軍用電傳動車輛高壓電源管理

項　宇，劉春光，魏曙光，張傳海，李嘉麒

(1.裝甲兵工程學院 陸戰平臺全電化技術重點實驗室，北京　100072;2.裝甲兵工程學院 學員一旅，北京　100072)

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軍用電傳動車輛高壓電源管理

項宇1，劉春光1，魏曙光1，張傳海2，李嘉麒1

(1.裝甲兵工程學院 陸戰平臺全電化技術重點實驗室，北京100072;2.裝甲兵工程學院 學員一旅，北京100072)

為解決軍用車輛混合動力系統高壓電源的管理難題，設計了一種電力綜合控制箱，并開展了基于電力綜合控制箱的車輛電源管理技術研究，制定了雙向DC/DC電壓環和電流環并聯控制方案；設計了基于DC/DC的超級電容兩階段預充電控制策略以及動力電池輸出控制算法。試驗結果表明設計的電力綜合控制箱及其控制算法實現了對系統高壓電源的統一檢測及優化控制。

電氣工程；軍用電傳動車輛；混合動力系統；電源管理；電力綜合控制箱

隨著新軍事變革持續推進，部隊急需新型的陸戰平臺，而目前機械傳動車輛發展潛力有限，因此，在機動、防護、火力等性能均有遠大發展前景的軍用電傳動車輛是未來陸戰平臺的發展方向之一，成為各軍事強國研究的熱點[1-3]。同時，新技術的不斷應用使軍用電傳動車輛在結構形式、動力源構成、部件單點技術等方面均發生了深刻變化，軍用車輛混合動力系統成為軍用電傳動車輛的能源基礎[4-6]。

筆者研究了一種以發動機-發電機組為主能量源，動力電池和超級電容作為輔助動力源的串聯式軍用電傳動車輛混合動力系統。發電機整流器采用可控整流，能夠實現對發動機-發電機組的輸出控制。動力電池通過雙向DC/DC功率變換器與發動機-發電機組輸出匹配，滿足負載功率需求。直流母線并聯超級電容和能耗裝置，利用超級電容抑制母線電壓波動，由能耗裝置消耗過多能量，保證高壓安全。系統負載為8個電機驅動車輛行駛。動力源輸出具有多種組合方式，系統要求各動力源在車輛不同工況下能夠靈活投切，實現能量合理分配及故障檢測與保護[7-10]。

筆者通過對混合動力系統的配電方式及結構布局進行分析，設計了電力綜合控制箱為主體的高壓電源管理系統，對整車電源進行統一監測及控制。最終通過樣機試驗對電力綜合控制箱的性能進行了驗證。

1　電力綜合控制箱方案設計

設計的電力綜合控制箱結構如圖1所示，其功能為實現系統高壓部分統一配電、監控及管理，將各動力節點的邏輯、采樣及保護等功能集中到一個控制箱內，構成高壓配電系統控制器。這種結構中，動力節點只與電力綜合控制箱連接，節點之間沒有連接關系，便于部件的檢修及布局。

電力綜合控制箱工作流程為：

1)系統低壓配電完成后，首先啟動冷卻電機，然后接收配電請求信號，根據預充電方案進行超級電容預充電，預充完成后把超級電容掛接到高壓母線，啟動冷卻風扇。

2)根據系統動力模式指令(混合動力或靜音行駛)判斷發動機-發電機組是否掛接到高壓母線。

3)雙向DC/DC根據接收的上位機指令實現動力電池的充放電控制。

4)系統工作過程中控制箱根據各檢測模塊采集各部件的工作電壓和電流，判斷其工作狀態是否正常，切斷故障部件并將狀態信息上報至上位機。

5)當車輛停止運行，控制箱收到斷電請求后，首先切斷動力電池、發動機-發電機組及冷卻風扇。

6)控制箱收到超級電容放電請求后導通IGBT，制動電阻將超級電容放電至20 V，然后關斷IGBT。

7)斷開所有開關，切斷低壓配電。

2　基于綜合控制箱的電源管理

2.1DC/DC結構及控制方案

在動力電池和直流母線之間采用雙向DC/DC變換器作為能量傳輸單元，可以實現動力電池和主動力源輸出解耦，是重要的電源管理執行機構。為保證電源管理效果，對DC/DC控制要求如下：電池充電時電流波動小并具備限壓功能，防止電池過壓；電池放電時響應速度要快，盡快滿足負載需求，同時限制電池輸出電流大小，防止電池過放電。

基于以上需求，設計的雙向DC/DC主電路拓撲結構如圖2所示。該DC/DC由2個橋臂組成，每個橋臂的低壓側增加1個飽和電感，分別為L2、L3。2個橋臂在1個周期內相位相差180°。其中，T1和T2為功率管，2個功率管組成1個橋臂；L1為儲能電感，起到續流作用；C1、C2為支撐電容，起到穩定母線電壓的作用；UL為低壓側；UH為高壓側。

2.2超級電容預充電控制

筆者設計的綜合電力系統結構中，由動力電池及超級電容組成復合儲能單元。系統正常工作時，動力電池位于低壓側，超級電容位于高壓側。系統啟動時，如果超級電容電壓低于動力電池電壓，動力電池輸出將不可控，需要首先對超級電容進行預充電，使其電壓達到理想的母線電壓值。在不增加系統部件并滿足預充時間要求的基礎上，筆者提出基于雙向DC/DC的兩階段預充方案。預充方案硬件連接關系如圖4所示。

圖4中，K1、K2、K3、K4為高壓接觸器，通過4個接觸器的不同組合，使動力電池和超級電容分別投切到雙向DC/DC的低壓、高壓側。設計兩階段預充電控制策略如下：

第1階段：系統上電之前，首先檢測超級電容的端電壓Ucap與動力電池的端電壓Ubatt之差，是否滿足關系式：

Ubatt-Ucap>imax1(Rbatt+Rcap)

