏感”設(shè)備誤動作或死機。

為此，采用“精電網(wǎng)”和“普通電網(wǎng)”并存的雙電網(wǎng)低壓供電模式成為裝甲車輛供電系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。雙電網(wǎng)低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，其將駕駛員和車長顯控終端等以計算機為控制核心的 “敏感”設(shè)備掛接在“精電網(wǎng)”上，而其他“不敏感”用電設(shè)備掛接在“普通電網(wǎng)”上，從而克服在傳統(tǒng)單一供電母線情況下的直流供電母線因受負(fù)載沖擊而引起電壓波動等對“敏感”設(shè)備的影響。

圖6 雙電網(wǎng)低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為補充，在裝甲車輛中還存在“主電源+輔助電源”的供電模式[8]，輔助電源由專用發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機組成，作為停車期間訓(xùn)練和充電的電源，以減少主發(fā)動機的摩托小時。在這種模式中，由于主電源和輔助電源工作在同一電網(wǎng)，因此該模式仍然屬于單電網(wǎng)供電模式。

2 270 V/28 V復(fù)合車載供電系統(tǒng)

如前所述，各種先進(jìn)技術(shù)的不斷應(yīng)用有效提升了供電系統(tǒng)的供電品質(zhì)、監(jiān)控保護(hù)和能量管理能力，但其均采用低壓直流28V供電模式。這種模式難以滿足大功率負(fù)載供電需求，如：“勒克萊爾”坦克炮控系統(tǒng)的電驅(qū)動功率達(dá)到了30kW以上[12]，如果仍采用低壓供電方式，就會導(dǎo)致供電線纜變粗，并增加逆變器和驅(qū)動電機的設(shè)計制造難度，且當(dāng)大功率負(fù)載工作時，電網(wǎng)擾動還會進(jìn)一步增加。為此，270V/28V復(fù)合供電體制逐漸成為裝甲車輛供電系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[8,13]，這種供電體制針對不同的負(fù)載采用不同的供電電壓：大功率用電裝置采用270V高壓直流供電；小功率用電裝置采用28V低壓直流供電。從系統(tǒng)構(gòu)架來看，目前主要有基于DC/DC升壓變換的復(fù)合供電系統(tǒng)和基于雙繞組交流電機的復(fù)合供電系統(tǒng)2種結(jié)構(gòu)模式。

2.1 基于DC/DC升壓變換的復(fù)合供電系統(tǒng)

基于DC/DC升壓變換的復(fù)合供電系統(tǒng)通過高頻功率變換裝置將車內(nèi)28V低壓直流電轉(zhuǎn)換為270V高壓直流電，供全電炮控系統(tǒng)等大功率設(shè)備使用。升壓裝置輸出側(cè)(即高壓直流母線側(cè))并聯(lián)超級電容器，用于提供較大的瞬時功率，同時超級電容器還作為饋能裝置抑制高壓母線泵升電壓，從而進(jìn)一步提高供電質(zhì)量?；贒C/DC升壓變換的復(fù)合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示[14]。

圖7 基于DC/DC升壓變換的復(fù)合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 基于軟開關(guān)技術(shù)的升壓變換裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖7所示結(jié)構(gòu)中，升壓裝置是實現(xiàn)功率變換的核心裝置，其性能直接影響系統(tǒng)高壓供電能力。閆之峰等[15]設(shè)計了一種基于軟開關(guān)技術(shù)的升壓變換裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。該拓?fù)湓谕仆熳儔浩鞲边呍黾虞o助諧振電路，實現(xiàn)主開關(guān)管零電流關(guān)斷；同時，還在原邊繞組的同名端之間增加鉗位電容，實現(xiàn)開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓的無損吸收，具有抑制推挽變壓器偏磁、減小輸入電流波動等優(yōu)點。

2.2 基于雙繞組交流電機的復(fù)合供電系統(tǒng)

