外部电源特性对装甲车辆电气设备可靠性的影响分析

郭会然，郑 洁

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

在装甲车辆的研制过程中，一般是依据GJB298—1987标准［1］，对车辆电源供电特性提出指标要求，同时对电气设备的工作适应性进行限定.但对于车辆的外部电源供电特性没有提出要求，而且目前也没有关于装甲车辆外部电源供电特性指标要求的相关标准，随着部队数字化武器装备数量的增加，在部队训练和维护保养过程中，对外部电源的需求增多，外部电源的供电品质参差不齐，时常引发车辆电气设备发生故障或被烧毁.因此，从规范外部电源供电特性要求入手，并针对车辆上的电路进行适应性改进，同时提高电气设备的电源适应性，以期有效减少外部电源对车辆电气设备工作的影响.

1 电气设备故障的影响因素分析

通过对某型装备使用过程中的故障数据进行统计分析，其故障原因归纳为3类:

1)在车辆调试和使用过程中，一般在使用外部电源为车辆电气设备供电时，由于没有接通仪表板上“总开关”，从而使车辆电源缺乏蓄电池的钳制、滤波作用，导致电气设备主控板的瞬态电压抑制二极管 (TVS管)被击穿而使设备不能正常工作.在这种情况下车辆电源的供电特性完全依赖于外部电源自身的供电特性，况且目前装甲车辆对外部电源特性没有统一的标准约束，电源的供电品质普遍较低，稳态电压特性和瞬态电压特性都无法满足车载电气设备的使用需求.

2)当使用外部电源时，由于人员的人为误操作造成外部电源极性反接，直接引发车辆电源和电气设备击穿或短路故障.

3)当使用外部电源时，虽然按操作步骤接通了仪表板上“总开关”，但由于对蓄电池保养不当或是蓄电池质量等问题而使蓄电池严重亏电，导致蓄电池对车辆电源的钳制、滤波作用不足，稳态电压特性和瞬态电压特性同样不能满足车载电气设备的用电需求，这样极易引发电气设备主控板的TVS管被击穿而使设备不能正常工作.

4)由于部分电气设备选用的电源模块工作电压范围偏小，设备内部电源部分的瞬态浪涌抑制能力不足，加上外部电源的瞬态负载特性和瞬态电压特性不够规范，在大功率设备加卸载瞬间，导致电气设备电源瞬时断电或电源模块损毁故障.

由此针对某型装甲车，总结出各影响因素所引发故障的分布直方图，由图1可知，外部电源供电特性和电气设备的电源适应性成为影响电气设备可靠性的关键因素.

图1 某型车电子设备故障分布直方图

2 关键因素影响的故障分析

2.1 外部电源供电特性对电气设备的影响分析

外部电源是装甲车辆在装配调试和部队使用过程中常用的一种供电工作模式.现装甲车辆与外部电源的连接电路工作原理如图2所示.

图2 外部电源供电原理图

由图2可知，当不发动车辆而需要用外部电源完成训练任务时，外部电源与外部起动插座对接，外部电源的负极则直接同车体连接，对全车电气设备实施供电.若此时不接通车上仪表板的“总开关”，总开关接触器J1触点不闭合，蓄电池组不能与外部电源并网供电，外部电源将直接影响整车的供电特性.当外部电源自身供电特性不佳时，电网波动过大，稳态电压超出23～33V范围和瞬态电压超出100 V/50 ms、15 V/500 ms指标要求，不满足GJB298—87［1］标准要求，极易引起车辆电气设备的电源部分发生故障，尤其是导致电子设备不能正常工作，特别在外部电源极性与外部起动插座连接出现反接时，将导致电子电气设备被烧毁的严重故障.

2.2 电气设备的电源适应性分析

电气设备应能承受车辆电源系统产生的符合GJB298—87［1］标准的尖峰脉冲和浪涌电压，并且电气设备应设有保护装置，以防外部电起动或接入其他不适当电路使极性颠倒.当电源系统不能满足电气设备供电要求时，可自备电源变换装置，以满足电气设备的特殊要求.同时电气设备在完成其规定的功能时，不应使电源系统的供电特性超出规定的范围，否则会降低整车电源系统供电特性，甚至对电源系统的稳定性造成破坏.因此，电气设备输出的尖峰电压脉冲干扰和输入到电气设备的尖峰脉冲电压和浪涌电压指标，都应按GJB298—87［1］标准要求设计和使用，使电气设备适应车辆电源特性.

