新型智能供配电系统中关键技术研究

王军雄，任人，马海峰，李文番，王垚雄，石志翔

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

随着机械、电子、信息和人工智能的发展进步,武器装备逐步向智能化、无人化方向发展[1-3]。智能化装备系统将作为重要组成部分与现有装备系统一起完成火力打击、侦查、布雷设伏等任务,特别是在条件恶劣、危险和枯燥的任务环境下,如偏远岛礁、高原、荒漠等,智能化装备体现出巨大的优势[4-5]。在智能装备发展方面,美军投入最大、发展最快的是地面自主车辆项目、班组任务保障系统无人车等多个项目,俄罗斯国防部早在2013年成立了机器人技术科研试验中心,负责自主装备的研发和生产,此外德国、以色列、法国、意大利等国家都积极研发和布局智能武器装备系统,我国在智能装备上也取得了长足的进步,智能火炮、无人机等技术不断创新[6-7]。

在智能武器装备中,供配电系统的智能化是一项重点内容,涉及装备的指挥、控制、火力等多个方面,直接关系到装备的整体战技性能和战场生存能力。武器装备一方面需要充足的能源供应,另一方面需要尽量小的体积和质量[8]。此外希望能源的供应方式是分布式、多样化的,以适应不同的战场环境。以油料作为唯一能源供应的传统方式已经无法同时满足上述需求,并且能量转换率偏低、易燃易爆、噪音大、红外特性强,这些特性使得装备没有足够的安全性和隐蔽性,难以适应智能化装备的发展[9-10]。随着储能技术和电力电子技术的跨越式发展,混合动力系统在智能化车载系统中的优势不断凸显,成为国内外新型无人/有人装备研制的重点。为了适应武器装备智能化的发展趋势和对能源供应的新需求,现有供配电系统性能有待提升,新型供配电系统的拓扑结构和控制技术有待进一步探索[11-13]。

基于此,笔者以智能火炮战车为应用背景,分析了新型可重构拓扑结构的工作原理和应用优势,研究了供配电系统中储能单元的智能管理技术。将两者优势相结合搭建了新型智能化供配电系统,应用灵活的可重构拓扑结构和蓄电池高倍率放电特性满足系统不同工况下的能量需求,应用储能单元的智能控制技术实现供配电系统的智能可靠运行,保障电池组的一致性,提高故障检测效率。

1 新型可重构拓扑结构

模块化的电池组以及可重构的拓扑结构为设备的维修和保障提供了极大的便利。笔者基于模块化的设计思路设计了储能单元,储能单元由多个电池组经过可重构的拓扑结构级联在一起组成。该拓扑结构如图1所示,每个电池组包含一个半桥结构的A+B开关组和隔离开关C,结构简单可靠。这种设计可以通过控制器将电量不足或者发生故障的模块及时切出电路,通过控制隔离开关C实现故障电池组与正常电路的物理隔离,防止故障电池组负极故障接壳影响主回路。用电量充裕的模块代替其继续工作,大大提高了系统的可靠性。由于这种结构半桥开关器件承受的反向电压仅和电池组电压有关,与输出母线电压无关,因此开关器件耐压值可以较低,选型极为便利。

通过控制半桥结构中两个开关的状态可以将某个电池组投入或切出系统,如图1所示。开关A和开关B的控制脉冲需要加入死区,避免桥臂直通造成电池组的短路。当开关A闭合开关B打开时,该电池组接入系统,如图中电池组n#;当开关B闭合开关A打开时,该电池组切出系统,如图中电池组1#。输出状态时如图1(a),电池组端电压随着电量的降低而降低,通过控制桥臂的开关状态控制投入电池组的数量实现输出电压的粗调节。为了得到稳定不变的输出电压需要对其进行精调,借用BUCK电路稳压原理对输出电压进行精调,经过脉宽调制技术控制投入电池组个别开关A的占空比调节输出电压。充电状态如图1(b)所示,充电能量来源可以是发电机也可以是新型清洁能源。通过实时监测每个电池组的剩余电量、端口电压、温度等参数信息,制定充电策略并实时调整。通过控制桥臂开关状态,将无需充电的电池组切出充电回路,将需要充电的电池组接入充电回路,通过脉宽调制技术实现对充电电流的精确控制。

