新型智能供配電系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)研究

王軍雄，任人，馬海峰，李文番，王垚雄，石志翔

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著機(jī)械、電子、信息和人工智能的發(fā)展進(jìn)步,武器裝備逐步向智能化、無人化方向發(fā)展[1-3]。智能化裝備系統(tǒng)將作為重要組成部分與現(xiàn)有裝備系統(tǒng)一起完成火力打擊、偵查、布雷設(shè)伏等任務(wù),特別是在條件惡劣、危險(xiǎn)和枯燥的任務(wù)環(huán)境下,如偏遠(yuǎn)島礁、高原、荒漠等,智能化裝備體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[4-5]。在智能裝備發(fā)展方面,美軍投入最大、發(fā)展最快的是地面自主車輛項(xiàng)目、班組任務(wù)保障系統(tǒng)無人車等多個(gè)項(xiàng)目,俄羅斯國防部早在2013年成立了機(jī)器人技術(shù)科研試驗(yàn)中心,負(fù)責(zé)自主裝備的研發(fā)和生產(chǎn),此外德國、以色列、法國、意大利等國家都積極研發(fā)和布局智能武器裝備系統(tǒng),我國在智能裝備上也取得了長足的進(jìn)步,智能火炮、無人機(jī)等技術(shù)不斷創(chuàng)新[6-7]。

在智能武器裝備中,供配電系統(tǒng)的智能化是一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容,涉及裝備的指揮、控制、火力等多個(gè)方面,直接關(guān)系到裝備的整體戰(zhàn)技性能和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。武器裝備一方面需要充足的能源供應(yīng),另一方面需要盡量小的體積和質(zhì)量[8]。此外希望能源的供應(yīng)方式是分布式、多樣化的,以適應(yīng)不同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。以油料作為唯一能源供應(yīng)的傳統(tǒng)方式已經(jīng)無法同時(shí)滿足上述需求,并且能量轉(zhuǎn)換率偏低、易燃易爆、噪音大、紅外特性強(qiáng),這些特性使得裝備沒有足夠的安全性和隱蔽性,難以適應(yīng)智能化裝備的發(fā)展[9-10]。隨著儲(chǔ)能技術(shù)和電力電子技術(shù)的跨越式發(fā)展,混合動(dòng)力系統(tǒng)在智能化車載系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)不斷凸顯,成為國內(nèi)外新型無人/有人裝備研制的重點(diǎn)。為了適應(yīng)武器裝備智能化的發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)能源供應(yīng)的新需求,現(xiàn)有供配電系統(tǒng)性能有待提升,新型供配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)有待進(jìn)一步探索[11-13]。

基于此,筆者以智能火炮戰(zhàn)車為應(yīng)用背景,分析了新型可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理和應(yīng)用優(yōu)勢(shì),研究了供配電系統(tǒng)中儲(chǔ)能單元的智能管理技術(shù)。將兩者優(yōu)勢(shì)相結(jié)合搭建了新型智能化供配電系統(tǒng),應(yīng)用靈活的可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和蓄電池高倍率放電特性滿足系統(tǒng)不同工況下的能量需求,應(yīng)用儲(chǔ)能單元的智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的智能可靠運(yùn)行,保障電池組的一致性,提高故障檢測(cè)效率。

1 新型可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

模塊化的電池組以及可重構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為設(shè)備的維修和保障提供了極大的便利。筆者基于模塊化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能單元,儲(chǔ)能單元由多個(gè)電池組經(jīng)過可重構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)在一起組成。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,每個(gè)電池組包含一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的A+B開關(guān)組和隔離開關(guān)C,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。這種設(shè)計(jì)可以通過控制器將電量不足或者發(fā)生故障的模塊及時(shí)切出電路,通過控制隔離開關(guān)C實(shí)現(xiàn)故障電池組與正常電路的物理隔離,防止故障電池組負(fù)極故障接殼影響主回路。用電量充裕的模塊代替其繼續(xù)工作,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。由于這種結(jié)構(gòu)半橋開關(guān)器件承受的反向電壓僅和電池組電壓有關(guān),與輸出母線電壓無關(guān),因此開關(guān)器件耐壓值可以較低,選型極為便利。

