基于無人平臺的動力源集成化技術研究

王文兵

（合肥同智機電控制技術有限公司，安徽 合肥 230088）

1 動力源系統集成化技術研究分析

當前基于無人平臺衍生出的新型作戰方式極大推動了無人作戰系統的發展，以美國為代表的西方軍事強國一直致力于地面無人系統的研發，不僅制定了雄心勃勃的發展規劃，而且率先將地面無人系統應用于實戰[1]。地面無人平臺動力源是地面無人平臺系統中的核心組成部件，它是地面無人系統關鍵技術突破、全面推進地面無人系統技術體系發展的裝備載體[2]。同時，地面無人系統關鍵技術包括機動平臺技術、自主行為技術、指揮控制技術以及任務載荷技術等，其中機動平臺技術是地面無人系統實現自主機動的基礎。能源與動力技術是關鍵技術之一，開展輕型通用無人平臺動力源集成化技術研究，是通用無人平臺行走與驅動系統對動力源的迫切需求，動力源集成化技術需要重點突破高功率密度發電、儲能、電源變換及輸配電管理等關鍵技術。

2 國內外研究現狀

美國的動力源集成技術中普遍采用永磁發電機和鋰電池組，其最新研制是129 kW柴油機搭配兩臺410HVH HT電動機，UQM-200發電機可持續輸出功率為120 kW，峰值功率為200 kW，兩塊LiFePQ4鋰電池組作為備用動力源。英國最新的動力源集成是通過E-X-Drive電傳動裝置匹配兩臺MTU公司6R 890發動機，MTU發動機和車載電池聯合工作時能產生1400 kW的輸出功率，使車輛能夠配備更多種類的電子系統和武器系統。德國最新的動力源集成中電機采用新型電磁結構和內部液體冷卻方式，峰值功率密度達到2.5 kW/kg。目前，國內主要集中研發動力源系統中的單體設備，在混合動力源系統集成、能量綜合管理方面研究較少。

3 系統設計方案

隨著國防科技的迅猛發展，無人化與智能化已經成了現代戰爭的重要發展趨勢[3]。通過分析動力源系統國內外研究現狀可知，國外除了對高功率密度發動機、發電機以及儲能技術進行研究外，動力源系統集成技術和能量綜合管理技術也是研究的重點。針對此現狀，本方案對動力系統集成、能量綜合管理技術進行了研究，并提出設計方案，所設計的動力源系統功能和相關性能指標要求如表1所示。

3.1 系統組成

為滿足動力源系統功能完整性要求，同時遵循集成化、模塊化、輕量化以及可擴展化設計原則，采用各功能模塊集成為分系統，各分系統集成為動力源系統的設計方案。本方案通過把能源系統視為一個整體加以發展，以整個無人平臺性能最優為目標而不是追求某個單項功能達到最佳。本方案通過對動力源系統功能進行規劃和布置，將動力源系統設計為發動機-發電機組（包括動力裝置、發電裝置、發電控制、油箱等）、儲能蓄電池組（包括鋰離子電池組、電池管理系統等）以及能量管理單元（包括DC/DC電源變換、鋰離子電池組充電組件、配電管理和狀態監測等）3個分系統，如圖1所示。各分系統通過CAN總線實現信息的交互和能量流動及管理，通過通信接口的互聯實現信息的交互。各接口之間采用電纜實現柔性連接，使得動力源系統結構簡單、功能獨立，較好地實現了動力源系統的集成化、模塊化、輕量化設計，提高了無人戰車驅動系統的動力性能。

圖1 動力源系統組成

3.2 系統原理

動力源系統原理如圖2所示。發動機-發電機組經發電機發電、發電機控制器可控整流后輸出500～600 V高壓直流電并與儲能蓄電池組直流528 V輸出并網后供給能量管理單元，能量管理單元通過DC/DC穩壓組件實現1路直流12 V可控輸出和1路直流24 V可控輸出，通過高壓接觸器與配電模塊實現4路直流528 V可控輸出，并通過充電組件實現為儲能電池組的充電功能，具有高壓母線過壓保護、過流保護、絕緣檢測等功能以及配電輸出過壓、過流、漏電流等保護功能。