采用可重构拓扑结构获得高压直流母线电压的设计方法相对于直接将电池组串联得到高压直流母线电压方法有较大的优势。可重构拓扑结构中电池组实现了模块化,便于维修和保障;系统可以在不掉电的情况下切出故障电池组同时切入正常电池组延长了系统平均无故障工作时间;可重构拓扑结构中无需用到高压器件,所用元器件所受的最高耐压为电池组电压,因此元器件选型方便且可靠性可以得到保障。

2 储能单元的智能管理技术

2.1 储能单元中电池组均衡管理

目前电池组内部的均衡管理较为成熟,但电池组之间均衡管理研究较少。与常见的新能源汽车中的储能单元相比,本系统储能单元的电池组多,且采用新型可重构拓扑结构,在应用过程中存在电池组的切入/切出操作,使得不同电池组之间的电量存在差异,需要进行动态均衡管理。此外由于电池在生产加工过程中工艺和精度的差异使得电池组内部参数无法保持一致,并且随着充放电次数和时间的推移差异会逐渐增大。若不采取相应措施将导致部分电池工作不稳定、寿命降低,严重情况将造成电池损坏。因此,必须实时监测各个电池组状态并及时进行动态电量均衡处理。

电池组电量估算即SOC估算,是储能单元智能管理的基础环节。采用安时积分法+开路电压法进行SOC估算。安时积分法的基本原理如下:

(1)

式中:α为自放电及老化因素的修正因子;SOC0为剩余电量的初始值,利用开路电压与剩余电量的对应关系得到;C为总容量;η为库伦效率,代表了充放电过程中的电量耗散。

电池SOC估算过程中运用了开路电压UOC与电池剩余电量SOC的对应关系得到初始SOC0。随后通过积分运算获得电量的变化量,初始值减去变化量将得到当前SOC。

为了解决电池组之间不均衡的问题并且保证系统可靠性和安全性,设计了Buck-Boost双向电路结构,如图2所示,均衡电路由电感L和两个MOS管S1、S2构成,D1、D2为两个功率二极管。这种均衡电路相对于其他均衡方案元器件较少、可靠性高、便于扩展。

当相邻两个电池组B1和B2电压不均衡出现较大差距时,根据电池组整体电量的估算值解算得到各个电池组电量的期望值,以此期望值作为电池均衡的给定值完成整个系统的均衡。以电池组B1的电量高于电池组电量给定值,电池组B2的电量低于设定值为例说明均衡原理,整个过程可以分为电池组B1的放电阶段和电池组B2的充电阶段,如图3所示。控制单元PWM波的开关周期为T,占空比为D,MOS管S1和S2的驱动为互补信号,设电池B1电压值为UB1,电池B2电压值为UB2,电感电压为UL。

B1的放电阶段如图3(a)所示,MOS管S1导通时S2关断,此时电池组B1经过MOS管S1给电感L充电,电感电压为B1电压,电流近似线性增加,电能从电池组B1传递到电感L,持续时间TON为占空比D和开关周期T的乘积。此阶段电感电流和电源B1电压关系为

(2)

电感电流的峰值电流为

(3)

短时间内忽略电压变化电感电流峰值及MOS管电流峰值,简化为

(4)

MOS管S2承受的最大电压为电池组B1和B2电压之和:

UMOS2=UB1+UB2≈2UB.

(5)

当MOS管S1关断时,如图3(b)所示,由于电感储能电流不能突变,此时二极管D2承受正向电压而导通。此时电感L和二极管D2构成对电池组B2的充电回路,将电感储存的电能释放到电池组B2,电感电流逐渐降低,电感电流的变换关系为

(6)

当电感电流降低至0时,二极管承受反向电压UB2而关断,电感储存的能量全部转移至电池组B2,完成了电能由电池组B1向电池组B2的传递。放电时间由电池组B2电压决定,关系为

(7)

式中:Td为电感电流的放电时间,在一个周期结束前电感电流需降低到0,因此满足:

(8)

因此,占空比需满足:

(9)

此阶段MOS管S1的最大反向电压为电源单元B1和B2的电压之和:

UMOS1=UB1+UB2≈2UB.

