燃氣輪機在電傳動裝甲車輛中的應用評價

龐賓賓， 文 勇， 錢萬友， 廖自力

(1. 裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部隊， 北京 100042)

燃氣輪機在電傳動裝甲車輛中的應用評價

龐賓賓1,2， 文 勇2， 錢萬友2， 廖自力1

(1. 裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部隊， 北京 100042)

為驗證燃氣輪機在電傳動裝甲車輛中應用的可行性，設計了一種軍用車輛混合動力系統(tǒng)，采用多動力源協(xié)調輸出控制策略對混合動力系統(tǒng)中多動力源進行優(yōu)化控制，開展了基于燃氣輪機的軍用車輛混合動力系統(tǒng)仿真試驗。仿真結果表明：基于燃氣輪機的軍用車輛混合動力系統(tǒng)滿足負載需求，電源系統(tǒng)動態(tài)響應速度較快，供電質量得到提升，各動力源的工作狀態(tài)得到優(yōu)化。

電傳動車輛；燃氣輪機；混合動力系統(tǒng)；控制策略

隨著陸戰(zhàn)平臺全電化的發(fā)展，電能成為電傳動裝甲車輛火力、防護和機動的基礎[1-2]，也極大地提高了負載總的需求功率。受功率密度等技術水平限制，柴油機在大功率裝甲車輛混合動力系統(tǒng)中的應用受到嚴重制約。然而，與柴油機相比，燃氣輪機在體積功率和發(fā)電特性等方面具有明顯優(yōu)勢[3]：一方面，燃氣輪機工作轉速高，與發(fā)電機之間匹配不需要增速器，改善了機組供電質量，提高了發(fā)電效率；另一方面，燃氣輪機功率密度高，在相同功率等級下，燃氣輪機功率更高，能夠有效減小電傳動系統(tǒng)體積、質量，并極大改善電傳動系統(tǒng)動力艙布置的靈活性，提升空間利用率。因此，燃氣輪機與電傳動裝置匹配良好，較適合作為電傳動系統(tǒng)的主動力源[4]。

鑒于燃氣輪機的上述優(yōu)勢，美國等國家均開展了基于燃氣輪機的車輛混合動力系統(tǒng)研究[5-6]，而我國對裝甲車輛電傳動技術的研究還不夠深入[7-8]，基于燃氣輪機的電傳動方案尚未見相關報道。因此，為充分論證燃氣輪機在電傳動裝甲車輛中應用的可行性，本文設計了基于燃氣輪機的電傳動方案，采用建模仿真等手段來檢驗和評價基于燃氣輪機的電傳動系統(tǒng)性能。

1 總體方案

1.1 系統(tǒng)結構

為滿足軍用車輛必須具備機動性好、行駛里程大等特殊需求，具有發(fā)動機-發(fā)電機組的混合動力電傳動裝甲車輛結構主要有3種[9-11]，其中：并聯(lián)式和混聯(lián)式電傳動方案中均保留了機械傳動裝置，加上輔助動力源等其他電傳動部件，使得系統(tǒng)結構非常復雜，體積、質量也大大增加;而串聯(lián)式電傳動系統(tǒng)則取消了機械傳動裝置，結構更加簡單，布置更加靈活。基于以上分析，本文設計了基于燃氣輪機的電傳動系統(tǒng)方案，如圖1所示。

圖1 基于燃氣輪機的電傳動系統(tǒng)方案

該電傳動系統(tǒng)以燃氣輪機-發(fā)電機組為主動力源，以動力電池組和超級電容作為輔助動力源，動力電池組通過單向DC/DC(放電不控，充電可控)與燃氣輪機-發(fā)電機組輸出匹配，滿足負載功率需求。直流母線并聯(lián)超級電容和能耗裝置，抑制母線電壓波動；通過能耗裝置消耗過多能量，保證高壓安全和系統(tǒng)可靠性。

1.2 參數設計

根據表1所示電傳動車輛的基本參數及性能指標要求，采用車輛動力學理論[12]，以滿足車輛最高行駛速度和最大爬坡度為約束條件，綜合考慮各部件的效率，按照功率鏈由后至前，開展啟動/發(fā)電機、動力電池等部件的功率或容量等級的匹配計算與優(yōu)化設計。通過計算得到的某型電傳動車輛各部件主要性能參數如表2所示。

表1 電傳動車輛的基本參數及性能指標要求

2 多動力源協(xié)調輸出控制策略

針對不同的結構型式，電傳動車輛多動力源協(xié)調輸出控制方法較多[13-15]。在此，針對基于燃氣輪機的電傳動車輛中各部件工作特性，制定的多動力源匹配輸出控制策略主要由多動力源功率分配模塊、燃氣輪機目標轉速計算模塊、整流器目標電壓計算模塊和DC/DC目標電壓計算模塊組成。

表2 某型電傳動車輛各部件主要性能參數

1) 功率分配模塊

合理分配各動力源功率輸出是保證車輛機動性能、改善整車燃油經濟性以及提升電源系統(tǒng)供電質量的關鍵。燃氣輪機-發(fā)電機組和動力電池的分配功率由動力電池荷電狀態(tài)(State Of Charge，SOC)以及負載需求功率Pload決定。具體分配策略可用以下公式表達。

Peg=f1(Pload,SOC)=

(1)

Pbatt=f2(Pload,SOC)=

(2)

