淺談通信車供配電技術的優化方法

秦 超， 馮振明， 談學超， 張軍剛， 侯洪濤

（1.總參某研究所，北京 100141；2.清華大學，北京 100084；3.北京眾華原創科技有限公司，北京 100075）

通信車現有的供電方式主要有：市電、發電機組、硅發（部分車由自發電取代）和蓄電池組等，其中發電機組是通信車使用頻率最高的供電設備，其配備的發電機組功率都是按照通信車的最大功耗需求進行配置，實際驗證和使用表明通信車的供配電能力存有大量冗余。

1 供配電能力冗余的原因

1.1 主要原因

（1）車輛功耗計算方法科學性不高

現有通信車車載設備功耗分析與供配電適應能力的工程設計仍然基于傳統的理念，車載電源總容量仍然是按照車載設備滿負荷運行時所有設備的功耗之和進行計算，再經效率和功率因數變換，最終得出需要配置的電源總容量。在此計算過程中，電臺功耗采取峰值計算，網關、交換機等網絡設備按照全負荷運行計算，計算機主機、顯示器按照滿功率計算。但在實際使用中，這些設備也很少一直全功率運行，甚至更少同時全功率運行。實際使用中，車載設備的總功耗大部分時間是個典型功耗[1]，只是偶爾出現短暫時間的大功率，所以按照全功率之和配置的電源大部分時間內存在冗余。現有電源容量配置的數學表達式如下：

式中：P為系統設備功耗總和；Pi（max）為第i個設備的功耗峰值，若有冷熱設備，則取兩者中的最大值即可。

（2）供配電方式不完善

在現有的通信車電源供配電方式設計中，只注重各個電源獨立供電和優先供電能力建設，忽視限制了電源之間協作互補供電能力的建設。

圖1是現有的綜合電源內部結構圖，交流電優先于電池進行供電是依靠對AC/DC功率模塊和線性穩壓電路的輸出電壓進行差別化設定而實現的。比如AC/DC功率模塊的輸出電壓設定為25.7 V，線性穩壓電路的輸出電壓設定為25.2 V，這樣即使在額定輸出條件下，只要存在交流輸入，那么電池組就不能通過線性穩壓電路向負載進行供電。

圖1 綜合電源內部原理圖

1.2 其它原因

（1）發電機組型譜的限制

發電機組型號主要是小功率車載發電機組，型號為0.5～12 kW，共6個功率等級，可選擇性較少。

根據現有供配電計算方法進行發電機組的選配過程中，由于發電機組型譜的限制，一般很少找到完全和計算結果相同或相近的發電機組，為保證理論配電需求，實際選擇的結果常常是偏大的。比如：計算結果需要配置3.8 kW的電源，但實際上沒有這種功率的發電機組，在發電機組型譜中靠近3 kW的只有3和6 kW，按照現有理論此時只能選6 kW，致使冗余較大。

（2）電源可靠性的限制

為提高電源的可靠性采取冗余備份原則進行配置，也就是增加冗余量進行可靠性保障。

（3）電能變換級數多，電源效率低

現有發電機組發出的中頻交流電，先后經過了多級變換供設備使用，整體轉換效率較低。

2 電源冗余的解決方法

2.1 功耗計算方法優化

最大功耗只是要求供配電系統在有限的短暫時間里能夠超負荷支撐的能力，平均功耗只是對供配電系統儲備裕度的最低要求，而典型任務模式下的供配電系統適應能力才是常態化的主需求[1]。參照車載設備典型任務模式及典型工況的功耗分析方法，將該方法進行優化：（1）取消了“供配電系統短期超載設計適應能力應不低于任意受供有線通信和傳輸、計算機、網絡類單設備名義待機功耗的三倍”的限制；（2）電源配置不再完全按照典型功耗進行計算，而是按照平均功耗與典型功耗相結合進行計算。車載設備的電源容量配置按照下式建立系統配電模型進行計算。