(10)

通过上述计算可以对MOS管S1、S2和电感L进行选型,并且限制占空比。

通过以上对均衡方式的分析可知,均衡模块工作时,流经各个电池组的均衡电流与主回路电流互不相干,所以电池组在放电模式、充电模式以及静置模式时均衡电路都能正常工作。

2.2 储能单元的健康管理

储能单元的健康管理策略包含:通过对各电池组的电压、电流、温度变化和充电次数等电子履历的记录和分析,实时提供电池剩余电量信息,并预测使用寿命。通过监控系统各节点特征,对异常状态(过压、过流、过温等)自动判断并智能决策,采用告警、安全切出或停机等不同级别的处理模式维持供配电系统的可靠运行和人员设备安全,系统异常诊断流程如图4所示。根据流程图可知,通过异常特征与数据库信息进行匹配,根据匹配系数和风险评估进行决策。随着数据库数据的完善和成熟,分析和排除故障将越来越准确,并极大缩短排除故障时间,对于武器装备的维修和后勤保障意义重大。

3 新型智能供配电系统

基于以上新型可重构技术拓扑结构和储能单元智能管理技术,搭建了新型智能供配电系统,其拓扑结构如图5所示,该系统可以构建出需要的直流母线电压,直接或者通过DC/DC变换器间接为不同负载提供电能,相对于传统供配电系统,能量来源更为广泛,发电机、储能电池、太阳能电池板都可以作为系统的能源输入。图5中控制单元用于将武器系统下达对供配电系统的指令转换成供配电系统对各个单元的控制指令,各个单元接受控制指令后进行相应的动作。

深入分析防空高炮武器系统的电能需求可知,高炮武器系统用电波动较大,存在短时大功率电能需求。笔者提出的新型智能供配电系统完全适应这种负载波动情况,通过运用可重构拓扑结构和智能控制技术,充分发挥了储能电池的短时大倍率放电的优势,可为系统提供短时、大功率能量输出。由于无需按照峰值功率设计发电机,因此,可以大大降低车载供电系统的体积质量,为武器系统节约宝贵的可用容积。提出的新型供配电系统方案可以满足防空高炮武器系统的电能需求,并为高炮的隐蔽性、突然打击能力和短时大功率输出特性提供了先进的技术保障,同时降低了车载供配电系统的体积质量。

以某防空高炮武器系统为例,传统供电方式是通过底盘发动机带动发电机发电作为唯一的能源来源,输出的交流电一部分直接为交流用电设备供电,另一部分转换为直流电后为直流用电设备供电。调查发现系统中交流用电设备内部仍需要将交流电转换成直流电后使用,因此经过合理化设计可采用全直流的供配电方式。在新型智能供配电系统中将主要采用全直流供电方式,减少了电能变换次数,降低了系统能量损耗。当发电机为交流发电机时,发电机输出经过整流滤波单元后与智能管理的可重构电池单元结构相连接。

典型的防空高炮武器系统作战时,功率需求如图6所示,各用电设备对功率需求差异大,功率分配极不均匀,在较长时间内,负载功率需求小,而在随动调转的极短时间内,功率需求大。短时高功率用电设备的存在使得传统配电网络在设计时必须按照峰值功率选择发电机,这种设计方式使得发电机在绝大部分时间段内工作在低功率输出转态中,浪费了发电机功率,并占用了系统宝贵的可用容积。在新型智能供配电系统中引入储能蓄电池,利用蓄电池大倍率放电的优良特性提供短时的大功率,将大大降低发电机的设计功率,有利于实现系统轻量化设计。

综上所述,与传统供配电技术相比,笔者所设计的智能供配电系统具有明显的优势,在智能火炮等装备静默值守状态或者隐蔽备战状态,功率需求较小,发电机不需要发动,系统完全由储能电池供电,相对于传统供电方式可以减少武器装备的作战准备时间。由于储能单元供电运行时无烟无声,增强了装备的隐蔽性和突然打击能力。在作战状态特别是随动等大功率设备投入运行状态时,需要发电机和储能单元共同提供电能,充分发挥储能蓄电池高倍率放电和可重构结构的稳压控制性能,以满足系统瞬时大功率的能量需求,同时可以使发电机工作在最佳模式。此外,储能单元的能量来源多元化,在行军或其他功率需求较小的工况下,储能电池组可由发电机进行充电,在静置状态或潜伏状态下可由光伏发电板进行能量补充。

4 结束语

笔者以智能化火炮战车为应用背景,提出了一种新型智能供配电系统,该系统更加适合武器装备向智能化和无人化的方向发展。重点研究了电池组可重构稳压控制技术和以该结构为基础的储能单元智能管理技术,结合某自行高炮作战时功率需求,通过科学的对比分析,证明所提出的新型智能供配电系统在满足战车常规功率需求的前提下,实现了供配电系统的轻量化和智能化,极大便利了维修性和后勤保障性,增强了系统隐蔽性和突然打击能力。