式中：Peg為燃氣輪機-發(fā)電機組分配功率；f1為燃氣輪機-發(fā)電機組分配功率識別函數；Pbatt為動力電池分配功率；f2為動力電池分配功率識別函數。

2) 燃氣輪機目標轉速計算

由于燃氣輪機-發(fā)電機組與負載之間實現了解耦，因此可控制燃氣輪機在高效區(qū)域內運行。而由圖2所示的燃氣輪機最佳轉速-功率曲線可知：在整個燃氣輪機功率輸出范圍內，其對應的最佳轉速變化范圍較小，可控制燃氣輪機沿該曲線輸出。根據期望的燃氣輪機-發(fā)電機組輸出功率Peg值，考慮機組效率折算到燃氣輪機的期望功率，結合燃氣輪機最佳轉速-功率曲線可得到當前燃氣輪機目標轉速。

圖2 燃氣輪機最佳轉速-功率曲線

3) 可控整流目標電壓計算

(3)

式中：Vdc為母線實際電壓;Idc為整流器直流側輸出電流；kp1、ki1為PI調節(jié)器1的參數。

4) DC/DC控制方案

根據Pbatt確定DC/DC控制方案。

(kp2+∫ki2dt)(Pbatt-VbattIbatt),

(4)

式中：Vbatt為電池電壓；Ibatt為電池電流；kp2、ki2為PI調節(jié)器2的參數。

(2) 當Pbatt=0時，工作模式為不工作。

(3)當Pbatt>0時，工作模式為不控放電，電池最大放電電流限制為Ibattmax=200 A。

綜合功率分配模塊、燃氣輪機目標轉速計算模塊、整流器目標電壓計算模塊以及DC/DC控制方案，可得多動力源協(xié)調輸出控制原理,如圖3所示。

圖3 多動力源協(xié)調輸出控制原理

基于圖3，能夠實現系統(tǒng)多個目標的優(yōu)化控制：1)滿足負載需求，保證車輛具有良好的機動性能；2)保持電池SOC在65%～75%之間，滿足靜音行駛需求；3)動態(tài)能量平衡原則，改善系統(tǒng)供電質量；4)回收制動能量，提升能量利用率。

3 仿真驗證

為檢驗燃氣輪機在混合動力系統(tǒng)中的性能，進而驗證燃氣輪機在電傳動車輛中應用的可行性，在多動力源協(xié)調輸出控制策略下，對本文設計的電傳動混合動力系統(tǒng)進行仿真驗證。在設置SOC=50%的情況下，系統(tǒng)仿真結果如圖4所示。

圖4 基于燃氣輪機的混合動力系統(tǒng)仿真結果

從圖4可以看出：燃氣輪機-發(fā)電機組能夠很好地跟隨給定功率，響應速度較快，輸出功率較平穩(wěn)；與動力電池以及超級電容配合，能夠很好地滿足負載需求，直流母線電壓在可接受范圍內波動；動力電池充電功率能夠跟隨給定功率，為提升電池SOC水平，在功率允許的情況下即給動力電池充電，以提高電池的電量。可見：燃氣輪機良好的動態(tài)響應性能在滿足負載需求的同時，也優(yōu)化了動力電池的工作狀態(tài)，使其具有良好的功率跟隨性能。

由以上仿真結果可知：將燃氣輪機應用于電傳動車輛混合動力系統(tǒng)中，車輛電源系統(tǒng)動態(tài)響應速度快，能夠滿足機動時的快速功率需求；同時，燃氣輪機快速的動態(tài)響應優(yōu)化了動力電池等其他部件的工作狀態(tài)，提升了電源系統(tǒng)供電品質。

4 結論

為充分論證燃氣輪機在電傳動裝甲車輛中應用的可行性，本文設計了基于燃氣輪機的裝甲車輛電傳動方案，并結合多動力源協(xié)調輸出控制策略和典型工況對系統(tǒng)進行了仿真驗證。仿真結果表明：燃氣輪機-發(fā)電機組具有較快的動態(tài)響應特性，減小了母線電壓波動范圍，提升了混合動力系統(tǒng)的供電品質，優(yōu)化了各動力源的工作狀態(tài)。本文只是進行了仿真驗證，下一步將采用實車試驗等手段進一步驗證燃氣輪機在電傳動裝甲車輛中應用的可行性，為電傳動車輛混合動力系統(tǒng)設計提供依據。

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(責任編輯:尚彩娟)

Application Evaluation of Gas Turbine Used in Electric Drive Armored Vehicles

PANG Bin-bin1,2, WEN Yong2, QIAN Wan-you2, LIAO Zi-li1

(1. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. Troop No. 66410 of PLA, Beijing 100042, China)

In order to prove the feasibility of application of the gas turbine used in electric drive armored vehicles, a hybrid dynamic system is designed for a kind of military vehicles. A concerted output control strategy for multi-dynamic sources is adopted to optimally control the multi-sources in hybrid dynamic system, and the hybrid dynamic system simulation test is developed on gas turbine of military vehicles. The result of simulation shows that the hybrid dynamic system meets the need of load, the power system has a faster dynamic response, the power supply quality is improved, and the working state of each source is optimized.

electric drive vehicles; gas turbine; hybrid dynamic system; control strategy

1672-1497(2015)03-0037-04

2014-11-18

龐賓賓(1983-)，男，博士研究生。

U464.31;U463.23

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.008