装甲车辆供电系统研究现状与发展趋势

袁 东, 魏曙光, 马晓军

(装甲兵工程学院控制工程系, 北京 100072)

装甲车辆供电系统研究现状与发展趋势

袁 东, 魏曙光, 马晓军

(装甲兵工程学院控制工程系, 北京 100072)

从装甲车辆负载电能需求出发，回顾了近年来装甲车辆供电系统的研究现状和发展趋势，其总体特征为小功率向大功率、低压向高压、单一供电体制向复合供电体制、模拟/继电控制向数字化/网络化控制发展。以供电体制为主线，重点分析了28V低压车载供电系统、270V/28V复合车载供电系统以及车载综合电力系统3类典型系统的结构组成与关键技术，并对未来战场智能电网的发展进行了展望，为装甲车辆供电系统论证分析、研制设计以及改造升级等研究提供了理论借鉴和技术参考。

装甲车辆； 供电体制； 综合电力系统

装甲车辆供电系统是各种车载用电装置的能源枢纽，涉及装甲车辆的火力、机动、防护和指挥控制等多个方面，因此供电系统的性能直接影响装甲车辆的整体战技性能和战场生存能力[1-3]。随着装备技术的不断发展，装甲车辆供电系统经历了从小功率向大功率、低压向高压、单一供电体制向复合供电体制、模拟/继电控制向数字化/网络化控制的发展过程。从其供电体制和电压等级来看，目前主要有28V低压车载供电系统和270V/28V复合车载供电系统2种类型，随着陆战平台全电化技术的不断推进，采用多能量源复合式的大功率/大容量车载综合电力系统将成为装甲车辆供电系统的重要发展方向和典型架构模式。

1 28 V低压车载供电系统

1.1 直流发电机低压供电系统

早期装甲车辆中的用电装置少，需求功率小，直流电机由于其技术成熟而被广泛地应用于车载供电系统。直流发电机低压供电系统结构如图1所示，主要由直流发电机、机械式调压器、滤波器、铅酸蓄电池和输配电装置等组成。机械式调压器根据检测电压控制继电器通断，调节激磁电流，从而实现稳压，由于机械开关频率低，电压波动量往往较大，因此供电系统中增设了滤波器，用于改善供电质量。

图1 直流发电机低压供电系统结构

该系统采用分散式配电，直流发电机和铅酸蓄电池的电能输送到主配电板，通过空气开关、接触器等分出若干条支路通往用电设备。由于工作电压较低，为了减少铜耗、简化供电线路，系统绝大部分支路采用单线制，电源正极与用电装置连接，负极用车体代替，因此负极导线常称为搭铁线。

由上述分析可知，该直流发电机低压供电系统存在如下问题：1)直流电机因存在电刷而使发电机转速提高受到限制，功率密度较低，且需要经常性的维护保养；2)机械式调压器的控制精度不高，且其触头振动时产生的火花容易烧毁触头，并会干扰其他设备工作。

随着装甲车辆作战系统的日趋复杂和信息化程度的不断提高，各种车载电气电子设备迅速增加，对供电系统功率需求和供电品质要求越来越高，上述直流发电机低压供电系统难以满足要求。

1.2 交流发电机低压供电系统

随着电机控制技术和电力电子技术的发展，交流电机和可控硅调压器逐渐应用于装甲车辆供电系统。交流发电机低压供电系统结构如图2所示，这种结构也是目前应用较为广泛的结构形式[4]。

图2 交流发电机低压供电系统结构

该交流发电机低压供电系统主要由交流发电机、整流器、调压器、铅酸蓄电池和输配电装置组成。初期交流发电机采用爪极硅整流发电机，激磁绕组使用铜环电刷供电，整流器采用内置设计，具有体积小、功率密度大等优点，但其激磁电刷的存在限制了电机功率的提高。

因此，在更大功率的装甲车辆供电系统中，一般采用基于两级激磁的无刷爪极转子硅整流交流同步发电机，该发电机包括主发电机和激磁机。激磁机的激磁电流由电压调节器控制，这样在激磁机转子的电枢绕组上感应出三相交流电，经旋转整流器整流后得到主发电机需要的直流激磁电流。采用这种结构可解决电刷带来的换向问题，同时两级激磁可增大激磁电流的调节范围，使发电机能够提供更大功率的输出。区别于前述交流发电机整流器内置设计结构，该供电系统外置硅整流桥设计，且采用风冷散热方式。

随着电机技术的发展，调压器也由机械式调压逐步发展为可控硅调压和晶体管调压电路，与交流发电机配套使用，这种调压器消除了振动触头，有效提高了系统控制性能和可靠性。魏巍[5]进一步设计了基于DSP-TMS320LF2407A的数字式调压器，并采用基于转速前馈的复合稳压控制结构(如图3所示)，将发动机转速、激磁电流等状态信息引入控制中，从而改善系统的动态性能和稳压精度。同时，调压器内嵌状态检测和故障诊断单元，实现了对系统运行状态的监测和在线故障诊断。