雙繞組交流電機可采用雙繞組永磁同步電機或雙繞組異步電機?；陔p繞組永磁同步電機的復(fù)合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示[16-17]，發(fā)電機轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，定子上安裝高壓繞組和低壓繞組，分別輸出高壓交流電和低壓交流電，經(jīng)過功率變換器穩(wěn)壓后分別輸出270V高壓直流電和28V低壓直流電。

圖9 基于雙繞組永磁同步電機的復(fù)合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙繞組永磁同步電機由于轉(zhuǎn)子采用永磁體，其輸出電壓隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而變化，自身不具備穩(wěn)壓功能，因此高/低壓供電回路均需要采用功率變換裝置實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。為了進(jìn)一步減小裝置體積、提高變換效率，魏曙光等[18-19]提出了一種基于雙繞組異步電機的復(fù)合供電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 基于雙繞組異步電機的復(fù)合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電機轉(zhuǎn)子為鼠籠型，定子上有2套三相繞組：高壓側(cè)三相繞組連接電壓型PWM整流器(Voltage Source Rectifier, VSR)，輸出270V高壓，連接大功率負(fù)載；低壓側(cè)三相繞組連接勵磁電容和不可控整流橋，輸出28V低壓。低壓側(cè)不具備電壓調(diào)節(jié)功能，其電壓的調(diào)節(jié)是通過控制高壓側(cè)VSR的開關(guān)頻率和占空比來調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需勵磁無功功率，取高壓和低壓直流側(cè)電壓值與給定值進(jìn)行比較，通過不同的控制策略即可實現(xiàn)對雙路電壓的穩(wěn)壓控制。這種結(jié)構(gòu)只需一套控制器即可實現(xiàn)高/低雙回路的穩(wěn)壓控制，裝置體積小，同時功率變換效率得到有效提高。

此外，黃文新等[20]還研究了一種基于高壓無刷直流270V發(fā)電機的車輛供電系統(tǒng)，并實現(xiàn)了啟動/發(fā)電一體化設(shè)計，解決了啟動時由低壓蓄電池供電和發(fā)電時輸出高壓的矛盾。

3 車載綜合電力系統(tǒng)

隨著新軍事技術(shù)變革的持續(xù)推進(jìn)，坦克裝甲車輛、自行火炮等地面戰(zhàn)斗平臺需具有精確的打擊能力、快速的突擊能力、高效的防護(hù)能力、全譜作戰(zhàn)能力和較低的保障需求，傳統(tǒng)的機械式戰(zhàn)斗車輛已難以滿足未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求，因此全電戰(zhàn)斗車輛成為陸戰(zhàn)平臺的重要發(fā)展模式。其基本思想是：以電能作為基本能量源，通過對電能的傳輸、變換和控制等技術(shù)，將其轉(zhuǎn)變成其他能量形式，作用于動力驅(qū)動、武器和防護(hù)等系統(tǒng)，實現(xiàn)各系統(tǒng)的全電化，促進(jìn)陸戰(zhàn)平臺整體性能的全面提升[21-23]。

在全電化陸戰(zhàn)平臺中，“電”不再是僅供車載電氣電子設(shè)備工作的能源，而是驅(qū)動、武器、防護(hù)和信息等任務(wù)系統(tǒng)的共用能源，成為整個平臺的能源基礎(chǔ)。因此，全電化陸戰(zhàn)平臺電能需求將由傳統(tǒng)戰(zhàn)斗車輛的幾千瓦或者幾十千瓦增加到幾百千瓦甚至上兆瓦，且其供電系統(tǒng)具有能量制式多、容量大，電壓等級高、供電質(zhì)量要求高，能源形式多樣化、控制難度大，工作環(huán)境苛刻，以及效率和電磁兼容性要求高等特點[24]。為滿足上述要求，多能量源復(fù)合式的大功率/大容量車載綜合電力系統(tǒng)將成為坦克裝甲車輛供電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

3.1 系統(tǒng)供電體制與結(jié)構(gòu)

