車載綜合電力系統動態重構及其功率流控制*

袁 東，廖自力，李年裕，王 剛

（1.陸軍裝甲兵學院兵器與控制系，北京 100072；2.陸軍裝甲兵學院演訓中心，北京 100072）

0 引言

陸戰平臺綜合電力系統是為滿足地面戰斗平臺電驅動、電武器、電防護及其他多用電任務剖面需求，集大容量/ 大功率電能生產、存儲、變換、分配、回饋及其綜合管理控制于一體的車載電力集成系統［1］。為滿足不同工作條件下各種特性的任務負載供電需求，車載綜合電力系統必須具備多種工作模式，且能夠快速、穩定、安全地在各種工作模式間進行轉換；在故障情況下還需要切換到應急工作模式，實現安全保護與在線降級重構，提高系統的不間斷供電能力［2-4］。系統工作模式轉換過程往往涉及多個裝置、部件協同動作與指令重置，且伴隨高電壓/大電流的功率流換流，協調控制難度大，同步要求精度高。因此，如何實現車載綜合電力系統動態重構以及重構過程的同步協調控制，提高系統供電能力與負載適應性，并保證工作模式轉換的實時性、可靠性和安全性，成為工程實踐中的焦點問題。

1 車載綜合電力系統結構與原理

某車載綜合電力系統采用基于多驅動特性能量源的結構模式［1］，由主能量源、輔助能量源、直流供電網絡（其標稱電壓為750 V）、釋能單元以及外部交流/直流電網接口等組成，結構如圖1 所示。

圖1 綜合電力系統結構

主能量源為發動機-發電機組，發電機選用永磁同步電機，通過PWM 整流器與直流供電網絡連接，系統具有起動與發電兩種工作模式，當工作在起動模式時，PWM 整流器處于有源逆變狀態，由直流網絡供電，驅動永磁同步電機處于電動狀態，帶動發動機轉動。當達到怠速以上轉速時，永磁同步電機轉換到發電狀態，PWM 整流器變換成可控整流模式，向直流網絡輸出能量。

輔助能量源采用動力電池與超級電容復合儲能結構，通過高壓接觸器K1 與直流供電網絡相連。動力電池輸出電壓為670 V（當其SOC 為70%時），超級電容工作電壓范圍為0～900 V，二者通過與高壓接觸器K3，K4 或K2，K5 與雙向DC/DC 變換器連接，也具有多種工作模式。如當超級電容電壓低于動力電池電壓時，高壓接觸器K3，K4 閉合，動力電池接入雙向DC/DC 變換器高壓側，超級電容接入低壓側，DC/DC 工作在降壓恒流狀態時可為超級電容充電；當超級電容電壓高于動力電池電壓且低于直流供電網絡電壓時，閉合K2，K5，DC/DC 采用升壓恒流工作狀態，可繼續為超級電容充電；當超級電容電壓達到直流供電網絡電壓后，K1 閉合，動力電池通過DC/DC 與和超級電容并聯可向直流供電網絡供電，此時DC/DC 可采用升壓恒壓工作或升壓恒流工作。當負載系統回饋能量時，DC/DC 切換到降壓恒流工作狀態，可為動力電池充電。

2 系統工作模式與動態重構方法

綜上分析，圖1 中的各裝置、部件具有多種工作狀態，通過組合重構，車載綜合電力系統可衍生出適應不同應用環境的多種工作模式。

2.1 增強混合動力模式

該模式下，各能量源均參與工作，發動機- 發電機組提供戰斗平臺遂行任務所需的平均功率，輔助能量源可有效結合動力電池高能量密度和超級電容高功率密度的特點，提高系統負載適應能力。其工作流程為：

圖2 系統上電預充結構圖

1）系統上電預充。當接收到整車控制器高壓上電指令時，功率流控制單元首先檢測動力電池與超級電容電壓，如超級電容初始電壓低于動力電池，則控制系統進入降壓恒流充電階段，其工作原理如圖2（a）所示。當超級電容電壓達到動力電池后，切換到升壓恒流充電階段，其工作原理如圖2（b）所示。如超級電容初始電壓高于動力電池，則系統直接進入升壓恒流充電階段。超級電容預充結束后，向整車控制器上傳預充完成狀態信號。

