基于无人平台的动力源集成化技术研究

2022-01-20王文兵

通信电源技术 2021年15期

王文兵

（合肥同智机电控制技术有限公司，安徽合肥 230088）

1 动力源系统集成化技术研究分析

当前基于无人平台衍生出的新型作战方式极大推动了无人作战系统的发展，以美国为代表的西方军事强国一直致力于地面无人系统的研发，不仅制定了雄心勃勃的发展规划，而且率先将地面无人系统应用于实战[1]。地面无人平台动力源是地面无人平台系统中的核心组成部件，它是地面无人系统关键技术突破、全面推进地面无人系统技术体系发展的装备载体[2]。同时，地面无人系统关键技术包括机动平台技术、自主行为技术、指挥控制技术以及任务载荷技术等，其中机动平台技术是地面无人系统实现自主机动的基础。能源与动力技术是关键技术之一，开展轻型通用无人平台动力源集成化技术研究，是通用无人平台行走与驱动系统对动力源的迫切需求，动力源集成化技术需要重点突破高功率密度发电、储能、电源变换及输配电管理等关键技术。

2 国内外研究现状

美国的动力源集成技术中普遍采用永磁发电机和锂电池组，其最新研制是129 kW柴油机搭配两台410HVH HT电动机，UQM-200发电机可持续输出功率为120 kW，峰值功率为200 kW，两块LiFePQ4锂电池组作为备用动力源。英国最新的动力源集成是通过E-X-Drive电传动装置匹配两台MTU公司6R 890发动机，MTU发动机和车载电池联合工作时能产生1400 kW的输出功率，使车辆能够配备更多种类的电子系统和武器系统。德国最新的动力源集成中电机采用新型电磁结构和内部液体冷却方式，峰值功率密度达到2.5 kW/kg。目前，国内主要集中研发动力源系统中的单体设备，在混合动力源系统集成、能量综合管理方面研究较少。

3 系统设计方案

随着国防科技的迅猛发展，无人化与智能化已经成了现代战争的重要发展趋势[3]。通过分析动力源系统国内外研究现状可知，国外除了对高功率密度发动机、发电机以及储能技术进行研究外，动力源系统集成技术和能量综合管理技术也是研究的重点。针对此现状，本方案对动力系统集成、能量综合管理技术进行了研究，并提出设计方案，所设计的动力源系统功能和相关性能指标要求如表1所示。

3.1 系统组成

为满足动力源系统功能完整性要求，同时遵循集成化、模块化、轻量化以及可扩展化设计原则，采用各功能模块集成为分系统，各分系统集成为动力源系统的设计方案。本方案通过把能源系统视为一个整体加以发展，以整个无人平台性能最优为目标而不是追求某个单项功能达到最佳。本方案通过对动力源系统功能进行规划和布置，将动力源系统设计为发动机-发电机组（包括动力装置、发电装置、发电控制、油箱等）、储能蓄电池组（包括锂离子电池组、电池管理系统等）以及能量管理单元（包括DC/DC电源变换、锂离子电池组充电组件、配电管理和状态监测等）3个分系统，如图1所示。各分系统通过CAN总线实现信息的交互和能量流动及管理，通过通信接口的互联实现信息的交互。各接口之间采用电缆实现柔性连接，使得动力源系统结构简单、功能独立，较好地实现了动力源系统的集成化、模块化、轻量化设计，提高了无人战车驱动系统的动力性能。

图1 动力源系统组成

3.2 系统原理

动力源系统原理如图2所示。发动机-发电机组经发电机发电、发电机控制器可控整流后输出500～600 V高压直流电并与储能蓄电池组直流528 V输出并网后供给能量管理单元，能量管理单元通过DC/DC稳压组件实现1路直流12 V可控输出和1路直流24 V可控输出，通过高压接触器与配电模块实现4路直流528 V可控输出，并通过充电组件实现为储能电池组的充电功能，具有高压母线过压保护、过流保护、绝缘检测等功能以及配电输出过压、过流、漏电流等保护功能。

