军用电传动车辆高压电源管理

项　宇，刘春光，魏曙光，张传海，李嘉麒

(1.装甲兵工程学院 陆战平台全电化技术重点实验室，北京　100072;2.装甲兵工程学院 学员一旅，北京　100072)



军用电传动车辆高压电源管理

项宇1，刘春光1，魏曙光1，张传海2，李嘉麒1

(1.装甲兵工程学院 陆战平台全电化技术重点实验室，北京100072;2.装甲兵工程学院 学员一旅，北京100072)

为解决军用车辆混合动力系统高压电源的管理难题，设计了一种电力综合控制箱，并开展了基于电力综合控制箱的车辆电源管理技术研究，制定了双向DC/DC电压环和电流环并联控制方案；设计了基于DC/DC的超级电容两阶段预充电控制策略以及动力电池输出控制算法。试验结果表明设计的电力综合控制箱及其控制算法实现了对系统高压电源的统一检测及优化控制。

电气工程；军用电传动车辆；混合动力系统；电源管理；电力综合控制箱

随着新军事变革持续推进，部队急需新型的陆战平台，而目前机械传动车辆发展潜力有限，因此，在机动、防护、火力等性能均有远大发展前景的军用电传动车辆是未来陆战平台的发展方向之一，成为各军事强国研究的热点[1-3]。同时，新技术的不断应用使军用电传动车辆在结构形式、动力源构成、部件单点技术等方面均发生了深刻变化，军用车辆混合动力系统成为军用电传动车辆的能源基础[4-6]。

笔者研究了一种以发动机-发电机组为主能量源，动力电池和超级电容作为辅助动力源的串联式军用电传动车辆混合动力系统。发电机整流器采用可控整流，能够实现对发动机-发电机组的输出控制。动力电池通过双向DC/DC功率变换器与发动机-发电机组输出匹配，满足负载功率需求。直流母线并联超级电容和能耗装置，利用超级电容抑制母线电压波动，由能耗装置消耗过多能量，保证高压安全。系统负载为8个电机驱动车辆行驶。动力源输出具有多种组合方式，系统要求各动力源在车辆不同工况下能够灵活投切，实现能量合理分配及故障检测与保护[7-10]。

笔者通过对混合动力系统的配电方式及结构布局进行分析，设计了电力综合控制箱为主体的高压电源管理系统，对整车电源进行统一监测及控制。最终通过样机试验对电力综合控制箱的性能进行了验证。

1　电力综合控制箱方案设计

设计的电力综合控制箱结构如图1所示，其功能为实现系统高压部分统一配电、监控及管理，将各动力节点的逻辑、采样及保护等功能集中到一个控制箱内，构成高压配电系统控制器。这种结构中，动力节点只与电力综合控制箱连接，节点之间没有连接关系，便于部件的检修及布局。

电力综合控制箱工作流程为：

1)系统低压配电完成后，首先启动冷却电机，然后接收配电请求信号，根据预充电方案进行超级电容预充电，预充完成后把超级电容挂接到高压母线，启动冷却风扇。

2)根据系统动力模式指令(混合动力或静音行驶)判断发动机-发电机组是否挂接到高压母线。

3)双向DC/DC根据接收的上位机指令实现动力电池的充放电控制。

4)系统工作过程中控制箱根据各检测模块采集各部件的工作电压和电流，判断其工作状态是否正常，切断故障部件并将状态信息上报至上位机。

5)当车辆停止运行，控制箱收到断电请求后，首先切断动力电池、发动机-发电机组及冷却风扇。

6)控制箱收到超级电容放电请求后导通IGBT，制动电阻将超级电容放电至20 V，然后关断IGBT。

7)断开所有开关，切断低压配电。

2　基于综合控制箱的电源管理

2.1DC/DC结构及控制方案

在动力电池和直流母线之间采用双向DC/DC变换器作为能量传输单元，可以实现动力电池和主动力源输出解耦，是重要的电源管理执行机构。为保证电源管理效果，对DC/DC控制要求如下：电池充电时电流波动小并具备限压功能，防止电池过压；电池放电时响应速度要快，尽快满足负载需求，同时限制电池输出电流大小，防止电池过放电。

基于以上需求，设计的双向DC/DC主电路拓扑结构如图2所示。该DC/DC由2个桥臂组成，每个桥臂的低压侧增加1个饱和电感，分别为L2、L3。2个桥臂在1个周期内相位相差180°。其中，T1和T2为功率管，2个功率管组成1个桥臂；L1为储能电感，起到续流作用；C1、C2为支撑电容，起到稳定母线电压的作用；UL为低压侧；UH为高压侧。