其數學表達式如下：

式中：Pz為系統設備功耗總和；Pti（max）為第i個分時設備組名義功耗峰值；Ppci（nom）為第i臺計算機主機設備名義功耗[2]；Pradio/router/switchi（nom）為第i臺電臺、路由或交換設備名義功耗；P1為發射功率；P2為接收功率；收發比為 3比 1；Pelsei（max）為第i臺其它設備名義功耗峰值，按照車載設備典型功耗計算方法，發電機組的配置功率得到一定程度的降低，但在實際使用中所有設備不可能完全按照我們的算法工作，會出現偶爾或短暫時間的大功率運行現象，為解決這一現象帶來的問題，可以給綜合電源添加輔助電路進行供電模式優化。

2.2 供電模式優化

該優化的主要思想是在車載設備功耗短時超過發電機組最大輸出功率時，也就是在發電機組功率不能滿足車載設備功耗使用要求時，蓄電池組將分擔部分功率，給發電機組提供短時的功率援助。做法是綜合電源利用蓄電池組庫存緩沖功能，在單片機統一管理下，通過增加和更改電路實現蓄電池組和發電機組同時向設備供電的方法。

為實現蓄電池組和發電機組的聯合供電功能，有兩種供配電方式：

（1）用電設備分組供電

按照設備用電等級、用電功率或使用頻率等將用電設備分為主要設備和次要設備、立即用電設備和延遲用電設備，電臺、交換機等屬于主要設備也就是來電后立即加電設備，顯示器，加熱風機等屬于次要設備也就是來電后可延遲加電設備，在延遲用電設備的供電電路中加入延時電路或電流緩沖電路以防止開機時的電流沖擊。

用電設備模塊化分組運行原理圖見圖2所示，當發電機組的負載電流kA1大于設定值M時，繼電器2自動閉合，繼電器1延遲繼電器2閉合一定時間后自動關閉，此時發電機組將負載A甩掉，專供負載B，設備A轉由蓄電池組供電；當負載電流kA1+A2之和小于設定值M一定條件時，繼電器1將會自動閉合，繼電器2延遲繼電器1閉合一定時間后自動斷開，設備A恢復發電機組供電，此時發電機組的多余電能根據情況需要對蓄電池組進行充電。

圖2 分塊供電原理圖

其中電池組模塊所接設備功率的大小等于傳統算法與優化功耗算法的差值。繼電器的開關控制門限可根據電流KA1需要進行調整。

該外圍電路主要采取單片機進行控制，輔助電路主要包括霍爾電流檢測設備，繼電器、限流器、二極管、比較器、延遲開關、單片機及管理程序等。

單片機程序控制流程：開機后主要設備先加電，次要設備延遲一定時間后加電；當發電機組電流KA1大于設定值M一定時間時，繼電器2自動閉合，繼電器1自動斷開；當kA1+A2小于設定值M一定時間時，繼電器2自動斷開，繼電器1自動閉合。

（2）電源并聯供電

圖3 并聯輔助電路圖

并聯輔助電路見圖3所示，在綜合電源外圍添加輔助電路實現。當發電機組輸出功率達到極限時，繼電器自動閉合，實現綜合電源與蓄電池組的聯合供電。當車載設備功耗小于發電組功率時，恢復發電機組單獨供電。由于電池組滿電時電壓高于AC/DC功率模塊輸出電壓，所以該電路的實現關鍵點是電池組電壓與綜合電源AC/DC功率模塊輸出電壓的匹配、繼電器的開關時間和電池組電流的輸出限制，充電功率與放電功率的關系等。

為實現綜合電源AC/DC功率模塊輸出電壓與電池組輸出電壓的匹配，進行電路部分改造，添加DC-DC模塊或由DC-DC替換線性穩壓電路。為實現繼電器開關的自動控制和電池組并聯時的電流控制，編輯管理程序進行單片機管理。為保證電池組在正常使用狀態下不虧損，按照優化后的典型功耗方法計算。綜合電源改造后的原理如圖4所示。