图3 基于转速前馈的复合稳压控制结构

同样地，电力电子技术的发展也推动了配电装置的不断升级。1.1节中所述的基于继电器、接触器、空气开关的配电方式，由于保护功能差、自动化程度低、电磁干扰大以及存在触点火花等问题，难以满足各种新型电气电子设备，特别是计算机类设备对系统供电品质、监控保护、能量管理以及电磁环境等的严苛要求。针对上述问题，马晓军等[6]设计了基于电子开关的新型装甲车辆电源管理系统，电子开关采用大功率MOS管辅以如图4所示的软开通/软关断控制电路，通过程控给定，根据不同负载设置开通/关断过程的电流斜率，实现各用电支路的“无触点”供电控制，改善了供电质量，同时实现了供电支路的实时状态监测与故障保护。

图4 电子开关软开通/软关断控制电路

调压器、电子开关等系统部件的数字化控制不仅提高了供电系统本身的控制性能，还为网络化车辆电源管理系统的构建提供了底层硬件基础。网络化车辆电源管理系统的设计思路为：将供电系统各部件的管理控制单元通过相应总线(如MIC总线等)连接起来，构成网络化控制系统，实现在线监测与故障报警[7-8]。同时，系统还可根据不同设备的任务剖面和用电特性，确定其任务及功能优先级，制定不同情况下的电源系统能量分配策略，以确保供电紧张情况下重要功能设备的可靠供电，实现电源系统能量的优化管理与控制。

在系统研制与工程实践飞速发展的同时，装甲车辆供电系统理论研究体系逐步建立并日臻完善，系统瞬态分析、电磁干扰(Electro Magnetic Interfe-rence,EMI)传导特性、故障诊断方法等研究不断深入。臧克茂[2]提出了模式整体法和模式转移法等一系列方法，系统地分析了车辆供电系统浪涌电压、尖峰脉冲电压和启动扰动电压等特性，构建了典型车载供电系统的瞬态分析理论体系，为系统优化设计、生产使用和发展论证提供了理论依据。赖建军[9]采用分布式建模的方法，建立了爪极同步发电机、整流桥、蓄电池和调压器等部件的动态模型，并以此为基础构建了供电系统传导EMI模型，采用频域分析法，在0～10kHz和10kHz～30MHz频段内，分别对变转速、变负载产生的传导EMI进行了频谱分析。魏巍等[10-11]构建了基于系统层、网络层与节点层的供电系统故障诊断体系，并提出了基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)和Elman神经网络的诊断等方法，实现了系统数字控制与故障诊断的有机融合。

1.3 双电网低压供电系统

1.1、1.2节中车载低压供电系统均采用单电网模式，即所有用电装置均挂接在单一供电母线上，理论分析[2]与工程实践表明：这种供电模式在负载投/切，特别是大负载投/切时会对电网产生较大冲击。以装甲车辆发动机启动过程为例，其供电母线的电流/电压波形如图5所示，其中：曲线①为供电母线的电流波形；曲线②为供电母线的电压波形。

图5 装甲车辆启动过程供电母线的电流/电压波形

由图5可知：启动瞬间电流冲击高达上千安培，供电母线电压跌落至18V以下。这种冲击会对其他工作设备，特别是计算机控制类设备造成严重影响，如死机、复位、黑屏等；一些车载大功率电机启动或加速过程的瞬时电流冲击也经常会引起一些“敏感”设备误动作或死机。

为此，采用“精电网”和“普通电网”并存的双电网低压供电模式成为装甲车辆供电系统的一个发展方向。双电网低压供电系统结构如图6所示，其将驾驶员和车长显控终端等以计算机为控制核心的 “敏感”设备挂接在“精电网”上，而其他“不敏感”用电设备挂接在“普通电网”上，从而克服在传统单一供电母线情况下的直流供电母线因受负载冲击而引起电压波动等对“敏感”设备的影响。

图6 双电网低压供电系统结构

作为补充，在装甲车辆中还存在“主电源+辅助电源”的供电模式[8]，辅助电源由专用发动机驱动发电机组成，作为停车期间训练和充电的电源，以减少主发动机的摩托小时。在这种模式中，由于主电源和辅助电源工作在同一电网，因此该模式仍然属于单电网供电模式。