(1)

式中：imax1為預充電第1階段允許的最大充電電流；Rbatt和Rcap分別為動力電池和超級電容內阻。

如果滿足式(1)，則需要對超級電容進行預充電，將K1、K2斷開，K3、K4閉合。雙向DC/DC工作在buck模式，按照定電流模式由動力電池給超級電容進行充電，通過DC/DC控制充電電流。根據DC/DC的特性可知，此時DC/DC的上橋臂處于全部導通狀態，超級電容和動力電池的電壓差只有開關管壓降UT1，超級電容的最大預充電電壓Ucap_max為

Ucap_max=Ubatt-UT1

(2)

第2階段：電容電壓達到Ucap_max時，預充第1階段結束，關閉DC/DC，將開關K3、K4斷開，K1、K2閉合，把動力電池切換到低壓側，DC/DC進入boost模式，按照定電流將超級電容電壓升到目標電壓值，imax2為預充電第2階段允許的最大充電電流。

2.3電池充/放電控制

通過雙向DC/DC實現動力電池的充放電控制，發動機-發電機組輸出通過調節可控整流器目標電壓控制，是發動機-發電機組、動力電池和超級電容間輸出的解耦的基礎。解耦方式有3種：一是直接控制發動機-發電機組和DC/DC的輸出功率；二是控制發動機-發電機組的輸出功率，DC/DC輸出穩壓；三是發動機-發電機組輸出穩壓，控制DC/DC的輸出功率。其中，頂層功率分配的誤差會對第1種解耦方式控制效果產生較大的影響；采用第3種方式時，負載的擾動會施加到發動機-發電機組，發動機轉速波動較大，增加了損耗；而第2種方式不僅能夠使發動機動態過程更加平穩，也能盡量發揮動力電池提供輔助功率的快速動態響應特性，在此采用第2種方案。由于超級電容不可控，因此電池放電時DC/DC目標電壓和發動機-發電機組輸出時的整流器目標電壓(750 V左右)之間是超級電容放電時的工作范圍。因此，動力電池與IGPU間的匹配特性決定了是否能夠充分發揮超級電容的充放電能力。

采用第2種解耦方案時，DC/DC接收來自中央控制器的電壓電流指令為：

3　試驗系統搭建

為檢驗電力綜合控制箱結構設計及電源管理的有效性，利用現有的試驗設備，模擬車輛行駛過程中的負載變化，對方案進行驗證，試驗系統連接方案如圖5所示。

由于試驗條件的限制，并沒有連接發動機-發電機組；2臺高壓直流電阻箱代替實際驅動電機負載，電阻箱采用預設負載給定方式，通過上位機調試軟件進行設置，由虛擬網線將指令發送到電阻箱；動力電池、超級電容、電力綜合控制箱(包含雙向DC/DC變換器)為試驗樣機。系統參數如表1所示。

表1　系統試驗參數

4　試驗驗證

4.1預充電試驗

4.1.1超級電容初始電壓為75 V

超級電容初始電壓為75 V時，試驗結果如圖6、7所示。

圖6、7中，整個預充電過程約58 s。第1階電池放電電流約80 A，根據功率守恒，超級電容充電電流較大，超級電容電壓迅速上升至與電池電壓相近。第2階動力電池最大放電電流達到200 A，將超級電容充電至700 V。

4.1.2超級電容初始電壓為660 V

超級電容初始電壓為660 V時，試驗結果如圖8、9所示。

根據試驗結果可知，由于超級電容電壓高于電池電壓，根據預充方案，開始配電時直接進入預充第2階段，動力電池通過DC/DC升壓放電，將超電容充電至700 V后進入穩壓狀態。

4.2加載試驗

由圖10可知，突加負載時，由于DC/DC處于穩壓階段，首先由超級電容滿足負載需求，母線電壓下降，DC/DC響應輸出，維持母線電壓在700 V。當在40 s加載3.5 Ω電阻時，如圖11所示，電池達到200 A放電限流值，DC/DC限流輸出，此時超級電容放電，母線電壓下降。在60 s時減載為6.4 Ω電阻，DC/DC持續大電流輸出，超級電容充電，母線電壓回升到700 V。

4.3電池充電試驗

在母線700 V條件下，給定電池電流80 A，給動力電池充電。試驗結果如圖12、13所示。

據圖12、13可知，開始充電后，電池充電電流約80 A，母線電壓下降。在約108 s時，母線電壓與電池電壓接近，充電電流減小，最終接近0，此時母線電壓和動力電池電壓基本相等。在156 s時，停止發送電池充電指令，此時電力綜合控制箱自動進入預充第2階段，最終母線電壓維持在700 V。

根據以上試驗結果可知，電力綜合控制箱具備電池輸出穩壓、定電流充電、限流保護等功能；各動力源切換及配電控制邏輯正確；達到了預期的研制目標，滿足裝車應用要求。

5　結束語

為了實現對軍用車輛混合動力系統高壓電源的統一檢測與控制，筆者設計了一種電力綜合控制箱并制定了基于電力綜合控制箱的系統高壓電源管理策略。試驗結果表明電力綜合控制箱很好地實現了對系統高壓電源的統一監測及管理，為實車試驗及后續的軍用電傳動車輛研究打下基礎。

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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

軍隊預先研究項目(40401010101)

項宇(1987—)，男，博士研究生，主要從事裝甲車輛電傳動技術研究。E-mail：519266224@qq.com

劉春光(1980—)，男，博士，主要從事軍用電傳動車輛總體技術研究。E-mail：liu_mu2000@163.com

TJ81

A

1673-6524(2016)01-0040-05