2.2超级电容预充电控制

笔者设计的综合电力系统结构中，由动力电池及超级电容组成复合储能单元。系统正常工作时，动力电池位于低压侧，超级电容位于高压侧。系统启动时，如果超级电容电压低于动力电池电压，动力电池输出将不可控，需要首先对超级电容进行预充电，使其电压达到理想的母线电压值。在不增加系统部件并满足预充时间要求的基础上，笔者提出基于双向DC/DC的两阶段预充方案。预充方案硬件连接关系如图4所示。

图4中，K1、K2、K3、K4为高压接触器，通过4个接触器的不同组合，使动力电池和超级电容分别投切到双向DC/DC的低压、高压侧。设计两阶段预充电控制策略如下：

第1阶段：系统上电之前，首先检测超级电容的端电压Ucap与动力电池的端电压Ubatt之差，是否满足关系式：

Ubatt-Ucap>imax1(Rbatt+Rcap)

(1)

式中：imax1为预充电第1阶段允许的最大充电电流；Rbatt和Rcap分别为动力电池和超级电容内阻。

如果满足式(1)，则需要对超级电容进行预充电，将K1、K2断开，K3、K4闭合。双向DC/DC工作在buck模式，按照定电流模式由动力电池给超级电容进行充电，通过DC/DC控制充电电流。根据DC/DC的特性可知，此时DC/DC的上桥臂处于全部导通状态，超级电容和动力电池的电压差只有开关管压降UT1，超级电容的最大预充电电压Ucap_max为

Ucap_max=Ubatt-UT1

(2)

第2阶段：电容电压达到Ucap_max时，预充第1阶段结束，关闭DC/DC，将开关K3、K4断开，K1、K2闭合，把动力电池切换到低压侧，DC/DC进入boost模式，按照定电流将超级电容电压升到目标电压值，imax2为预充电第2阶段允许的最大充电电流。

2.3电池充/放电控制

通过双向DC/DC实现动力电池的充放电控制，发动机-发电机组输出通过调节可控整流器目标电压控制，是发动机-发电机组、动力电池和超级电容间输出的解耦的基础。解耦方式有3种：一是直接控制发动机-发电机组和DC/DC的输出功率；二是控制发动机-发电机组的输出功率，DC/DC输出稳压；三是发动机-发电机组输出稳压，控制DC/DC的输出功率。其中，顶层功率分配的误差会对第1种解耦方式控制效果产生较大的影响；采用第3种方式时，负载的扰动会施加到发动机-发电机组，发动机转速波动较大，增加了损耗；而第2种方式不仅能够使发动机动态过程更加平稳，也能尽量发挥动力电池提供辅助功率的快速动态响应特性，在此采用第2种方案。由于超级电容不可控，因此电池放电时DC/DC目标电压和发动机-发电机组输出时的整流器目标电压(750 V左右)之间是超级电容放电时的工作范围。因此，动力电池与IGPU间的匹配特性决定了是否能够充分发挥超级电容的充放电能力。

采用第2种解耦方案时，DC/DC接收来自中央控制器的电压电流指令为：

3　试验系统搭建

为检验电力综合控制箱结构设计及电源管理的有效性，利用现有的试验设备，模拟车辆行驶过程中的负载变化，对方案进行验证，试验系统连接方案如图5所示。

由于试验条件的限制，并没有连接发动机-发电机组；2台高压直流电阻箱代替实际驱动电机负载，电阻箱采用预设负载给定方式，通过上位机调试软件进行设置，由虚拟网线将指令发送到电阻箱；动力电池、超级电容、电力综合控制箱(包含双向DC/DC变换器)为试验样机。系统参数如表1所示。

表1　系统试验参数

4　试验验证

4.1预充电试验

4.1.1超级电容初始电压为75 V

超级电容初始电压为75 V时，试验结果如图6、7所示。

图6、7中，整个预充电过程约58 s。第1阶电池放电电流约80 A，根据功率守恒，超级电容充电电流较大，超级电容电压迅速上升至与电池电压相近。第2阶动力电池最大放电电流达到200 A，将超级电容充电至700 V。

4.1.2超级电容初始电压为660 V

超级电容初始电压为660 V时，试验结果如图8、9所示。

根据试验结果可知，由于超级电容电压高于电池电压，根据预充方案，开始配电时直接进入预充第2阶段，动力电池通过DC/DC升压放电，将超电容充电至700 V后进入稳压状态。

4.2加载试验

由图10可知，突加负载时，由于DC/DC处于稳压阶段，首先由超级电容满足负载需求，母线电压下降，DC/DC响应输出，维持母线电压在700 V。当在40 s加载3.5 Ω电阻时，如图11所示，电池达到200 A放电限流值，DC/DC限流输出，此时超级电容放电，母线电压下降。在60 s时减载为6.4 Ω电阻，DC/DC持续大电流输出，超级电容充电，母线电压回升到700 V。