通過控制半橋結(jié)構(gòu)中兩個(gè)開關(guān)的狀態(tài)可以將某個(gè)電池組投入或切出系統(tǒng),如圖1所示。開關(guān)A和開關(guān)B的控制脈沖需要加入死區(qū),避免橋臂直通造成電池組的短路。當(dāng)開關(guān)A閉合開關(guān)B打開時(shí),該電池組接入系統(tǒng),如圖中電池組n#;當(dāng)開關(guān)B閉合開關(guān)A打開時(shí),該電池組切出系統(tǒng),如圖中電池組1#。輸出狀態(tài)時(shí)如圖1(a),電池組端電壓隨著電量的降低而降低,通過控制橋臂的開關(guān)狀態(tài)控制投入電池組的數(shù)量實(shí)現(xiàn)輸出電壓的粗調(diào)節(jié)。為了得到穩(wěn)定不變的輸出電壓需要對(duì)其進(jìn)行精調(diào),借用BUCK電路穩(wěn)壓原理對(duì)輸出電壓進(jìn)行精調(diào),經(jīng)過脈寬調(diào)制技術(shù)控制投入電池組個(gè)別開關(guān)A的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓。充電狀態(tài)如圖1(b)所示,充電能量來源可以是發(fā)電機(jī)也可以是新型清潔能源。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)電池組的剩余電量、端口電壓、溫度等參數(shù)信息,制定充電策略并實(shí)時(shí)調(diào)整。通過控制橋臂開關(guān)狀態(tài),將無需充電的電池組切出充電回路,將需要充電的電池組接入充電回路,通過脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流的精確控制。

采用可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得高壓直流母線電壓的設(shè)計(jì)方法相對(duì)于直接將電池組串聯(lián)得到高壓直流母線電壓方法有較大的優(yōu)勢(shì)?？芍貥?gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電池組實(shí)現(xiàn)了模塊化,便于維修和保障;系統(tǒng)可以在不掉電的情況下切出故障電池組同時(shí)切入正常電池組延長了系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間;可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中無需用到高壓器件,所用元器件所受的最高耐壓為電池組電壓,因此元器件選型方便且可靠性可以得到保障。

2 儲(chǔ)能單元的智能管理技術(shù)

2.1 儲(chǔ)能單元中電池組均衡管理

目前電池組內(nèi)部的均衡管理較為成熟,但電池組之間均衡管理研究較少。與常見的新能源汽車中的儲(chǔ)能單元相比,本系統(tǒng)儲(chǔ)能單元的電池組多,且采用新型可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在應(yīng)用過程中存在電池組的切入/切出操作,使得不同電池組之間的電量存在差異,需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡管理。此外由于電池在生產(chǎn)加工過程中工藝和精度的差異使得電池組內(nèi)部參數(shù)無法保持一致,并且隨著充放電次數(shù)和時(shí)間的推移差異會(huì)逐漸增大。若不采取相應(yīng)措施將導(dǎo)致部分電池工作不穩(wěn)定、壽命降低,嚴(yán)重情況將造成電池?fù)p壞。因此,必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)電池組狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)電量均衡處理。

電池組電量估算即SOC估算,是儲(chǔ)能單元智能管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。采用安時(shí)積分法+開路電壓法進(jìn)行SOC估算。安時(shí)積分法的基本原理如下:

(1)

式中:α為自放電及老化因素的修正因子;SOC0為剩余電量的初始值,利用開路電壓與剩余電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到;C為總?cè)萘?η為庫倫效率,代表了充放電過程中的電量耗散。

電池SOC估算過程中運(yùn)用了開路電壓UOC與電池剩余電量SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到初始SOC0。隨后通過積分運(yùn)算獲得電量的變化量,初始值減去變化量將得到當(dāng)前SOC。

為了解決電池組之間不均衡的問題并且保證系統(tǒng)可靠性和安全性,設(shè)計(jì)了Buck-Boost雙向電路結(jié)構(gòu),如圖2所示,均衡電路由電感L和兩個(gè)MOS管S1、S2構(gòu)成,D1、D2為兩個(gè)功率二極管。這種均衡電路相對(duì)于其他均衡方案元器件較少、可靠性高、便于擴(kuò)展。

當(dāng)相鄰兩個(gè)電池組B1和B2電壓不均衡出現(xiàn)較大差距時(shí),根據(jù)電池組整體電量的估算值解算得到各個(gè)電池組電量的期望值,以此期望值作為電池均衡的給定值完成整個(gè)系統(tǒng)的均衡。以電池組B1的電量高于電池組電量給定值,電池組B2的電量低于設(shè)定值為例說明均衡原理,整個(gè)過程可以分為電池組B1的放電階段和電池組B2的充電階段,如圖3所示。控制單元PWM波的開關(guān)周期為T,占空比為D,MOS管S1和S2的驅(qū)動(dòng)為互補(bǔ)信號(hào),設(shè)電池B1電壓值為UB1,電池B2電壓值為UB2,電感電壓為UL。