圖4 綜合電源改造后的原理圖

將綜合電源原來的線性穩壓電路更換為DC-DC穩壓電路，此時當電池電壓在正常范圍內時，穩壓電路的輸出不再隨電池電壓的變化而變化。在發電機組供電模式下，只有當車載設備總功耗大于發電組功率時，蓄電池組才參與供電，蓄電池組達到限流值后，其輸出電流不再增加，而是由其AC/DC主電路功率模塊承擔；而當車載設備總功耗小于發電機組功率時，電池組不參與供電，只有發電機組單獨供電。蓄電池組的限流值根據需要進行調整。

優化方法比較：分塊供電電路較簡單，設計和電路改造較易理解、易控制，但電源切換時存在電壓不穩定沖擊；并聯供電電路相對復雜，但是輸出電壓穩定度較高，可靠性也較高，而且設備不需要分組，但存在自激的可能。

以上兩種方式均可實現在交流供電狀態下，蓄電池組參與對直流負載的供電。

3 工程應用與實踐

設備功耗分析以XXX通信車為例進行描述[1]。

（1）按照傳統方法進行功耗統計分析

對各設備功耗統計如表1所示。

由統計得知：直流最大功耗：Pmax－D=1 877.5W；直流平均功耗：P average－D=975.5W；車輛具有取暖和制冷兩種功能，在實際工作中制冷時，取暖設備不工作。制冷功耗大，所以按制冷狀態核算車輛的最大功耗，計算過程如下：

市電、油機為交流電，需將直流耗電轉換為交流電。在電源轉換過程中，電源轉換效率、電源功率因數對轉換有一定影響，必須加以考慮。現設定電源轉換效率為80%，電源功率因數為95%。

電源轉換效率：η=0.80×0.95=0.76；

最大交流功耗：P max－A=(1 877.5－150)/0.76=2 273W；

平均交流功耗：P average－A=(975.5－80)/0.76=1 178W。

考慮到高溫狀況下交流空調供電功耗為1 250W，核算出最大功耗為：

表1 設備功耗傳統方法統計表

當不使用交流空調器，使用暖風機時：核算出最大功耗為：

根據計算結果可知，本車需選用一臺輸出功率大于3 523W的發電機組，對應我軍現行發電機組型譜應該選用6 kW發電機組才能滿足使用要求。

（2）采用基于優化算法的設備功耗統計分析

首先將功耗統計表1轉換為表2。

由統計得知：直流總功耗：P max－D=1 387W；直流平均功耗：P average－D=975.5W

市電、油機為交流電，需將直流耗電轉換為交流電。在電源轉換過程中，電源轉換效率、電源功率因數對轉換有一定影響，必須加以考慮。現設定電源轉換效率為80%，電源功率因數為95%。

電源轉換效率：η=0.80×0.95=0.76；

最大交流功率：P max－A=(1 387－150)/0.76=1 628W；

平均交流功率：P average－A=(975.5－80)/0.76=1 178W。

考慮到高溫狀況下交流空調供電功耗為1 250W，核算出最大功耗為：

當不使用交流空調器，使用暖風機時，核算出最大功耗為：

表2 基于優化算法的設備功耗統計表

根據計算結果可知，選用一臺輸出功率為2 878W的發電機組后，余下的645W（傳統算法和優化算法差值）可由蓄電池組進行臨時保障，也就是可在我軍現行發電組型譜中選用3 kW發電機組即可滿足要求，而不用再選擇6 kW發電機組。

4 結束語

通過對綜合電源供電方式進行改造優化，可以實現以下功能：減小了電源冗余量。通過降低發電機組的功率配置，降低了電源冗余量；提高了電源的安全可靠性，保護了發電機組。避免電流過大損壞發電機組。還可在發電機組和蓄電池組都不能單獨供電滿足要求的情況下，兩者可共同供電；提高了車輛的機動性能[1]。電源冗余量的減少，使輸出供配電系統設備占用的有效載荷比重明顯降低，降低了車輛質量，提高了機動性。

[1]談學超，張軍剛.軍用通信車系統功耗需求分析和電源系統設計方法研究[J].通信電源技術，2011，28(4)：47-49.

[2]徐向文.計算機的節能管理[J].華東交通大學,2008(1)：248-251.