2）發動機起動。當接收到發動機起動指令時，功率流控制單元在圖2（b）所示狀態的基礎上，控制高壓接觸器K1、J1、J2 閉合，同時控制雙向DC/DC變換器按升壓恒壓模式工作，輸出電壓可設定為直流供電網絡標稱電壓，PWM 整流器按有源逆變模式工作，采用轉速閉環控制或轉矩閉環控制，其工作原理如圖3 所示。

圖3 復合儲能起動發動機結構圖

3）復合供電階段。當發動機起動后，系統可根據指令和負載功率需求進行復合供電，此時各高壓接觸器開關狀態與圖3 相同，但各裝置工作模式根據功率分配策略不同而有所區別。功率流控制單元根據負載需求功率P* 解算出各能量源分配功率，PWM 整流器切換到可控整流模式，采用電壓閉環控制或轉矩閉環控制，發動機采用轉速閉環控制或油門開度閉環控制，共同調節發動機-發電機組輸出功率。雙向DC/DC 變換器工作在升壓模式，采用電壓閉環控制或電流閉環控制，調節動力電池輸出功率，剩余需求功率由超級電容補充。

4）能量回收階段。當任務負載處于能量再生狀態（如車輛下坡、減速、制動等）時，車載綜合電力系統需吸收回饋能量。此時功率流控制單元根據負載回饋功率大小解算出各能量源需吸收的功率，超級電容處于不可控模式，根據直流供電網絡電壓變化吸收回饋功率，雙向DC/DC 變換器工作在降壓模式，通常采用電流閉環控制調節動力電池吸收功率，PWM 整流器工作在有源逆變模式，可采用轉矩閉環控制調節發動機吸收一定范圍的回饋功率［5］，當各能量源不足以完全吸收回饋功率時，可通過控制VT1 接入釋能電阻，抑制電壓泵升，其工作原理如圖4 所示。

實際工作過程中復合供電與能量回收階段并不是完全分開的，而是交替進行甚至復合在一起的。

圖4 多能量源復合供電結構圖

5）系統斷電階段。一般有兩種斷電方式，一種是直接斷電，另一種是超級電容放電后再斷電，前者比較簡單，功率流控制單元直接控制各裝置停止工作，并斷開所有高壓接觸器即可。當需要超級電容放電時，首先控制各裝置停止工作，然后接通高壓接觸器K5、K1 與電力電子開關VT1，超級電容通過釋能電阻放電，放電結束后再斷開各接觸器。

2.2 增強靜默供電模式

為了達成任務的隱蔽性和突然性，在特殊作戰條件下可關閉發動機，采用復合儲能系統實現靜默供電，從而降低自身的噪聲以及紅外特性。其工作流程包括系統上電預充、復合供電、能量回收和系統斷電等階段。

系統上電預充階段的工作原理和功率流關系與增強混合動力模式相同；預充結束后沒有起動發動機階段，可根據指令直接進入復合供電階段，其工作原理如圖5 所示。此時功率流控制單元控制高壓接觸器K2、K5、K1 閉合，雙向DC/DC 變換器工作在升壓模式，采用電壓閉環控制或電流閉環控制。系統斷電過程亦與增強混合動力模式相同。

圖5 靜默復合供電結構圖

2.3 簡易混合動力模式

簡易混合動力模式下，超級電容不參與供電，輔助能量源為單一動力電池。這種供電模式無法利用超級電容高功率密度特點，系統負載適應能力降低，但是上電階段無需為超級電容預充，系統準備時間較短，可用于緊急情況下的應急機動，同時也可用于雙向DC/DC 變換器損壞時的降級工作。其工作流程包括發動機起動、復合供電、能量回收和系統斷電等階段。

