新型機(jī)動(dòng)電源保障平臺(tái)研究

顏南明，張?jiān)ツ希鷩鴳c

(1.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072;2.浙江信陽實(shí)業(yè)有限公司，浙江金華321025)

隨著陸軍通用裝備技術(shù)水平、復(fù)雜程度和信息化程度的不斷提高，部隊(duì)裝備檢測、修理、保障和訓(xùn)練以及日常的保養(yǎng)工作量日益增加，為了保證這些工作正常實(shí)施，裝備帶電或啟動(dòng)作業(yè)更加頻繁，往往要用符合要求的電源給裝備或檢修裝備“通電”，必要時(shí)還要啟動(dòng)車輛上的發(fā)動(dòng)機(jī)。應(yīng)用原車上發(fā)電機(jī)組或大型電源車進(jìn)行這種平時(shí)和日常的裝備保障工作既不現(xiàn)實(shí)，效率又低，各部隊(duì)和修理分隊(duì)自己配備的油機(jī)組、電源和手推蓄電池車等，功能單一，使用不便，適用范圍小，不能滿足野戰(zhàn)和訓(xùn)練條件下的供電和保障要求。基于此，筆者研制了一種輕型、移動(dòng)方便，能夠提供不同規(guī)格的交、直流電源保障平臺(tái)，為提高裝備保障效率提供了一種有效的手段。

1 設(shè)計(jì)需求

1.1 電源保障部分

1)平臺(tái)對(duì)外供電交流電源指標(biāo):額定功率為16.0 kW;額定電壓為380 V/220 V;頻率為50 Hz。

2)平臺(tái)對(duì)外供電直流電源指標(biāo):(1)28 V直流額定電流為100 A，最大電流為1 500 A;(2)48 V直流額定電流為100 A，最大電流為1 500 A。

1.2 行動(dòng)部分

平臺(tái)尺寸為3 m×15.6 m×1.9 m;滿載質(zhì)量為1 500 kg;最大速度≥60 km/h;靜音行駛里程≥15 km;最大爬坡度≥32°;最小轉(zhuǎn)向半徑為0 m(可實(shí)現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向)。

2 平臺(tái)總體方案

為滿足以上2項(xiàng)設(shè)計(jì)需求，總體方案設(shè)計(jì)如下:機(jī)動(dòng)電源保障平臺(tái)采用發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組、蓄電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的串聯(lián)式混合電傳動(dòng)結(jié)構(gòu);為提高平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力和駕駛舒適性，采用4套交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力［1-2］;平臺(tái)通過電功率變換系統(tǒng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能變換成各種不同制式的交直流電，為外部設(shè)備提供大功率電能。整個(gè)平臺(tái)既可應(yīng)用在車場，也可應(yīng)用在野外伴隨裝備進(jìn)行保障。平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)簡圖

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括平臺(tái)的動(dòng)力源及功率變換設(shè)計(jì)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、底盤設(shè)計(jì)、電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中關(guān)鍵部分主要是動(dòng)力源及功率變換設(shè)計(jì)、整個(gè)平臺(tái)的綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)部分。

3.1 平臺(tái)動(dòng)力源及功率變換設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)除了需要給平臺(tái)蓄電池充電外，還需要為平臺(tái)外的其他用電設(shè)備提供三相380 V、單相220 V交流電以及不同規(guī)格的直流電，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)除了發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)外，還有一套電功率變換系統(tǒng)。

由于柴油機(jī)比汽油機(jī)安全，更能適應(yīng)高低溫環(huán)境，根據(jù)目前部隊(duì)實(shí)際情況，機(jī)動(dòng)電源保障平臺(tái)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)-永磁飛輪發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)組，其體積小，功率大，形成平臺(tái)核心的供電和動(dòng)力源。匹配計(jì)算后，選擇額定電功率輸出為16 kW的發(fā)電機(jī)組，可滿足通用裝備的供電、充電和野外作業(yè)的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速為1.5～2.2 kr/min，由于平臺(tái)采用混合動(dòng)力傳動(dòng)方式，方案中蓄能裝置(電池)能快速跟蹤路面瞬態(tài)功率變化，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的控制采取沿最低燃油消耗率曲線工作方式，即發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，工作點(diǎn)落在最低燃油消耗曲線上，該方式可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)平時(shí)正常工作條件下的控制結(jié)構(gòu)簡圖［3-4］。