圖11為一種車載綜合電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。全電化陸戰(zhàn)平臺既包含電炮、電裝甲和電驅(qū)動等大功率負(fù)載，又包含傳統(tǒng)車輛的指揮控制系統(tǒng)、武器驅(qū)動系統(tǒng)以及其他中小功率用電負(fù)載，因此該系統(tǒng)采用高(0.6～1kV)、中(270V)、低(28V)3種電壓等級復(fù)合的供電體制。

圖11 一種車載綜合電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

高壓供電主能量源采用發(fā)動機-發(fā)電機組，發(fā)電機選用啟動/發(fā)電一體機，提供陸戰(zhàn)平臺所需的平均功率；輔助能量源采用動力電池與超級電容復(fù)合儲能結(jié)構(gòu)，提供和吸收系統(tǒng)瞬時功率。主能量源和輔助能量源經(jīng)過電力集成控制器實現(xiàn)變換后掛接到高壓直流母線，為電炮、電裝甲和電驅(qū)動等系統(tǒng)提供能量。同時，電力集成控制器通過雙向DC/DC變換器與低壓蓄電池并聯(lián)到中/低壓直流母線，為其他中小功率負(fù)載供電。此外，低壓蓄電池也可控制啟動電機實現(xiàn)低壓啟動，低壓啟動與高壓啟動互為備份，以提高系統(tǒng)可靠性。

3.2 相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

從車載綜合電力系統(tǒng)電能的作用流程來看，其主要包括電能生產(chǎn)、存儲、變換、分配、回收及其綜合管理控制，各個環(huán)節(jié)都會直接影響系統(tǒng)性能及其供電能力。因此，筆者以車載綜合電力系統(tǒng)的流程為主線，從大功率復(fù)合式能源系統(tǒng)構(gòu)架、功率變換與負(fù)載驅(qū)動以及系統(tǒng)集成管理控制3個方面對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

3.2.1 大功率復(fù)合式能源系統(tǒng)構(gòu)架

由于車載綜合電力系統(tǒng)能量源需要滿足比能量/比功率高、環(huán)境適應(yīng)性強、使用壽命長且負(fù)載驅(qū)動特性好等要求，因此需要根據(jù)任務(wù)系統(tǒng)電能需求開展大功率復(fù)合式能源系統(tǒng)構(gòu)架研究，主要包括系統(tǒng)供電體制、復(fù)合式能源結(jié)構(gòu)模式、參數(shù)匹配計算、協(xié)調(diào)控制以及綜合集成研究等。在此基礎(chǔ)上突破系統(tǒng)中各部件研制關(guān)鍵技術(shù)，包括高功率密度發(fā)動機技術(shù)、多相交流發(fā)電機技術(shù)、啟動/發(fā)電一體化控制技術(shù)、動力電池成組應(yīng)用與管理技術(shù)(如充放電特性、電池荷電狀態(tài)(State Of Charge，SOC)估計、充放電均衡管理、加溫和散熱管理)、超級電容匹配應(yīng)用技術(shù)以及新型能源(如燃料電池)開發(fā)技術(shù)等[25-27]。

3.2.2 功率變換與負(fù)載驅(qū)動

如圖11所示，為滿足不同特性的負(fù)載供電需求，系統(tǒng)中存在大量的功率變換裝置，如啟動/發(fā)電一體機與直流母線之間的雙向AC/DC變換器，高、中、低不同電網(wǎng)之間的雙向DC/DC變換器,以及電武器和電防護(hù)系統(tǒng)所用的脈沖功率變換器等。它們是實現(xiàn)系統(tǒng)電能變換的樞紐，其性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的供電質(zhì)量，因此開展其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、穩(wěn)定性與諧波分析、新型功率器件(如碳化硅(SiC))以及工程應(yīng)用相關(guān)技術(shù)(如結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱技術(shù)和電磁屏蔽等)研究具有重要的理論與工程意義[28-32]。

影響綜合電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的另一個重要方面是負(fù)載驅(qū)動技術(shù)，其相關(guān)研究包括電網(wǎng)供耗電平衡管理、負(fù)載特性研究、負(fù)載配電與容錯管理、負(fù)載驅(qū)動策略以及電力分配冗余技術(shù)等。

