新型机动电源保障平台研究

颜南明，张豫南，胡国庆

(1.装甲兵工程学院控制工程系，北京100072;2.浙江信阳实业有限公司，浙江金华321025)

随着陆军通用装备技术水平、复杂程度和信息化程度的不断提高，部队装备检测、修理、保障和训练以及日常的保养工作量日益增加，为了保证这些工作正常实施，装备带电或启动作业更加频繁，往往要用符合要求的电源给装备或检修装备“通电”，必要时还要启动车辆上的发动机。应用原车上发电机组或大型电源车进行这种平时和日常的装备保障工作既不现实，效率又低，各部队和修理分队自己配备的油机组、电源和手推蓄电池车等，功能单一，使用不便，适用范围小，不能满足野战和训练条件下的供电和保障要求。基于此，笔者研制了一种轻型、移动方便，能够提供不同规格的交、直流电源保障平台，为提高装备保障效率提供了一种有效的手段。

1 设计需求

1.1 电源保障部分

1)平台对外供电交流电源指标:额定功率为16.0 kW;额定电压为380 V/220 V;频率为50 Hz。

2)平台对外供电直流电源指标:(1)28 V直流额定电流为100 A，最大电流为1 500 A;(2)48 V直流额定电流为100 A，最大电流为1 500 A。

1.2 行动部分

平台尺寸为3 m×15.6 m×1.9 m;满载质量为1 500 kg;最大速度≥60 km/h;静音行驶里程≥15 km;最大爬坡度≥32°;最小转向半径为0 m(可实现中心转向)。

2 平台总体方案

为满足以上2项设计需求，总体方案设计如下:机动电源保障平台采用发动机 -发电机组、蓄电池和电机驱动系统组成的串联式混合电传动结构;为提高平台的机动能力和驾驶舒适性，采用4套交流电机驱动系统作为动力［1-2］;平台通过电功率变换系统，将发动机-发电机组发出的电能变换成各种不同制式的交直流电，为外部设备提供大功率电能。整个平台既可应用在车场，也可应用在野外伴随装备进行保障。平台功能结构简图如图1所示。

图1 平台功能结构简图

3 平台设计

平台的设计主要包括平台的动力源及功率变换设计、电驱动系统设计、综合控制系统设计、底盘设计、电子助力转向系统设计以及仪表系统设计，其中关键部分主要是动力源及功率变换设计、整个平台的综合控制系统设计2个部分。

3.1 平台动力源及功率变换设计

根据平台的总体设计方案，发动机-发电机系统除了需要给平台蓄电池充电外，还需要为平台外的其他用电设备提供三相380 V、单相220 V交流电以及不同规格的直流电，因此，发动机-发电机系统除了发动机、发电机外，还有一套电功率变换系统。

由于柴油机比汽油机安全，更能适应高低温环境，根据目前部队实际情况，机动电源保障平台采用柴油发动机-永磁飞轮发电机作为发电机组，其体积小，功率大，形成平台核心的供电和动力源。匹配计算后，选择额定电功率输出为16 kW的发电机组，可满足通用装备的供电、充电和野外作业的要求。

发动机稳定工作转速为1.5～2.2 kr/min，由于平台采用混合动力传动方式，方案中蓄能装置(电池)能快速跟踪路面瞬态功率变化，因此发动机的控制采取沿最低燃油消耗率曲线工作方式，即发动机稳定工作时，工作点落在最低燃油消耗曲线上，该方式可以提高发动机的燃油效率。图2为发动机平时正常工作条件下的控制结构简图［3-4］。

工作原理如下:首先，控制系统事先把发动机的最佳燃油消耗曲线(最佳发动机转速与输出功率曲线)储存在控制单元的存储器中;控制单元根据发电机需要的输出功率和发动机处在当时转速时所能发出的最佳功率的差值来控制发动机供油量;发电机需要的输出功率如果大于发动机处在当时转速时所能发出的最佳功率，则控制单元增加供油量，如果小于最佳功率，则减少供油量，如果二者相等，则供油量保持不变。这种控制方法不仅能使发动机稳态时工作在最佳经济燃油状态，而且能够达到最佳的动态性能，即:当车辆急加速时，发动机就在整个过程中处于最大供油状态，刹车时则处于最小供油状态。

图2 发动机控制结构简图

设计的功率变换系统和发电机组的连接方式及工作原理如图3所示。发电机输出三相变频交流电压被整流成高压直流电压，经DC控制器后，经三路独立的DC/AC电路被逆变成三相交流工频电压输出［5］。在额定负载范围内，发动机控制器(Engine Control Unit，ECU)根据设定的参数和实际负载的变化调整输出工频电压，满足用户的使用需求。同时，将电功率输出变化情况发送给ECU，使得平台中发动机控制器可控制发动机按最佳燃油消耗规律工作，达到节能的目的。