2.3 蓄电池性能的影响分析

蓄电池为车辆提供起动电源，并且是车辆的辅助电源.当发电机不工作时，向车辆上需要工作的耗电装置提供电能.当发电机工作且当车辆电气设备集中用电高峰产生负荷冲击时，可补充发电机供电能力的不足.同时由于蓄电池的自身特性，也可抑制电网浪涌和尖峰脉冲电压.因此，蓄电池的性能直接影响到电网的供电特性.目前装甲车辆所采用的免维护铅酸蓄电池、铬镍电池等，经装备车辆的使用证明，其性能稳定、可靠，满足相应的国家军用标准要求和实际使用需求.

3 解决方案

3.1 规范外部电源的供电特性与监控设计［2］

外部电源是通过车上的外部起动插座向装甲车辆供电的车外电源设备.外部电源的供电特性直接关系到全车电气设备的正常工作.现装备用于出厂调试和部队训练的外部电源品种繁多，虽然大都对过流、过压、欠压有保护措施，但对电源特性如纹波和浪涌电压指标等没有具体要求，各种外部电源供电特性指标参差不齐，甚至不能满足GJB298—87［1］电气系统特性的技术要求，因而导致一些车载电子电气控制部件故障率增加.以下是笔者对车辆外部电源供电特性要求的设想:

1)稳态特性.

在外部电源空载到额定负载的各种负载条件下，由外部电源输出插头处所测定的电压应在23～33 V范围内.

2)纹波电压.纹波电压的上下峰值均应小于7 V.

3)瞬态电压特性.

瞬态负载特性引起的正常扰动，将造成一个电压浪涌的过程，外部电源在各种工作条件下所有的浪涌电压应在图3所示的轨迹内.

4)起动输出特性.

外部电源起动发动机时，其最低电压不应低于10 V.

5)并联.

外部电源应能与蓄电池并联使用.

6)反极性.

外部电源应具有反极性保护，当电源输出电压极性不正确时进行保护.

7)外部电源监控器的设计［3］.

虽然有电源特性的相应标准约束，但无法对外部电源品质进行完全的限制，为屏蔽外部电源所引发的故障，还应对外部电源的工作特性进行监控和保护，可在车辆上安装一个外部电源监控器，该监控器的作用是:

(1)当外部电源正常时，允许外部电源接入车上电网，并与车上蓄电池并联使用;

(2)当外部电源不正常时，外部电源不允许接入车上电网;

(3)当外部电源品质超出装甲车辆外部电源供电特性的标准要求时，自动将外部电源与车上电网断开.

加装具有以上功能的外部电源监控器，能够很好地控制装甲车辆电源的供电品质，解决因外部电源问题引起的电气设备故障.

图3 28 V直流电源浪涌轨迹

3.2 对接外部电源的电路优化

针对目前所装备车型的实际使用条件，在无法解决现有外部电源供电品质和增加监控器的前提下，提出了一种优化方案.该方案在外部电源接入车内电网的前端增加了一个保护电路，该电路实现了两个功能:1)防极性反接;2)抑制外部电源的浪涌和尖峰.电路原理图如图4所示.

图4 外部电源优化电路原理图

当外部电源与外部起动插座连接后，若电源极性连接正确，二极管D1导通，接触器J2触点接通，外部电源与车体蓄电池并联，此时接通仪表板上的总开关，J1触点接通，完成对全车供电;若电源极性连接相反，二极管D1截止，接触器J2触点不能接通，外部电源无法与车上电源接通，起到电源极性防反接的作用.该方案的工作特点是，在使用外部电源时，若不接通车上的电源总开关，将无法对全车供电.总开关接通后，车体电池和精电网电池同时接通，自动实现外部电源与蓄电池的并联，能够抑制外部电源的浪涌和尖峰，有效改善电源的供电品质.该方案在不连接外部电源的情况下，J2继电器触点为断开状态，不会影响到原车辆电路的正常工作，并且实现方式简单，可靠性高.该电路经装车试验，并与不同型号外部电源配合使用，因外部电源问题引发的电气设备故障得以有效控制.

3.3 电气设备的电源抑制尖峰浪涌设计

电压尖峰通常是由感性负载切换引起的，能产生大的电流和电压变化率，从而形成瞬态尖峰干扰，其幅度可达数百伏甚至上千伏，脉宽可达微秒级，这将对系统中的晶体化的小功耗电子元器件造成损坏.在GJB298—87［1］中要求电气设备应能承受最高为±250 V/50 μs的尖峰脉冲.通常电路中所采用的是TVS.TVS管是利用PN结的反向特性对电路进行瞬态保护，当所施加的电压在某一范围时，TVS管成高阻状态，当所施加的电压超过某一门限值时，反向电流急剧增加并把电压钳位在一个较低电位上，从而实现后面的电路元件不受瞬态电压的冲击.但是目前所发生的故障为TVS管被反向击穿，这意味着一是由于TVS管的参数选择不当，不能适应电路的实际使用需求;二是TVS管仅满足了尖峰脉冲的抑制需求，但过压浪涌的高能量导致其损坏.针对以上两个问题，重点开展以下设计.