2 270 V/28 V复合车载供电系统

如前所述，各种先进技术的不断应用有效提升了供电系统的供电品质、监控保护和能量管理能力，但其均采用低压直流28V供电模式。这种模式难以满足大功率负载供电需求，如：“勒克莱尔”坦克炮控系统的电驱动功率达到了30kW以上[12]，如果仍采用低压供电方式，就会导致供电线缆变粗，并增加逆变器和驱动电机的设计制造难度，且当大功率负载工作时，电网扰动还会进一步增加。为此，270V/28V复合供电体制逐渐成为装甲车辆供电系统发展的重要方向[8,13]，这种供电体制针对不同的负载采用不同的供电电压：大功率用电装置采用270V高压直流供电；小功率用电装置采用28V低压直流供电。从系统构架来看，目前主要有基于DC/DC升压变换的复合供电系统和基于双绕组交流电机的复合供电系统2种结构模式。

2.1 基于DC/DC升压变换的复合供电系统

基于DC/DC升压变换的复合供电系统通过高频功率变换装置将车内28V低压直流电转换为270V高压直流电，供全电炮控系统等大功率设备使用。升压装置输出侧(即高压直流母线侧)并联超级电容器，用于提供较大的瞬时功率，同时超级电容器还作为馈能装置抑制高压母线泵升电压，从而进一步提高供电质量。基于DC/DC升压变换的复合供电系统结构如图7所示[14]。

图7 基于DC/DC升压变换的复合供电系统结构

图8 基于软开关技术的升压变换装置拓扑结构

在图7所示结构中，升压装置是实现功率变换的核心装置，其性能直接影响系统高压供电能力。闫之峰等[15]设计了一种基于软开关技术的升压变换装置拓扑结构，如图8所示。该拓扑在推挽变压器副边增加辅助谐振电路，实现主开关管零电流关断；同时，还在原边绕组的同名端之间增加钳位电容，实现开关管关断尖峰电压的无损吸收，具有抑制推挽变压器偏磁、减小输入电流波动等优点。

2.2 基于双绕组交流电机的复合供电系统

双绕组交流电机可采用双绕组永磁同步电机或双绕组异步电机。基于双绕组永磁同步电机的复合供电系统结构如图9所示[16-17]，发电机转子上安装永磁体，定子上安装高压绕组和低压绕组，分别输出高压交流电和低压交流电，经过功率变换器稳压后分别输出270V高压直流电和28V低压直流电。

图9 基于双绕组永磁同步电机的复合供电系统结构

双绕组永磁同步电机由于转子采用永磁体，其输出电压随发动机转速变化而变化，自身不具备稳压功能，因此高/低压供电回路均需要采用功率变换装置实现稳压输出。为了进一步减小装置体积、提高变换效率，魏曙光等[18-19]提出了一种基于双绕组异步电机的复合供电系统，其结构如图10所示。

图10 基于双绕组异步电机的复合供电系统结构

电机转子为鼠笼型，定子上有2套三相绕组：高压侧三相绕组连接电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifier, VSR)，输出270V高压，连接大功率负载；低压侧三相绕组连接励磁电容和不可控整流桥，输出28V低压。低压侧不具备电压调节功能，其电压的调节是通过控制高压侧VSR的开关频率和占空比来调节系统所需励磁无功功率，取高压和低压直流侧电压值与给定值进行比较，通过不同的控制策略即可实现对双路电压的稳压控制。这种结构只需一套控制器即可实现高/低双回路的稳压控制，装置体积小，同时功率变换效率得到有效提高。

此外，黄文新等[20]还研究了一种基于高压无刷直流270V发电机的车辆供电系统，并实现了启动/发电一体化设计，解决了启动时由低压蓄电池供电和发电时输出高压的矛盾。

3 车载综合电力系统

随着新军事技术变革的持续推进，坦克装甲车辆、自行火炮等地面战斗平台需具有精确的打击能力、快速的突击能力、高效的防护能力、全谱作战能力和较低的保障需求，传统的机械式战斗车辆已难以满足未来战场的作战需求，因此全电战斗车辆成为陆战平台的重要发展模式。其基本思想是：以电能作为基本能量源，通过对电能的传输、变换和控制等技术，将其转变成其他能量形式，作用于动力驱动、武器和防护等系统，实现各系统的全电化，促进陆战平台整体性能的全面提升[21-23]。

在全电化陆战平台中，“电”不再是仅供车载电气电子设备工作的能源，而是驱动、武器、防护和信息等任务系统的共用能源，成为整个平台的能源基础。因此，全电化陆战平台电能需求将由传统战斗车辆的几千瓦或者几十千瓦增加到几百千瓦甚至上兆瓦，且其供电系统具有能量制式多、容量大，电压等级高、供电质量要求高，能源形式多样化、控制难度大，工作环境苛刻，以及效率和电磁兼容性要求高等特点[24]。为满足上述要求，多能量源复合式的大功率/大容量车载综合电力系统将成为坦克装甲车辆供电系统的重要发展方向。