图2 动力源系统原理

发动机-发电机组、储能蓄电池组以及能量管理单元之间通过CAN总线通信，发动机-发电机组和储能蓄电池组将运行信息上传至能量管理单元，实现系统运行的集中管理。

动力源系统的集成化、模块化以及量化设计在满足轻型通用无人平台对动力源功能与性能需求的同时，提升了轻型通用无人平台的载荷能力，可以搭载更多的作战武器系统。采用模块化、可扩展化的设计，方便将动力源系统应用到同类需求的无人平台，使性能得以不断提升。高功率密度能源系统任务保障力将更强，由于采用混合动力源系统，发电机和储能蓄电池可以同时输出提供峰值功率，满足任务系统的需求。

表1 系统功能和性能指标

4 分系统方案先进性分析

4.1 发动机-发电机组

发动机-发电机组由微型燃机、盘式永磁无刷发电机、减速器、控制器、液冷系统以及油箱等组成，如图3所示。其中微型燃机由径流式叶轮机械（包括向心式透平与离心式压气机）和燃烧室等构成；减速器由齿轮箱和润滑系统组成；盘式永磁无刷发电机采用盘式结构，同时利用液冷系统对其散热；液冷系统由液冷泵、液冷箱和散热器组成。电机控制器是该系统中的核心部件，能够实现电机的电动和发电两种工作状态。

图3 发动机-发电机组原理

4.2 储能蓄电池组

近些年，全球可再生能源占全部能源的比重继续增加，我国的可再生能源行业也进入快速发展时期，但是由于可再生能源转化为电能时存在间歇和不可控的特性，如果其直接大规模接入电网，则会给电网带来很多不可控因素，如电网调峰困难、电网频率和电压容易出现较大波动等[4-7]。为了高效利用可再生能源，同时减少其对电网稳定性的冲击，储能技术发挥了重要作用[8]。增加储能环节作为可再生能源与电网之间的过渡阶段，可以有效降低不可控因素带来的风险[9]。电池管理系统在储能系统中占有很重要的作用，由于过充、过放以及温度变化对电池性能影响很大，长时间过充过放会严重影响电池寿命，增加储能系统的维护成本，因此电池管理系统（ Battery Management System，BMS）的主要作用是减少储能系统运行时持续维护的费用，提高电池循环寿命和系统可靠性[10]。

储能蓄电池组主要由储能蓄电池组多模组、电池管理系统、接口线束、稳压DC/DC模块、接触器、断路器以及电连接器等组成。其中：储能蓄电池组由3个储能蓄电池模组，共144支三元锂电池串联组成；电池管理系统主要由主控和从控电池管理系统组成，从控分布在箱内储能蓄电池组模组周围，对箱内各储能蓄电池组模组中的单体电池进行电压和温度采集，并进行均衡管理。

在规定的寿命期及工作环境下，储能蓄电池组具有充、放电功能，均衡管理功能，单体及模组电压、电流检测功能，剩余容量预计功能，保护及故障上报功能。正常工作环境下，储能蓄电池组对负载进行不间断直流供电，由电池管理系统实时采集储能蓄电池组模组的电压、电流以及各单体电池的电压与温度，并进行均衡管理。对上位机和充电机进行通信，并在必要时采取保护措施实现储能蓄电池组模组和多模组的过压、过流、欠压以及过温保护。储能蓄电池组电气原理如图4所示。

图4 储能蓄电池组电气原理

4.3 能量管理单元

能量管理单元原理如图5所示，闭合电源开关，上电工作，自检高压母线电压和绝缘电阻，检测输出回路闭环状态。储能蓄电池组电池开关闭合，高压电池接入能量管理单元，配电模块5检测电池输入电压正常，通过预充电模块和接触器K6向DC/DC充电组件、DC/DC组件（直流12 V）、DC/DC组件（直流24 V）以及发电机控制器进行预充电，充电电压达到输入电压97%时预充电结束，关闭接触器K6和预充电模块，接通电池主回路接触器K5，电池接入高压直流母线。发电机开启后，发电机输入并入能量管理单元高压直流母线。