导弹发射车智能电源管理系统设计

2020-03-05魏建峰刘晓斌徐亚军徐宏斌

兵器装备工程学报 2020年1期

魏建峰,刘晓斌, 原芳, 徐亚军，徐宏斌

(西安现代控制技术研究所，西安 710068)

导弹发射车作为现代信息化战争中的重要作战装备，集侦察、指挥和火力打击于一体，涉及大量光机电高新技术设备，其中电源管理分系统承担着整个发射车的能源供应，起着非常重要的作用[1-3]。由于发射车上用电设备种类多，且对电源的容量、品质、功率大小要求差异很大、安全性要求很高，特别是关键设备上电断电时序要求极其严格，多年的工程实践和经验教训表明，电源管理系统设计缺陷或管理缺失，都可能对导弹、车辆和乘员的安全构成严重威胁[4-6]，因此，合理设计发射车电源管理系统、提高发射车电源智能化管理水平，实时监控发射车电源工作状态，不仅对于维护产品与乘员的安全，提升部队战斗力至关重要，而且对导弹发射车随时遂行作战任务提供可靠保证[7]。针对某型导弹发射车智能电源管理系统，提出了总体设计的基本原则，构建了系统架构，给出了系统的基本组成和工作原理，特别对发射车智能电源管理系统设计相关的关键技术进行了深入研究，并提供了可行的解决途径。

1 智能电源管理系统总体设计原则

1.1 电源分类分设原则

对于导弹发射车的不同用电设备而言，其工作方式、功率消耗都比较明确，中小功率的电子设备功率消耗小，但对电源系统精度要求较高，如果电源波动过大会影响设备运行的稳定性；而伺服驱动装置和观瞄桅杆升降设备属于用电大户，其启动和调转时消耗的功率很大，占整个电源消耗总功率绝大部分，其工作过程中会造成电源电压很大的波动，对电源的供电品质有很大的影响。因此，为了保证系统的稳定运行，发射车电源分系统采用分布式设计方法，将专为中小功率用电设备供电的电源与专为大功率用电设备供电的电源分类分设，分别称为粗电和精电，可有效隔离了大功率用电设备对小功率用电设备的影响。

1.2 有序供断电原则

导弹发射车是发射导弹的车载武器平台，对安全性有着极高的要求，必须保证车辆装备和乘员的绝对安全。发射车用电设备众多，功能复杂，性能各异，工作启停时刻各不相同。因此，智能电源管理系统必须根据发射车武器系统工作流程和具体工况，结合各用电设备的具体要求，基于系统的角度，设计各用电设备的供断电时序，要对电源资源进行合理分配，错峰调度，既要求逻辑严密，也要和系统流程相协调，同时要满足具体设备的特殊要求。

1.3 模块化智能化原则

导弹发射车智能电源管理系统由多个部件组成，用电设备也很多，而且分布在发射车的不同位置，为了保证供电稳定可靠，当电源管理系统发生故障时能够快速定位隔离和快速维修，必须提高电源分系统的模块化程度，同时需要实时监控电源本身和各用电设备的工作状态，并及时调整配电策略，保证相关设备的用电安全。因此，模块化智能化是智能电源管理系统设计的基本要求。

2 系统组成和工作原理

某型发射车智能电源管理系统主要由供电单元、并网单元、智能电源管理单元、射手显示终端以及CAN总线等部分组成，如图1所示。供电单元主要用于产生发射车各用电设备需要的一次电源，主要由底盘发电机、取力发电机、底盘原装蓄电池和加装蓄电池组成，并网单元主要根据发射车的不同工况，将供电单元内不同设备输出的电源通过合理组合，作为智能电源管理单元输入。智能电源管理单元主要实现武器系统用电设备供电智能通断控制、配电管理、状态监控，监测各用电设备的工作电流、电压、工作状态，具有输入过压告警，输出过流保护等功能，主要由相关控制电路实现。射手显示终端是负责导弹发射，监控车辆状态的关键设备，同时负责电源管理的开关控制、电源状态显示等功能，主要由有周边按键、电源开关和显示器组成。CAN总线将发射车各用电设备和电源各个设备互联，实现信息互通，为电源智能管理提供信息通道。

