特种车辆机电管理系统架构的研究

2011-07-03刘胜利张思宁宋克岭吴婷婷李晓多

车辆与动力技术 2011年3期

高峰，刘胜利，张思宁，宋克岭，李申，吴婷婷，李晓多

(中国北方车辆研究所，北京100072)

随着特种车辆的技术发展，非任务系统的用电设备不断增多.但由于非任务系统用电设备之间控制相对独立，互不关联，一个很小的系统都有相应的控制器，一个信号源也会引出多根信号线至不同的系统，使得硬件利用率低，连线错综复杂.分散、独立的控制和管理模式，已经不能满足特种车辆发展的需求，因此需要探索新的控制和管理模式.80年代国外新型战机的非任务系统通过对机电设备进行有序融合，取消了许多控制开关及显示仪表，形成了比较完善的机电综合控制的管理模式，使各子系统不再相互独立、互不相干，而是功能融合、工作相互协同的统一的系统.这种机电管理系统的管理模式，为研究特种车辆机电系统的管理架构提供了方向.

1 国内外现状及发展趋势

1.1 国外现状及发展趋势

机电管理系统的概念最早出现在军用飞机上.80年代初，美国空军在总结第三代战斗机机电管理系统监测和管理的经验基础之上，提出了“宝石柱(PAVEPILLAR)”[1]计划，明确提出了飞机的机电综合控制系统的概念.

“PAVEPILLAR”系统顶层结构分为传感器管理区、任务管理区和飞机管理区这3个功能区域，机电综合控制系统属于飞机管理区的一部分.传感器的信号、任务数据及控制信号在任务管理区控制下，通过互联网络交换数据.尽管美国空军为“PAVEPILLAR”系统制订了高速数据总线(HSDB)的规范，但它并未排斥在各功能区域内部使用其他总线的可能性.例如在飞行器管理系统中，可以使用MIL-STD-1553B这样速率不高，但可靠性好且很成熟的总线.此外，“PAVE PILLAR”系统的一些通用的概念及要求也适用于机电综合控制系统.美国在“PAVEPILLAR”系统规范公布后的一段时间里，对机电系统综合化作了大量的研究，其研究成果成为“PAVEPILLAR”系统的重要补充.

美国空军于1991年开始执行公共设备系统综合计划，以发展和验证可用于机载机电系统的综合技术.该计划认为，应由一个作为整体的综合系统来完成目前由各个机载机电系统执行的全部功能.麦道公司在机电系统综合控制和管理技术的研究中提出了一种新的机电综合管理模式.

美国空军已在其第四代战斗机 F-22飞机上采用了这种机电综合控制系统，其机电综合控制系统取消了传统座舱中的许多控制开关及显示仪表.综合控制的范围包括供电系统、液压系统、燃油系统、环控系统、救生系统、辅助动力系统、起落架控制系统、刹车系统、结构完整性诊断及状态监视系统等.与此同时，英国针对机电控制系统在飞机中硬件利用率低、导线连接错综复杂和可靠性低的现象，开展了一系列旨在简化结构、提高性能的研究工作.随后，英国将其研究成果应用于欧洲战斗机的验证机EAP飞机.其系统结构与美国的不同，内部总线采用双MIL-STD-1553B总线，各处理机具备足够的能力处理总线失效时发生的情况.EAP飞机采用的新的机电系统与传统的机电系统相比，安装重量和使用费用分别降低50%以上，利用率提高7倍，有利于提高飞机的性能、可靠性和生存能力.美、英等国开发的新的机电管理系统，其共同特点是摒弃了现有的各机载机电系统单独控制的方案，而把机载机电系统的控制视为一个统一的控制问题来处理.

1.2 国内的现状及发展趋势

我国在机电管理系统综合化方面起步虽较晚，但在新研制的飞机中，已采用了机电综合管理系统技术，可监管18个非航空电子系统的运行状态及故障状态.但是与国外的先进水平相比，在机载机电设备综合控制和管理系统体系结构技术、机载机电设备的故障监测与诊断技术，可容错机电管理系统的管理处理机技术等方面还存在较大差距.