B1的放電階段如圖3(a)所示,MOS管S1導(dǎo)通時(shí)S2關(guān)斷,此時(shí)電池組B1經(jīng)過MOS管S1給電感L充電,電感電壓為B1電壓,電流近似線性增加,電能從電池組B1傳遞到電感L,持續(xù)時(shí)間TON為占空比D和開關(guān)周期T的乘積。此階段電感電流和電源B1電壓關(guān)系為

(2)

電感電流的峰值電流為

(3)

短時(shí)間內(nèi)忽略電壓變化電感電流峰值及MOS管電流峰值,簡(jiǎn)化為

(4)

MOS管S2承受的最大電壓為電池組B1和B2電壓之和:

UMOS2=UB1+UB2≈2UB.

(5)

當(dāng)MOS管S1關(guān)斷時(shí),如圖3(b)所示,由于電感儲(chǔ)能電流不能突變,此時(shí)二極管D2承受正向電壓而導(dǎo)通。此時(shí)電感L和二極管D2構(gòu)成對(duì)電池組B2的充電回路,將電感儲(chǔ)存的電能釋放到電池組B2,電感電流逐漸降低,電感電流的變換關(guān)系為

(6)

當(dāng)電感電流降低至0時(shí),二極管承受反向電壓UB2而關(guān)斷,電感儲(chǔ)存的能量全部轉(zhuǎn)移至電池組B2,完成了電能由電池組B1向電池組B2的傳遞。放電時(shí)間由電池組B2電壓決定,關(guān)系為

(7)

式中:Td為電感電流的放電時(shí)間,在一個(gè)周期結(jié)束前電感電流需降低到0,因此滿足:

(8)

因此,占空比需滿足:

(9)

此階段MOS管S1的最大反向電壓為電源單元B1和B2的電壓之和:

UMOS1=UB1+UB2≈2UB.

(10)

通過上述計(jì)算可以對(duì)MOS管S1、S2和電感L進(jìn)行選型,并且限制占空比。

通過以上對(duì)均衡方式的分析可知,均衡模塊工作時(shí),流經(jīng)各個(gè)電池組的均衡電流與主回路電流互不相干,所以電池組在放電模式、充電模式以及靜置模式時(shí)均衡電路都能正常工作。

2.2 儲(chǔ)能單元的健康管理

儲(chǔ)能單元的健康管理策略包含:通過對(duì)各電池組的電壓、電流、溫度變化和充電次數(shù)等電子履歷的記錄和分析,實(shí)時(shí)提供電池剩余電量信息,并預(yù)測(cè)使用壽命。通過監(jiān)控系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)特征,對(duì)異常狀態(tài)(過壓、過流、過溫等)自動(dòng)判斷并智能決策,采用告警、安全切出或停機(jī)等不同級(jí)別的處理模式維持供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和人員設(shè)備安全,系統(tǒng)異常診斷流程如圖4所示。根據(jù)流程圖可知,通過異常特征與數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行匹配,根據(jù)匹配系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行決策。隨著數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的完善和成熟,分析和排除故障將越來越準(zhǔn)確,并極大縮短排除故障時(shí)間,對(duì)于武器裝備的維修和后勤保障意義重大。

3 新型智能供配電系統(tǒng)

基于以上新型可重構(gòu)技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能單元智能管理技術(shù),搭建了新型智能供配電系統(tǒng),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示,該系統(tǒng)可以構(gòu)建出需要的直流母線電壓,直接或者通過DC/DC變換器間接為不同負(fù)載提供電能,相對(duì)于傳統(tǒng)供配電系統(tǒng),能量來源更為廣泛,發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池、太陽能電池板都可以作為系統(tǒng)的能源輸入。圖5中控制單元用于將武器系統(tǒng)下達(dá)對(duì)供配電系統(tǒng)的指令轉(zhuǎn)換成供配電系統(tǒng)對(duì)各個(gè)單元的控制指令,各個(gè)單元接受控制指令后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