3.2.3 系統(tǒng)集成管理控制

集成管理控制是控制各裝置協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)電能高效、可靠、安全的存儲、變換、傳輸、分配與管理的核心，其主要任務(wù)是根據(jù)各種狀態(tài)信息，控制系統(tǒng)內(nèi)部各裝置協(xié)調(diào)工作。其特點是控制邏輯復(fù)雜、運算量大、實時性要求高，同時還需具備較強的抗干擾能力和容錯能力，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、健康運行。其相關(guān)研究包括系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、配電控制、能量管理與功率優(yōu)化分配、電能質(zhì)量控制、高壓安全管理，以及降級、備份與冗余控制等[33-36]。

4 展望

車載綜合電力系統(tǒng)的應(yīng)用使得全電化陸戰(zhàn)平臺中的主要能量均以電能形式存在，因此它不僅是一個單純的作戰(zhàn)平臺，還是一個比較理想的能源平臺，這些平臺既可孤島運行，又可與其他平臺實現(xiàn)接入交互和能量共享，這樣可能形成戰(zhàn)場智能電網(wǎng)[26]。戰(zhàn)場智能電網(wǎng)的節(jié)點由各個平臺構(gòu)成，每一節(jié)點不僅可以作為能量消耗平臺，還可作為能量存儲平臺，根據(jù)能量管理控制系統(tǒng)的指令為其他平臺提供電能。除了能量管理控制外，能量交互接口技術(shù)，特別是無線能量傳輸技術(shù)也是戰(zhàn)場智能電網(wǎng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

同時，裝甲車輛供電系統(tǒng)的發(fā)展還與電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、新能源技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步緊密相關(guān)，因此其研究具有開放性和前瞻性，要充分吸收民用相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)成果，實現(xiàn)深度軍民融合發(fā)展。

[1]GJB298—87軍用車輛28V直流電氣系統(tǒng)特性[S].

[2] 臧克茂.軍用車輛電氣系統(tǒng)瞬態(tài)分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[3] 宋躍進(jìn),秦繼榮,于同.坦克技術(shù)概述[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2004.

[4] 張豫南,謝永成.裝甲車輛電氣與電子系統(tǒng)[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2003.

[5] 魏巍.裝甲車輛電氣電子系統(tǒng)數(shù)字化控制技術(shù)研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院,2006.

[6] 馬曉軍,袁東,閆之峰,等.裝甲車輛新型電源管理系統(tǒng)研究[J].電氣自動化,2008,30(6):34-36.

[7] 宋小慶.軍用車輛綜合電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[8] 耿榮茂.現(xiàn)代裝甲車輛電氣系統(tǒng)及其研究分析方法[J].兵工學(xué)報：坦克裝甲車輛與發(fā)動機分冊,1999,19(3):53-61.

[9] 賴建軍.裝甲車輛供電系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI建模與特性研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院,2011.

[10] 魏巍.裝甲車輛電氣系統(tǒng)在線故障診斷技術(shù)研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院,2010.

[11] 魏巍,馬曉軍,趙鵬.裝甲車輛電源系統(tǒng)整流裝置故障診斷方法[J].火力與指揮控制,2010,35(10):137-140.

[12] 劉樹勇.坦克火控系統(tǒng)[J].國外坦克,2000(1):28-30.

[13] 張寧.裝甲車輛的新型供電體制[J].兵工自動化,2005,24(5):31-32.

[14] 馬曉軍,袁東,臧克茂,等.數(shù)字全電式坦克炮控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].兵工學(xué)報,2012,33(1):69-76.

[15] 閆之峰,馬曉軍,臧克茂,等.新型坦克炮控系統(tǒng)軟開關(guān)升壓電源[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(10):127-132.

[16] 黃守道,肖紅霞,任光法,等.雙電壓復(fù)合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機設(shè)計研究[J].微特電機,2004,21(9):18-20.