我国特种车辆机电管理系统的研究与国内航空系统基本同步，在某些产品的数字化改造中已经有了机电管理系统构架的雏形，采用虚拟仪表代替传统机械仪表，采用智能功率模块代替自保开关、接触器、继电器.虚拟仪表能在有限的安装空间通过切屏显示多种信息，显示的信息内容不再受安装空间的限制，而且显示的信息可以根据乘员的观察习惯进行显示，并且可实现信息的冗余备份，提高了人机功效性.智能功率模块可以对用电设备实施远程控制和状态信息反馈，完成一键上电及负载的自动控制功能，并且能够实施过载、短路保护及故障信息交互等功能，通过数字化改造，机电管理系统在自动化、信息化、综合化等方面有了进步，但从整体上说，机电管理系统的控制部件还相对分散，还没有形成系统管理;在冗余控制、故障诊断、故障隔离等方面相对简单，在综合化、智能化及信息化等方面与国外的先进水平还存在很大差距.通过对机电管理系统的内部结构进行深入研究，分析系统内部逻辑关系，在此基础上对机电系统进行有效综合，形成新的机电管理系统的管理模式.

2 机电管理系统

机电管理系统是特种车辆的任务支撑系统.机电管理系统通过对机电设备的综合管理、集中控制以及故障的检测等手段，解决负载的电源供给、余度管理、容错控制、数据融合等问题.机电管理系统的研究目的在于综合考虑机电管理系统总体需求，解决目前机电管理系统各子系统相互独立、隔离、融合度低的问题.使机电管理系统总体性能和可靠性达到最优.

机电管理系统的组成如图1所示，分为一体化电源系统和机电管理控制系统，一体化电源系统主要研究特种车辆所承载的各种电源及控制设备，包括主机发电机、辅机发电机、高功率储能设备、电源变化及逆变装置;机电管理控制系统主要研究电能的分配、传输及机电负载的控制及管理，包括配电管理中心、远程控制终端.

图1 机电管理系统结构框图

2.1 一体化电源系统

一体化电源系统是机电管理系统的重要组成部分，负责特种车辆电能的供给.

一体化电源系统主要包括主机发电机、辅机发电机、高功率密度储能设备、电源变换及逆变装置及一体化电源控制器(见图1).该系统采用一体化设计[2]的理念，目的是取消单一控制功能模块，统一协调一体化电源系统的内部工作，这样，能够平抑电网的波动，确保电能的有效供给.

主机发电机是一体化电源系统的核心部件，随着用电设备的增加，发电机的功率急剧增加，未来发电机的功率可能在800 kW左右，输出交流电压的线电压在690 V左右，整流后的空载直流电压将达到900 V左右，100 kW以上大功率负载直接由900 V直流高压母线进行配电，其他用电设备的电源通过DC/DC电源变换装置进行供给.辅机发电机的额定功率也将提高到50 kW左右，以满足车辆在静默状态下各种用电设备的用电需求.在主机发动机工作的条件下，由主机发电机向全车的用电设备提供电源，当主机发电机不能满足整车用电设备的用电需求时，辅机发电机自行起动，向电网补充电能.车辆在静默状态或维修状态时，可以关闭主机，起动辅机，为用电设备提供电能.高功率储能设备(包括高压蓄电池组和超级电容)既可以作为起动电源，又可以作为应急电源，在主辅机起动时，由高功率储能设备为主辅机的起动提供电能，当主辅机出现故障时，高功率储能设备又可以作为关键负载和重要负载的应急电源，可以保证关键负载和重要负载的用电需求，同时也可以作为蓄能设备，吸收大功率用电设备通断瞬间引起的电网波动.目前高功率储能设备存在的缺陷是能量密度低、功率密度低、体积大、充电时间长，难以满足特种车辆的使用要求.只有高功率储能设备的能量密度达到200 W·h/kg，功率密度达到3 500 W·h/kg以上才具备在特种车辆上进行工程应用的可能.

电源变换及逆变装置(包括双向 DC/DC和DC/AC)既可以作为电源又可以作为二次配电设备，满足整车用电设备额定电压多样性的要求.通过对一体化电源系统实施综合化管理，构建多重冗余供电能力，来满足关键和重要负载在作战状态下，不间断供电的要求;通过构建多种供电电压体制，来满足不同额定电压的用电设备的用电需求.大功率电子器件的耐压低、结温低、体积大是制约电源变换及逆变装置在特种车辆上使用的瓶颈.目前在国内大功率电子器件的耐压、结温不可能大幅度提高的前提下，只用通过改善电源变换及逆变装置的散热系统，来减小电源变换及逆变装置的体积，从而提高功率密度.