深入分析防空高炮武器系統(tǒng)的電能需求可知,高炮武器系統(tǒng)用電波動(dòng)較大,存在短時(shí)大功率電能需求。筆者提出的新型智能供配電系統(tǒng)完全適應(yīng)這種負(fù)載波動(dòng)情況,通過運(yùn)用可重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和智能控制技術(shù),充分發(fā)揮了儲(chǔ)能電池的短時(shí)大倍率放電的優(yōu)勢(shì),可為系統(tǒng)提供短時(shí)、大功率能量輸出。由于無需按照峰值功率設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī),因此,可以大大降低車載供電系統(tǒng)的體積質(zhì)量,為武器系統(tǒng)節(jié)約寶貴的可用容積。提出的新型供配電系統(tǒng)方案可以滿足防空高炮武器系統(tǒng)的電能需求,并為高炮的隱蔽性、突然打擊能力和短時(shí)大功率輸出特性提供了先進(jìn)的技術(shù)保障,同時(shí)降低了車載供配電系統(tǒng)的體積質(zhì)量。

以某防空高炮武器系統(tǒng)為例,傳統(tǒng)供電方式是通過底盤發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電作為唯一的能源來源,輸出的交流電一部分直接為交流用電設(shè)備供電,另一部分轉(zhuǎn)換為直流電后為直流用電設(shè)備供電。調(diào)查發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中交流用電設(shè)備內(nèi)部仍需要將交流電轉(zhuǎn)換成直流電后使用,因此經(jīng)過合理化設(shè)計(jì)可采用全直流的供配電方式。在新型智能供配電系統(tǒng)中將主要采用全直流供電方式,減少了電能變換次數(shù),降低了系統(tǒng)能量損耗。當(dāng)發(fā)電機(jī)為交流發(fā)電機(jī)時(shí),發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)過整流濾波單元后與智能管理的可重構(gòu)電池單元結(jié)構(gòu)相連接。

典型的防空高炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)時(shí),功率需求如圖6所示,各用電設(shè)備對(duì)功率需求差異大,功率分配極不均勻,在較長時(shí)間內(nèi),負(fù)載功率需求小,而在隨動(dòng)調(diào)轉(zhuǎn)的極短時(shí)間內(nèi),功率需求大。短時(shí)高功率用電設(shè)備的存在使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)必須按照峰值功率選擇發(fā)電機(jī),這種設(shè)計(jì)方式使得發(fā)電機(jī)在絕大部分時(shí)間段內(nèi)工作在低功率輸出轉(zhuǎn)態(tài)中,浪費(fèi)了發(fā)電機(jī)功率,并占用了系統(tǒng)寶貴的可用容積。在新型智能供配電系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能蓄電池,利用蓄電池大倍率放電的優(yōu)良特性提供短時(shí)的大功率,將大大降低發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率,有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)。

綜上所述,與傳統(tǒng)供配電技術(shù)相比,筆者所設(shè)計(jì)的智能供配電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì),在智能火炮等裝備靜默值守狀態(tài)或者隱蔽備戰(zhàn)狀態(tài),功率需求較小,發(fā)電機(jī)不需要發(fā)動(dòng),系統(tǒng)完全由儲(chǔ)能電池供電,相對(duì)于傳統(tǒng)供電方式可以減少武器裝備的作戰(zhàn)準(zhǔn)備時(shí)間。由于儲(chǔ)能單元供電運(yùn)行時(shí)無煙無聲,增強(qiáng)了裝備的隱蔽性和突然打擊能力。在作戰(zhàn)狀態(tài)特別是隨動(dòng)等大功率設(shè)備投入運(yùn)行狀態(tài)時(shí),需要發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能單元共同提供電能,充分發(fā)揮儲(chǔ)能蓄電池高倍率放電和可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓控制性能,以滿足系統(tǒng)瞬時(shí)大功率的能量需求,同時(shí)可以使發(fā)電機(jī)工作在最佳模式。此外,儲(chǔ)能單元的能量來源多元化,在行軍或其他功率需求較小的工況下,儲(chǔ)能電池組可由發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電,在靜置狀態(tài)或潛伏狀態(tài)下可由光伏發(fā)電板進(jìn)行能量補(bǔ)充。

4 結(jié)束語

筆者以智能化火炮戰(zhàn)車為應(yīng)用背景,提出了一種新型智能供配電系統(tǒng),該系統(tǒng)更加適合武器裝備向智能化和無人化的方向發(fā)展。重點(diǎn)研究了電池組可重構(gòu)穩(wěn)壓控制技術(shù)和以該結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的儲(chǔ)能單元智能管理技術(shù),結(jié)合某自行高炮作戰(zhàn)時(shí)功率需求,通過科學(xué)的對(duì)比分析,證明所提出的新型智能供配電系統(tǒng)在滿足戰(zhàn)車常規(guī)功率需求的前提下,實(shí)現(xiàn)了供配電系統(tǒng)的輕量化和智能化,極大便利了維修性和后勤保障性,增強(qiáng)了系統(tǒng)隱蔽性和突然打擊能力。