工作原理如下:首先，控制系統(tǒng)事先把發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃油消耗曲線(最佳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線)儲(chǔ)存在控制單元的存儲(chǔ)器中;控制單元根據(jù)發(fā)電機(jī)需要的輸出功率和發(fā)動(dòng)機(jī)處在當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速時(shí)所能發(fā)出的最佳功率的差值來控制發(fā)動(dòng)機(jī)供油量;發(fā)電機(jī)需要的輸出功率如果大于發(fā)動(dòng)機(jī)處在當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速時(shí)所能發(fā)出的最佳功率，則控制單元增加供油量，如果小于最佳功率，則減少供油量，如果二者相等，則供油量保持不變。這種控制方法不僅能使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)工作在最佳經(jīng)濟(jì)燃油狀態(tài)，而且能夠達(dá)到最佳的動(dòng)態(tài)性能，即:當(dāng)車輛急加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就在整個(gè)過程中處于最大供油狀態(tài)，剎車時(shí)則處于最小供油狀態(tài)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)計(jì)的功率變換系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組的連接方式及工作原理如圖3所示。發(fā)電機(jī)輸出三相變頻交流電壓被整流成高壓直流電壓，經(jīng)DC控制器后，經(jīng)三路獨(dú)立的DC/AC電路被逆變成三相交流工頻電壓輸出［5］。在額定負(fù)載范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(Engine Control Unit，ECU)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和實(shí)際負(fù)載的變化調(diào)整輸出工頻電壓，滿足用戶的使用需求。同時(shí)，將電功率輸出變化情況發(fā)送給ECU，使得平臺(tái)中發(fā)動(dòng)機(jī)控制器可控制發(fā)動(dòng)機(jī)按最佳燃油消耗規(guī)律工作，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖3 發(fā)電機(jī)組與功率變換系統(tǒng)工作原理框圖

3.2 平臺(tái)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平臺(tái)綜合控制系統(tǒng)主要和儀表系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、4套驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)以及人-機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)其進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制。其功能框圖如圖4所示。

在平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案中，平臺(tái)采用4×4獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此，除了傳統(tǒng)的駕駛模式外，還具有中心轉(zhuǎn)向等特殊機(jī)動(dòng)能力以及遙控駕駛等特殊操控性能，便于在特殊場合下能夠完成普通車輛難以完成的任務(wù)(如突破火力封鎖線搬運(yùn)物資等)。為便于數(shù)據(jù)交互和保證通信的實(shí)時(shí)性，綜合協(xié)調(diào)控制器與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)之間的信息交換通過CAN總線完成。人-機(jī)交互系統(tǒng)與綜合協(xié)調(diào)控制器之間的信息交換分別通過模擬量和開關(guān)量、無線通信、串行總線RS232三種方式完成。

圖4 平臺(tái)綜合控制系統(tǒng)功能框圖

各控制子系統(tǒng)在綜合控制系統(tǒng)的控制下，協(xié)同工作關(guān)系如下:駕駛員終端將控制指令通過有線或無線的方式送到綜合協(xié)調(diào)控制器，由綜合協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行采集、變換、處理、運(yùn)算后向各子系統(tǒng)發(fā)送命令。發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的命令包括電機(jī)運(yùn)行方向、驅(qū)動(dòng)功率、回饋制動(dòng)強(qiáng)度、兩輪/四輪驅(qū)動(dòng)模式;發(fā)送給電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的命令包括電動(dòng)/助力模式、轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向速度;發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的命令包括系統(tǒng)工作模式(最大功率/最佳燃油消耗工作模式)、電池充電。同時(shí)，綜合協(xié)調(diào)控制器將這些子系統(tǒng)反饋回來的信號(hào)經(jīng)過處理后送到儀表系統(tǒng)顯示［6-8］。

4 平臺(tái)試驗(yàn)

平臺(tái)試驗(yàn)主要是對(duì)平臺(tái)總體方案中提出的主要性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，包括平臺(tái)最大速度、最大爬坡能力以及對(duì)外供電能力等。

4.1 平臺(tái)最大速度

圖5為平臺(tái)樣機(jī)在某路段跑車時(shí)，對(duì)平臺(tái)儀表中速度讀數(shù)以及電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行的拍照和測量，結(jié)果顯示:平臺(tái)速度達(dá)到60 km/h以上，樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.2 平臺(tái)最大爬坡能力

為了驗(yàn)證平臺(tái)的爬坡能力，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了30°水泥坡面和32°泥土路面試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的平臺(tái)滿足32°最大爬坡能力要求。圖6為平臺(tái)爬坡試驗(yàn)時(shí)的情況。

4.3 平臺(tái)供電能力

平臺(tái)供電能力主要包括對(duì)外交流供電能力和裝甲車輛啟動(dòng)能力，圖7為平臺(tái)在啟動(dòng)某型坦克時(shí)的試驗(yàn)情況(鉗形表檢測到最大啟動(dòng)電流1 260 A)，在使用純電阻負(fù)載時(shí)，平臺(tái)的交流供電能力經(jīng)試驗(yàn)可達(dá)到16.5 kW，平臺(tái)供電能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

筆者以柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組和蓄電池為混合動(dòng)力源、4套獨(dú)立交流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為動(dòng)力設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)電源保障平臺(tái)，具有16 kW功率的交流供電能力，還可提供大電流低壓直流電源，用于裝甲車輛的啟動(dòng)。

結(jié)合良好的越野能力，該平臺(tái)既可以作為車場保障平臺(tái)，也可作為野外的伴隨保障設(shè)備;在我國西部部隊(duì)以及邊境等特殊地形條件下，還可作為交通工具和物資運(yùn)輸車輛;也可在發(fā)生災(zāi)情的地區(qū)作為運(yùn)輸物資平臺(tái)和臨時(shí)供電站。

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