一体化电源系统通过一体化设计、一体化控制、一体化管理，能够保证各电源之间控制的协调性和统一性;解决不同电源设备相互独立，控制错综复杂、电源设备冷却困难等问题.通过对一体化电源系统的集成优化设计，将有效缓解电源设备散热困难的问题，提高一体化电源系统的效率，有效避免电磁干扰;同时也有利于多个电源集中布置、集中冷却;通过对电源系统采用一体化管理，可减少电源的总体质量和体积，优化一体化电源系统空间布置.

2.2 机电管理控制系统

机电管理控制系统实施机电的统一管理，由原有的离散配电、控制、采集及功能部件独立设计，向车辆的机电综合管理系统转换，利用不同负载之间潜在的联系，提高综合控制管理和故障诊断等方面的水平.该系统通过对配电网络的规划、机电负载的管理与控制、配电安全保障系统的构建，来保障全车任务系统和机电管理系统所管理的设备的正常配电;通过对关键负载和重要负载构建冗余配电支路，来确保对关键负载、重要负载的不间断供电及用电安全;通过总线实现一体化电源系统与机电管理控制系统的信息共享.

机电管理控制系统在结构上采用综合管理、分布控制的体系架构，即以微型计算机为控制中心，采用多路传输技术，通过智能功率模块对负载进行自动管理.机电管理控制系统主要由机电管理控制器、配电管理中心、远程控制终端和数据传输总线等组成，完成配电智能管理、机电负载管理、环境控制、供电安全的保护等功能.其中机电管理控制器完成顶层级的系统控制任务，配电管理中心控制和监控内部智能功率模块的状态，远程终端控制器控制机电管理系统的环境控制设备、生命支持设备、辅助系统设备的状态，并监测所控制设备的状态信息，从而实现机电设备的闭环管理.

2.2.1 机电管理控制器

目前机电管理控制系统没有安装机电管理控制器，对电源的分配及机电负载的控制通过仪表配电板或分配电盒上的开关直接控制配电支路和机电负载的工作顺序，没有逻辑判断功能.新型特种车辆仪表配电板采用软开关代替传统自保开关，通过总线实现对配电支路和机电负载的控制，但也没有逻辑判断功能，而且不能实现按负载优先级配电，不能显示所有配电设备和控制设备的工作状态，不能实时显示供电平衡情况，不能对机电系统的健康状态进行正确评估.机电管理控制器不仅可以提高电能的有效利用，还可以降低驾驶员的操作强度，更重要的是可以通过机电管理控制器检测机电系统各部件的工作状态，并可对出现的故障进行检测、预警，提示驾驶员进行必要的检测.因此机电管理控制器是机电管理控制系统发展的必然产物.

机电管理控制器既是机电综合管理系统的核心，也是车辆电子系统和机电管理系统的接口.它通过接收车辆电子系统指令、采集机电管理系统数据信息对机电管理控制系统进行综合管理.配电管理中心和远程控制终端通过接收机电管理控制器的命令，驱动配电支路或机电负载的智能功率模块的通断，并将状态信息反馈到机电管理控制器，从而为机电管理控制器的决策提供依据.机电管理控制器完成的主要功能为:1)保证机电管理系统的配电支路及机电负载的有序启动;2)对机电管理系统内部资源进行分配、控制和管理;3)通过总线与车辆电子系统高速总线相连，接收车辆电子系统指令，进行机电管理系统自检测和故障诊断;4)根据特种车辆所处的任务剖面设置负载管理优先级;5)解电源请求方程，接通相应智能功率模块或其它电子功率器件，实现对机电负载的自动管理.

2.2.2 配电管理中心

配电管理中心的作用是保证向特种车辆所有用电设备连续地提供符合技术性能的电能，并实施有效的保护，保证用电设备的正常工作.若供电系统供电不足或发生故障时，能够及时地按照预定的方案进行降级配电处理，以确保关键和重要负载的不间断配电.

目前特种车辆采用单一28 V的供电体制，配电管理中心比较简单，主要通过保险丝、接触器或自保开关完成主要配电支路的配电，配电管理中心只能进行简单的通断控制，具有过载和短路保护，不能进行信息反馈.目前的配电中心只能完成简单粗放的开放式管理，不能实现智能的闭环管理.