图3 发电机组与功率变换系统工作原理框图

3.2 平台综合控制系统设计

平台综合控制系统主要和仪表系统、电动助力转向控制系统、发动机-发电机控制系统、4套驱动电机控制系统以及人-机交互系统进行数据交换，对其进行综合协调控制。其功能框图如图4所示。

在平台的总体设计方案中，平台采用4×4独立电驱动系统，因此，除了传统的驾驶模式外，还具有中心转向等特殊机动能力以及遥控驾驶等特殊操控性能，便于在特殊场合下能够完成普通车辆难以完成的任务(如突破火力封锁线搬运物资等)。为便于数据交互和保证通信的实时性，综合协调控制器与电动助力转向系统、发动机-发电机控制系统、驱动电机控制系统之间的信息交换通过CAN总线完成。人-机交互系统与综合协调控制器之间的信息交换分别通过模拟量和开关量、无线通信、串行总线RS232三种方式完成。

图4 平台综合控制系统功能框图

各控制子系统在综合控制系统的控制下，协同工作关系如下:驾驶员终端将控制指令通过有线或无线的方式送到综合协调控制器，由综合协调控制器进行采集、变换、处理、运算后向各子系统发送命令。发送给驱动电机控制系统的命令包括电机运行方向、驱动功率、回馈制动强度、两轮/四轮驱动模式;发送给电动助力转向系统的命令包括电动/助力模式、转向角度和转向速度;发送给发动机-发电机控制系统的命令包括系统工作模式(最大功率/最佳燃油消耗工作模式)、电池充电。同时，综合协调控制器将这些子系统反馈回来的信号经过处理后送到仪表系统显示［6-8］。

4 平台试验

平台试验主要是对平台总体方案中提出的主要性能指标进行验证，包括平台最大速度、最大爬坡能力以及对外供电能力等。

4.1 平台最大速度

图5为平台样机在某路段跑车时，对平台仪表中速度读数以及电机转速进行的拍照和测量，结果显示:平台速度达到60 km/h以上，样机达到了设计要求。

4.2 平台最大爬坡能力

为了验证平台的爬坡能力，对平台进行了30°水泥坡面和32°泥土路面试验，试验结果表明:设计的平台满足32°最大爬坡能力要求。图6为平台爬坡试验时的情况。

4.3 平台供电能力

平台供电能力主要包括对外交流供电能力和装甲车辆启动能力，图7为平台在启动某型坦克时的试验情况(钳形表检测到最大启动电流1 260 A)，在使用纯电阻负载时，平台的交流供电能力经试验可达到16.5 kW，平台供电能力达到了设计要求。

5 结论

笔者以柴油机-发电机组和蓄电池为混合动力源、4套独立交流电驱动系统为动力设计的机动电源保障平台，具有16 kW功率的交流供电能力，还可提供大电流低压直流电源，用于装甲车辆的启动。

结合良好的越野能力，该平台既可以作为车场保障平台，也可作为野外的伴随保障设备;在我国西部部队以及边境等特殊地形条件下，还可作为交通工具和物资运输车辆;也可在发生灾情的地区作为运输物资平台和临时供电站。

［1］ 王博，罗禹贡，范晶晶，等.基于控制分配的四轮独立电驱动车辆驱动力分配算法［J］.汽车工程，2010(2):128-132.

［2］ 杨福广，李贻斌，阮久宏，等.独立电驱动车辆车轮驱动防滑自抗扰控制［J］.电机与控制学报，2009(5):739-743.

［3］ 史清晨，牛星君，朱春羽.单片机及液晶(LCD)显示技术在柴油发电机组控制屏上的应用［J］.移动电源与车辆，2002(2):1-5.

［4］ Zhang Y N，Xie Y H.Modeling，Control and Analysis of Mover for an Electric Transmission System of Tracked Vehicle［C］∥SAE 2005 World Congress and Exhibition Technical Papers.Detroit，MI，USA:SAE International，2005:1550-1554.

［5］ 周云山.汽车电子控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2003:234-249.

［6］ 颜南明.履带装甲车辆电传动技术初探［J］.兵工学报，2004，25(5):619-623.

［7］ 袁仪.电动汽车转弯电子差速的解决方案综述［J］.上海汽车，2009，36(3):2-5.

［8］ 黄伟.采用CVT的四轮驱动混合动力车传动系统控制策略的研究［J］. 汽车工程，2008，30(6):501-505.