[17] 李保來,李改英.軌道車用雙繞組同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)計算[J].中小型電機,2004,31(3):1-5.

[18] 魏曙光.裝甲車輛雙繞組發(fā)電系統(tǒng)及其解耦控制研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院,2013.

[19] 魏曙光,朱志昆,可榮碩.雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)電壓型PWM整流器設(shè)計[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報,2013,27(6): 56-60.

[20] 黃文新,張?zhí)m紅,胡育.18kW異步電機高壓直流啟動發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國電機工程學(xué)報,2007,27(12):52-58.

[21] 臧克茂.陸戰(zhàn)平臺全電化技術(shù)研究綜述[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報,2011,25(1):1-7.

[22] 張兵志,陳文英,魏巍,等.未來裝甲裝備發(fā)展及全電化技術(shù)支撐[C]∥第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京:國防工業(yè)出版社,2014:18-22.

[23] 毛明,韓政達(dá),劉翼.論全電車輛的能量管理和功率管理[C]∥第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京:國防工業(yè)出版社,2014:162-168.

[24] 可榮碩.車輛綜合電力系統(tǒng)能量管理控制策略研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院,2014.

[25] 劉勇,高峰,劉勝利,等.供電體制是發(fā)展是特種車輛的全電化基石[C]∥第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京:國防工業(yè)出版社,2014:121-125.

[26] 曹宏炳.現(xiàn)代戰(zhàn)斗車輛能量體系結(jié)構(gòu)[C]∥第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京:國防工業(yè)出版社,2014:186-190.

[27] 劉巨江,周文華,何正胤,等.基于模型的發(fā)動機ECU開發(fā)[J].汽車工程, 2007(11):938-941.

[28] 方宇,裘迅,邢巖,等.三相高功率因數(shù)電壓型PWM整流器建模與仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報,2006,21(10):44-55.

[29] 張興.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2003.

[30]Holmes D G,Lipo T A.電力電子變換器PWM技術(shù)原理與實踐[M].周克亮,譯.北京:人民郵電出版社, 2010.

[31]Lee P W,Lee Y S,Cheng D K W,et al.Steady-state Analysis of Interleaved Boost Converter with Coupled Inductors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2000,47(4):787-795.

[32]Ilic M,Maksimovic D.Interleaved Zero-current-transition Ruck Converter[J].IEEE Transactionson Industry Applications,2007,43(6):1619-1627.

[33] 李軍求,孫逢春,張承寧.履帶式混合動力車輛能量管理策略與實時仿真[J].兵工學(xué)報,2013,34(11):1345-1351.

[34] 鄒淵,陳銳,侯仕杰,等.基于隨機動態(tài)規(guī)劃的混合動力履帶車輛能量管理策略[J].機械工程學(xué)報,2012,48(14): 91-96.

[35] 陳澤宇.40噸級全電履帶車輛電能分配與控制策略研究[D].北京:北京理工大學(xué),2010.

[36]Zhang X,Mi C.車輛能量管理：建模、控制與優(yōu)化[M].張希,米春亭,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2013.

(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Research Status and Development Trend of Power Supply System for Armored Vehicle

YUAN Dong, WEI Shu-guang, MA Xiao-jun

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the requirement of electric energy load on armored vehicle, the research status and development trend of power supply system in recent years is reviewed in this paper. The general characteristic of development trend is developing from small power to high power, low voltage to high voltage, single power supply structure to compound structure, analog/relay control to digital/networked control. The 3 kinds of typical systems, such as 28 V low voltage power supply system, 270 V/28 V compound power supply system and integrated power system, are analyzed according to the power supply structure. What is more, the development trend of future battlefield smart grid is prospected, which provides the theoretical and technological reference for power supply system demonstration analysis, development design and modification up-grading.

armored vehicle; power supply structure; integrated power system

2016-07-01

軍隊科研計劃項目

袁 東(1981-)，男，講師，博士。

TJ81+0.323

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.013

1672-1497(2016)06-0068-07