未来的配电管理中心将采用智能功率模块代替传统的保险丝，或者通过智能功率模块与保险丝串联，通过接收机电管理控制器的控制信息，将智能功率模块接通，供电给相应的系统或机电设备;关键负载的配电支路具有冗余措施，当主汇流条出现故障时，自动切换到备用汇流条向负载供电;当向关键负载或重要负载配电的智能功率模块出现故障时，自动切换到备用智能功率模块.配电管理中心的状态信息、报警信息通过总线上传到机电管理控制器.机电管理控制器向配电管理中心下达配电指令，对负载的接通、断开实施有序、闭环控制，实现负载管理自动化、智能化、综合化.安全保护是配电管理中心承载的另一项重要功能，由于高压电网的存在，出现漏电故障可能危机乘员生命.配电管理中心通电前进行漏电流、漏电压和绝电阻的检测，当高压配电支路检测的漏电流、漏电压、绝缘电阻超过设定值时，自动切断配电支路，并将检测的信息通过总线上传到机电管理控制器，从而确保成员的生命安全及设备可靠使用.

2.2.3 远程控制终端

目前的远程控制终端采用信息采集控制盒或相应控制盒对用电设备进行控制，信息采集控制盒和其他控制盒都具有过载或短路保护功能，但目前的信息采集盒和其他控制盒是针对低压用电设备研发的，不具有高压保护功能，而且目前采集控制盒或控制盒的过载保护和短路保护值都是预先设定的，设定的保护值大多都是根据经验值设定的，而不是根据负载的特性曲线设定的，因此经常出现误动作、误报警，影响设备的正常工作，影响驾驶员的操作.

新研制的远程控制终端分为低压和高压2种，都能够对负载实施过载、短路保护，且高压远程控制终端还具有高压安全保护.过载保护和短路保护通过智能功率模块实现，高压安全保护通过检测高压控制支路的漏电流、绝缘电阻实现.高压机电设备通电前，首先进行绝缘电阻的检测，绝缘电阻检测通过之后方可对高压机电设备通电;当工作过程中检测到高压机电设备的漏电流超过设定值时，立即切断控制回路.远程控制终端的自身状态和机电设备的工作状态通过总线反馈到机电管理控制器，实现闭环管理.

机电设备的控制和保护策略是根据负载的工作曲线进行个性化设置后来制定的.所谓个性化设置，就是根据特种车辆用电设备的工作特点设置过载保护曲线和短路保护的极值点.图2和图3是利用预研课题采集用电设备A和B的工作曲线.利用所得到的工作曲线建立机电设备数学仿真模型，然后将数学仿真模型储存到相对应的远程控制终端，远程控制终端根据不同的用电设备采用不同的控制策略.

图2 某设备A的工作电流曲线

图3 某设备B的工作电流曲线

2.2.4 数据传输总线

数据传输总线将系统各组成部分有机地连接在一起，实现系统的信息共享、自动控制.数据传输总线的选用依据系统的传输数据量及实时性、可靠性、容错性、经济性等指标进行综合选择.CAN总线是一种多主总线系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤.通信速率最高可达1 Mb/s(通信距离不超过40 m)，最大通信距离可达10 km(此时通信速率为5 kb/s).1553B总线是一种广播式分布处理的计算机网络.网络上可挂接32个终端，所有的终端(节点)共享一条消息通路，任一时刻网络中至多只有一个终端在发送消息，传送中的消息可以被所有终端接收，实际接收的终端通过地址来识别.网络结构简单，终端的扩展十分方便.任一终端(除总线控制器外)的故障都不会造成整个网络的故障，总线控制器则可通过备份提高可靠性，同时实时性好，可靠性高.MIC总线采用的传输方式为同步串行方式(SSP)，传输速率可达2.0 Mb/s，并可同时接入64个远程工作模块.这些远程模块可设置在传感器或负载的附近.通过串行传输线与总线控制器相连.FlexRay总线为高速数据传输和高级控制应用而设计的故障容错协议，具有全局时间同步、实时数据传输和时间触发通信等特点;是未来最有前途的现场工业总线.

CAN总线、MIC总线、1553B总线、FlexRay总线都是可选择的现场总线.CAN总线、MIC总线、1553B总线目前都已成功应用于特种车辆数据传输中，FlexRay总线也在某项目中试用，通过对以上几种总线的研究和使用，根据机电管理控制系统传输的信息量、响应速度以及可靠性的要求，CAN总线和FlexRay总线都可能成为机电管理控制系统所选用的传输总线.