1)合理选择TVS管的参数［4］.

为了合理选择TVS管应了解其主要参数:击穿电压UBR、钳位电压UC、最大反向工作电压UWM以及脉冲峰值功率PPP.其选择原则如下:

(1)直流电压按1.1～1.2倍来选取TVS管的最大反相工作电压UWM;

(2)TVS管的UC参数应低于被保护元器件的最大承受电压;

(3)TVS管在电路中时不应处于被击穿状态，最好处于UBR以下;

(4)选取TVS管时应考虑温度的影响;

(5)在无法确定PPP时，应选用功率大的TVS管，不应依据临界值进行选取.

2)有效抑制浪涌电压［5］.

浪涌电压通常是由于供电系统在外干扰作用下引起的，并通过内部调节作用抑制的电压变化，持续时间较长，一般为数毫秒至数十秒.TVS管虽然能够抑制一定能量的电压浪涌，但是依据GJB298—87，对于最大为100 V/50 ms的电压浪涌，一般的TVS器件的功率都不可能满足要求，因此可采取自恢复保险和多只TVS管串型连接配合使用的方法 (见图5).

图5 浪涌电压抑制电路

自恢复保险和TVS管配合使用，能够防止在TVS管击穿时起到短路保护作用，同时当电源反接时具有限制TVS管正向大导通电流，间接具有防反接保护作用，可代替常规串联二极管的反接保护方法;采用多只TVS管串型连接，可提高TVS管承受过电压的时间，有效抑制电网的浪涌电压.该技术已通过了台架电源电应力环境试验.

3)应用预稳压模块.

受体积和能量的限制，TVS管在一些特殊使用情况下的应用具有局限性.预稳压模块技术成为解决这一技术难点的途径之一，如图6所示.预稳压模块包含有检测电路，在电压达到36～100 V条件下，可将电压箝位在36 V工作，并且在300 ms后自动关断，从而实现对浪涌过电压抑制，对窄尖峰电压也能很好吸收.预稳压模块不仅能够满足GJB298—1987［1］标准的要求 (100 V/50 ms，±250 V/50 μs正常工作)，而且其性能指标留有足够的裕量，并且具有环境适应性强、体积小、功率高的特点.

图6 预稳压模块应用电路

3.4 电气设备电源模块的适应性设计

对于装甲车上的电气设备，适应电网供电特性的电压范围是电源系统设计的基本要素，通常在选用电源模块或电源设计时应考虑电网的极限电压范围，还应在此基础上有一定降额.此外，还应考虑装甲车辆极限工作条件下的电网特性，结合前期大量的载荷试验数据，在－43℃的低温冷起动的情况下，24 V电源电压可下降至10 V左右，发电系统的过压保护最高值为34 V.因此，至少应选取工作电压范围为9～36 V的电源模块，以满足装甲车辆的实际使用需求.

4 结束语

通过对装甲车辆在装调及使用过程中出现的电气设备故障进行深入分析，其主要原因是由于不良的外部电源供电特性造成的，并提出了规范外部电源的供电特性、车辆电路优化以及电气设备抑制尖峰浪涌电压和电源模块的适应性等设计方案，特别是对车辆对接外部电源电路的改进方案，不仅解决了外部电源使用时极性反接和浪涌电压和尖峰脉冲问题，而且该电路还具有构成简单、易于实现的特点，经装车或试验室台架试验证明，所提改进方案有效减少了用电设备的故障.

［1］GJB298—87军用车辆28伏直流电气系统特性［S］.北京:国防科学技术工业委员会.

［2］GJB572A—2006飞机外部电源供电特性及一般要求［S］.1版.北京:国防科工委军标出版发行部，2007.

［3］GJB2185A—2008飞机外部电源监控器通用规范［S］.1版.北京:国防科工委军标出版发行部，2008.

［4］王大明，聂玉林，赵月琴.空空导弹发射装置电源特性设计 ［J］.航空兵器，2010，(3):53-56.

［5］陈万堂，陈红丽，瞬态电压抑制器 ［J］.传感器技术，2001，20(2):41.