圖2 動力源系統原理

發動機-發電機組、儲能蓄電池組以及能量管理單元之間通過CAN總線通信，發動機-發電機組和儲能蓄電池組將運行信息上傳至能量管理單元，實現系統運行的集中管理。

動力源系統的集成化、模塊化以及量化設計在滿足輕型通用無人平臺對動力源功能與性能需求的同時，提升了輕型通用無人平臺的載荷能力，可以搭載更多的作戰武器系統。采用模塊化、可擴展化的設計，方便將動力源系統應用到同類需求的無人平臺，使性能得以不斷提升。高功率密度能源系統任務保障力將更強，由于采用混合動力源系統，發電機和儲能蓄電池可以同時輸出提供峰值功率，滿足任務系統的需求。

表1 系統功能和性能指標

4 分系統方案先進性分析

4.1 發動機-發電機組

發動機-發電機組由微型燃機、盤式永磁無刷發電機、減速器、控制器、液冷系統以及油箱等組成，如圖3所示。其中微型燃機由徑流式葉輪機械（包括向心式透平與離心式壓氣機）和燃燒室等構成；減速器由齒輪箱和潤滑系統組成；盤式永磁無刷發電機采用盤式結構，同時利用液冷系統對其散熱；液冷系統由液冷泵、液冷箱和散熱器組成。電機控制器是該系統中的核心部件，能夠實現電機的電動和發電兩種工作狀態。

圖3 發動機-發電機組原理

4.2 儲能蓄電池組

近些年，全球可再生能源占全部能源的比重繼續增加，我國的可再生能源行業也進入快速發展時期，但是由于可再生能源轉化為電能時存在間歇和不可控的特性，如果其直接大規模接入電網，則會給電網帶來很多不可控因素，如電網調峰困難、電網頻率和電壓容易出現較大波動等[4-7]。為了高效利用可再生能源，同時減少其對電網穩定性的沖擊，儲能技術發揮了重要作用[8]。增加儲能環節作為可再生能源與電網之間的過渡階段，可以有效降低不可控因素帶來的風險[9]。電池管理系統在儲能系統中占有很重要的作用，由于過充、過放以及溫度變化對電池性能影響很大，長時間過充過放會嚴重影響電池壽命，增加儲能系統的維護成本，因此電池管理系統（ Battery Management System，BMS）的主要作用是減少儲能系統運行時持續維護的費用，提高電池循環壽命和系統可靠性[10]。

儲能蓄電池組主要由儲能蓄電池組多模組、電池管理系統、接口線束、穩壓DC/DC模塊、接觸器、斷路器以及電連接器等組成。其中：儲能蓄電池組由3個儲能蓄電池模組，共144支三元鋰電池串聯組成；電池管理系統主要由主控和從控電池管理系統組成，從控分布在箱內儲能蓄電池組模組周圍，對箱內各儲能蓄電池組模組中的單體電池進行電壓和溫度采集，并進行均衡管理。

在規定的壽命期及工作環境下，儲能蓄電池組具有充、放電功能，均衡管理功能，單體及模組電壓、電流檢測功能，剩余容量預計功能，保護及故障上報功能。正常工作環境下，儲能蓄電池組對負載進行不間斷直流供電，由電池管理系統實時采集儲能蓄電池組模組的電壓、電流以及各單體電池的電壓與溫度，并進行均衡管理。對上位機和充電機進行通信，并在必要時采取保護措施實現儲能蓄電池組模組和多模組的過壓、過流、欠壓以及過溫保護。儲能蓄電池組電氣原理如圖4所示。

圖4 儲能蓄電池組電氣原理

4.3 能量管理單元

能量管理單元原理如圖5所示，閉合電源開關，上電工作，自檢高壓母線電壓和絕緣電阻，檢測輸出回路閉環狀態。儲能蓄電池組電池開關閉合，高壓電池接入能量管理單元，配電模塊5檢測電池輸入電壓正常，通過預充電模塊和接觸器K6向DC/DC充電組件、DC/DC組件（直流12 V）、DC/DC組件（直流24 V）以及發電機控制器進行預充電，充電電壓達到輸入電壓97%時預充電結束，關閉接觸器K6和預充電模塊，接通電池主回路接觸器K5，電池接入高壓直流母線。發電機開啟后，發電機輸入并入能量管理單元高壓直流母線。

圖5 能量管理單元原理

5 結 論

本方案針對通用無人平臺動力源集成化總體技術要求展開了相關技術研究，重點突破可配置集成化動力源設計和可擴展電池管理系統技術。實現了動力源系統集成化、模塊化以及可擴展化，解決了無人平臺不能高效地從動力源索取能量以及在動態狀態下不能安全及時對能量信息進行管理的問題。