4.3电池充电试验

在母线700 V条件下，给定电池电流80 A，给动力电池充电。试验结果如图12、13所示。

据图12、13可知，开始充电后，电池充电电流约80 A，母线电压下降。在约108 s时，母线电压与电池电压接近，充电电流减小，最终接近0，此时母线电压和动力电池电压基本相等。在156 s时，停止发送电池充电指令，此时电力综合控制箱自动进入预充第2阶段，最终母线电压维持在700 V。

根据以上试验结果可知，电力综合控制箱具备电池输出稳压、定电流充电、限流保护等功能；各动力源切换及配电控制逻辑正确；达到了预期的研制目标，满足装车应用要求。

5　结束语

为了实现对军用车辆混合动力系统高压电源的统一检测与控制，笔者设计了一种电力综合控制箱并制定了基于电力综合控制箱的系统高压电源管理策略。试验结果表明电力综合控制箱很好地实现了对系统高压电源的统一监测及管理，为实车试验及后续的军用电传动车辆研究打下基础。

References)

[1]臧克茂. 陆战平台全电化技术研究综述[J].装甲兵工程学院学报，2011,25(1):1-6.

ZANG Kemao. Study on the all-electric technology of land warfare platform[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2011,25(1):1-6.(in Chinese)

[2]廖自力，马晓军，臧克茂，等.全电战斗车辆发展概况及关键技术[J].火力与指挥控制，2008，33(5):1- 4.

LIAO Zili, MA Xiaojun, ZANG Kemao,et al. Research on status quo and key technologies of all-electric combat vehicle[J]. Fire Control and Command Control,2008,33(5):1-4. (in Chinese)

[3]SIGNORRELLI M. Military vehicles should make leap to hybrid technology[J]. National Defense, 2011(6):22.

[4]王雄高. 美国继续发展混合电传动型地面战斗车辆[J].国外坦克， 2013 (1):2.

WANG Xionggao. Hybrid electric drive vehicle in American forward land battle[J]. Foreign Tank, 2013 (1):2. (in Chinese)

[5]李治源，罗又天，邢彦昌. 电磁装甲防护技术的现状及发展趋势[J]. 装甲兵工程学院学报，2014,28(1):1- 7.

LI Zhiyuan, LUO Youtian,XING Yanchang. Development trend and research status of electromagnetic armor protection technology[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2014,28(1):1-7. (in Chinese)

[6]容耀恒. 中国第四代全电化主战坦克[J].现代兵器，2010(5):70.

RONG Yaoheng. The fourth generation all-electric main battle tank of China[D]. Modern Weaponry,2010(5):70. (in Chinese)

[7]可荣硕. 车辆综合电力系统能量管理控制策略研究[D]. 北京：装甲兵工程学院，2014.

KE Rongshuo. Research on energy management strategy for integrated electricity system of armored vehicle[D]. Beijing: Academy of Armored Forces Engineering,2014. (in Chinese)

[8]孙逢春,张承宁. 装甲车辆混合动力电传动技术[M].北京：国防工业出版社,2008:11-13.

SUN Fengchun, ZHANG Chengning. Technologies for the hybrid electric drive system of armored vehicle[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2008:11-13.(in Chinese)

[9]陈泽宇. 40吨级全电履带车辆电能分配与控制策略研究[D]. 北京：北京理工大学,2010.

CHEN Zeyu. Research on power distribution and control strategy of 40-ton AETV [D]. Beijing：Beijing Institute of Technology, 2010. (in Chinese)

[10]于海芳. 混合动力汽车复合储能系统参数匹配与控制策略研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

YU Haifang. Research on parameter matching and control strategy of hybrid energy storage system for HEV [D]. Harbin：Harbin Institute of Technology,2010. (in Chinese)

The High Voltage Source Management of Electric Drive Military Vehicles

XIANG Yu1, LIU Chunguang1, WEI Shuguang1, ZHANG Chuanhai2, LI Jiaqi1

(1.Key Laboratory of Land Warfare Platform All-electric Technology, Academy of Armored Force Engineering,Beijing100072, China；2.Cadet Brigade 1，Academy of Armored Force Engineering, Beijing100072, China)

For the purpose of solving the management problem of the high voltage source of military electric drive vehicular hybrid system, an integral electric controller was designed, and the study of the technology of vehicular power source management was carried out based on the integral electric controller with a parallel operation plan of dual DC/DC voltage ring and current stipulated. Based on DC/DC, a battery output control algorithm and a control strategy of two-stage super capacitor charging were designed. The experiment results show that the integral electric controller and the control algorithm are efficient in the universal detection and optimal control of the high voltage source.

electrical engineering；electric drive military vehicles；hybrid dynamic system；power source management；integral electric controller

2015-04-28

军队预先研究项目(40401010101)

项宇(1987—)，男，博士研究生，主要从事装甲车辆电传动技术研究。E-mail：519266224@qq.com

刘春光(1980—)，男，博士，主要从事军用电传动车辆总体技术研究。E-mail：liu_mu2000@163.com

TJ81

A

1673-6524(2016)01-0040-05