3.1 系统供电体制与结构

图11为一种车载综合电力系统的基本结构。全电化陆战平台既包含电炮、电装甲和电驱动等大功率负载，又包含传统车辆的指挥控制系统、武器驱动系统以及其他中小功率用电负载，因此该系统采用高(0.6～1kV)、中(270V)、低(28V)3种电压等级复合的供电体制。

图11 一种车载综合电力系统的基本结构

高压供电主能量源采用发动机-发电机组，发电机选用启动/发电一体机，提供陆战平台所需的平均功率；辅助能量源采用动力电池与超级电容复合储能结构，提供和吸收系统瞬时功率。主能量源和辅助能量源经过电力集成控制器实现变换后挂接到高压直流母线，为电炮、电装甲和电驱动等系统提供能量。同时，电力集成控制器通过双向DC/DC变换器与低压蓄电池并联到中/低压直流母线，为其他中小功率负载供电。此外，低压蓄电池也可控制启动电机实现低压启动，低压启动与高压启动互为备份，以提高系统可靠性。

3.2 相关关键技术

从车载综合电力系统电能的作用流程来看，其主要包括电能生产、存储、变换、分配、回收及其综合管理控制，各个环节都会直接影响系统性能及其供电能力。因此，笔者以车载综合电力系统的流程为主线，从大功率复合式能源系统构架、功率变换与负载驱动以及系统集成管理控制3个方面对其关键技术进行分析。

3.2.1 大功率复合式能源系统构架

由于车载综合电力系统能量源需要满足比能量/比功率高、环境适应性强、使用寿命长且负载驱动特性好等要求，因此需要根据任务系统电能需求开展大功率复合式能源系统构架研究，主要包括系统供电体制、复合式能源结构模式、参数匹配计算、协调控制以及综合集成研究等。在此基础上突破系统中各部件研制关键技术，包括高功率密度发动机技术、多相交流发电机技术、启动/发电一体化控制技术、动力电池成组应用与管理技术(如充放电特性、电池荷电状态(State Of Charge，SOC)估计、充放电均衡管理、加温和散热管理)、超级电容匹配应用技术以及新型能源(如燃料电池)开发技术等[25-27]。

3.2.2 功率变换与负载驱动

如图11所示，为满足不同特性的负载供电需求，系统中存在大量的功率变换装置，如启动/发电一体机与直流母线之间的双向AC/DC变换器，高、中、低不同电网之间的双向DC/DC变换器,以及电武器和电防护系统所用的脉冲功率变换器等。它们是实现系统电能变换的枢纽，其性能直接关系到系统的供电质量，因此开展其拓扑结构、控制策略、稳定性与谐波分析、新型功率器件(如碳化硅(SiC))以及工程应用相关技术(如结构设计、散热技术和电磁屏蔽等)研究具有重要的理论与工程意义[28-32]。

影响综合电力系统供电质量的另一个重要方面是负载驱动技术，其相关研究包括电网供耗电平衡管理、负载特性研究、负载配电与容错管理、负载驱动策略以及电力分配冗余技术等。

3.2.3 系统集成管理控制

集成管理控制是控制各装置协调工作，实现电能高效、可靠、安全的存储、变换、传输、分配与管理的核心，其主要任务是根据各种状态信息，控制系统内部各装置协调工作。其特点是控制逻辑复杂、运算量大、实时性要求高，同时还需具备较强的抗干扰能力和容错能力，保证系统稳定、健康运行。其相关研究包括系统状态监控、配电控制、能量管理与功率优化分配、电能质量控制、高压安全管理，以及降级、备份与冗余控制等[33-36]。

4 展望

车载综合电力系统的应用使得全电化陆战平台中的主要能量均以电能形式存在，因此它不仅是一个单纯的作战平台，还是一个比较理想的能源平台，这些平台既可孤岛运行，又可与其他平台实现接入交互和能量共享，这样可能形成战场智能电网[26]。战场智能电网的节点由各个平台构成，每一节点不仅可以作为能量消耗平台，还可作为能量存储平台，根据能量管理控制系统的指令为其他平台提供电能。除了能量管理控制外，能量交互接口技术，特别是无线能量传输技术也是战场智能电网需要突破的关键技术。

同时，装甲车辆供电系统的发展还与电机技术、电力电子技术、新能源技术等相关领域的技术进步紧密相关，因此其研究具有开放性和前瞻性，要充分吸收民用相关领域先进技术成果，实现深度军民融合发展。

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(责任编辑: 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

军队科研计划项目

袁 东(1981-)，男，讲师，博士。

TJ81+0.323

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

1672-1497(2016)06-0068-07