3 关键技术及解决途径

3.1 并网协同供电技术

根据发射车使用工况要求，行车状态下正常工作时，发射车车载武器系统直流电源最大功率需求为4 kW，驻车状态下正常工作时，发射车车载武器系统最大功率需求为7 kW。在行车工状态下，系统供电由底盘车原装发电机提供，该发电机是一个6 kW硅整流直流发电机，除去底盘本身正常使用需要2 kW功率，可以满足全车用电需求；驻车状态下系统供电由底盘车原装发电机、加装4 kW取力发电机并网供电。同时为了保持直流母线电压的稳定，在底盘车原装蓄电池DC26V/80Ah的基础上还加装了相同规格的蓄电池，在发电机工作过程中，可以为蓄电池充电。并网协同供电主要解决导弹发射车在不同工况下将原装蓄电池、加装蓄电池、底盘车原装发电机、取力发电机所产生的电源并入导弹发射车的电源网络的问题。在多路电源共存的情况下,根据负载实际情况，无需人工干预自动切换，为智能电源管理单元输出稳定的粗精电源，实现母线的可靠供电[3]，行车模式和驻车模式的转换主要方法是根据智能电源管理单元实时监控的功率信息与预设的转换功率阈值相比较，当实际功率接近阈值时，智能电源管理单元产生驱动电平接通或关断相应的接触器，实现两种模式的转换。需要注意的是由于驻车情况下负载上电顺序完全可以保证取到合理的阈值，阈值的选取要留足一定的余量，确保模式转换及时稳定可靠。行车模式下并网工作原理框图如图2，采用直流接触器和隔离电路实现隔离和输出控制等并网功能，再经过熔断器提供负载精电和粗电的输出。在行车模式下，智能电源管理单元采集的功率不超过规定阈值，接触器1断开，取力发电机不工作，接触器2和接触器3接通，底盘车原装发电机向两个蓄电池充电，并和原装蓄电池共同为上装设备提供大功率粗电电源，同时经过隔离后输出中小功率精电电源；当智能电源管理单元检测到的功率超过规定的阈值时，使接触器1闭合，而接触器2和接触器3仍保持闭合，转换为驻车模式，取力发电机与底盘车原装发电机并机使用，并和原装蓄电池共同为上装设备提供所需的粗精电电源。

3.2 智能电源管理技术

智能电源管理单元将并网单元输出的大功率和中小功率电源向供电设备分配。主要由电源滤波器、储能电容、控制模块、功率模块和射手显示终端等组成，如图3所示。其中控制模块以ARM7处理器为核心，并扩展了CAN总线和LIN总线接口,LIN总线用于处理器和内部各功率模块通信，CAN总线用于和射手终端进行通信。功率模块由十路单元功率模块组成，功率大小各不相同，功率模块1和功率模块2主要用于发射装置和观瞄桅杆的驱动电源，其余功率模块用于其他中小功率用电设备供电，每路功率模块采用功率MOSFET技术，实现对供电设备的智能通断控制，具有对输出电压、输出电流和自身温度的实时监控的功能[1]；射手显示终端是一个人机交互设备，主要负责电源总开关的控制和电源状态以及用电设备状态的监控工作。主要由带有周边键的显示器和电源总开关组成，智能电源管理单元工作时,当控制模块通过CAN总线接收到射手显示终端配电指令时，经过LIN总线控制各路功率模块实现用电设备配电的输出，各路功率模块实时监测各路输入电源、输出电源的工作状态以及是否出现过压、过流、短路或过热等故障，并及时通过内部LIN总线将相关信息回传给控制模块，控制模块经过CAN总线上报射手终端显示[2]，并实时对电源输入输出进行控制。在工作过程中，射手显示终端由射手操作和观察，显示界面上有相应的虚拟指示灯和数据表格，实时显示各个用电设备负载当前的电流电压值和消耗的实际功率。

图3 智能电源管理单元组成示意图

3.3 配电逻辑容错技术

复杂的发射车武器系统对于供断电时序有着严格的要求，否则有可能造成发射装置飞车、设备损坏和导弹误发射等事故，也可能对用电设备和乘员的绝对安全造成严重威胁，这就要求配电逻辑容错性有良好的设计。导弹发射车智能电源管理系统根据发射车武器系统工作流程，结合各用电设备的功率大小和工作时序，将用电设备供电模式分为3类, 并针对不同负载特性，设置了分级的上断电策略，如表1所示。第一类为全过程需要供电设备，比如射手显示终端和数据记录设备等，这些设备需要最早上电而且最晚断电；第二类为目标搜索类设备，比如电台、数传、观瞄控制和射手显示终端等，这些设备应在发射准备阶段开始上电，发射流程结束断电；第三类为短暂供电设备，比如发射装置和桅杆伺服驱动器等，这类设备的上电断电由相应的设备流程控制，但应晚于控制设备上电，早于控制设备断电，才能保证执行设备的绝对安全。

表1 设备上电分类

上断电过程中，系统对没有按规定流程的上断电操作，设计了容错策略，正常时应按照“一级上电”、“二级上电”、“三级上电”的上电顺序给武器系统上电，断电时按照与上电相反的顺序为武器系统断电。但如果出现没有按规定流程的上断电操作，系统启动保护程序处置，比如在没有一级上电的情况下操作三级上电，系统会自动执行一二级上电后再为三级设备上电，相反，三级未断电的情况下操作一级断电，系统会自动先执行三级断电和二级断电，最后执行一级断电，有效地保护了武器系统和乘员的安全，以一级断电为例，逻辑流程如图4所示。