系統上電無超級電容預充過程，直接根據指令進入發動機起動階段，工作原理如圖6 所示。動力電池通過高壓接觸器K4、K1、J1、J2 接入PWM 整流器，起動/發電一體機可采用轉速控制或轉矩控制，此時直流供電網絡電壓為動力電池電壓（一般低于增強混合動力模式下的直流供電網絡標稱電壓）。

圖6 動力電池起動發動機結構圖

復合供電階段各高壓接觸器開關狀態與圖6相同，發動機與PWM 整流器控制模式與增強混合動力模式相同，但分配功率與輸出電壓有所區別。同時動力電池提供和吸收的能量大小不能通過DC/DC 變換器進行控制，而是由直流供電網絡電壓波動情況決定。系統斷電時功率流控制單元直接控制各裝置停止工作，斷開所有高壓接觸器即可。

2.4 簡易靜默供電模式

簡易靜默供電模式下只有動力電池作為單一能源供電，其控制較簡單。需要供電時接通高壓接觸器K4、K1，斷電時切斷K4、K1。其工作過程的輸出與回饋功率大小也不能通過DC/DC 變換器調節，直接由負載工作特性決定。

2.5 應急供電模式

應急供電模式是系統在部分裝置故障情況下進行降級重構，實現應急供電的工作模式。根據系統的故障情況不同，其應急供電的工作原理與系統結構也有所區別。如在增強混合動力模式下超級電容出現漏電故障，功率控制單元可調整各裝置的工作模式與控制參數，將其切換到簡易混合動力模式，再如增強混合動力模式下PWM 整流器故障時，可將其切換到增強靜默供電模式，即前述各種工作模式之間本身就具有一定的降級重構能力。

為了界定方便，本文中的應急供電模式主要指除前述工作模式之外的供電結構，以增強混合動力模式下動力電池出現漏電故障或DC/DC 變換器故障為例，此時系統可切斷動力電池供電回路，利用發動機-發電機組與超級電容進行復合供電，同時功率控制單元根據需求功率P*動態解算調整發動機與PWM 整流器控制參數。

2.6 充電維護模式

傳統裝甲車輛車載電池需要定期或不定期地從車輛上拆卸下來，送到充電間充電維護。對于車載綜合電力系統來說，為滿足電壓等級、功率與容量等要求，動力電池的體積和重量較大，拆裝困難，因此，一般考慮原位充電維護方式。為提高系統兼容性，圖1 所示車載綜合電力系統具有車載發動機充電、外部交流電網充電與外部直流電網充電等3種原位充電維護方式。以車載發動機充電為例，如圖7 所示。功率流控制單元控制高壓接觸器K1、K2、J1、J2 閉合，同時根據充電需求功率按照發動機輸出特性曲線調節發動機轉速，并協同控制PWM整流器與雙向DC/DC 變換器實現充電控制。當發電機輸出等效直流電壓高于動力電池電壓時，PWM 整流器采用不控整流方式，雙向DC/DC 變換器采用降壓電流閉環控制方式進行充電；當發電機輸出等效直流電壓低于動力電池電壓時，PWM 整流器采用電流閉環控制的可控整流方式，雙向DC/DC 變換器采用不控方式進行充電；這樣一來，PWM 整流器與雙向DC/DC 變換器二者之間只有一個功率變換裝置進行充電電流控制，其控制方式較為簡單，同時功率變換裝置的開關損耗可有效降低。

圖7 車載發動機充電結構圖

3 基于狀態機的系統模式轉換與功率流控制

前述分析可知，車載綜合電力系統具有多種工作模式，各工作模式內部又存在多個工作階段。在系統運行過程中需要經常在各模式、各階段間進行轉換，且轉換過程需要滿足同步性、供電平穩性和可靠性等要求，同時還需滿足裝置自身特性約束［6］。考慮到前面構建的工作模式與工作模式內部的各工作階段形成了層次化的嵌套關系，本文采用層次式有限狀態機模型［7-9］，將工作模式作為父狀態，工作模式內部的各工作階段作為父狀態下的子狀態。由此可得系統狀態機模型的父狀態與子狀態集如表1 所示。為了控制方便，表中增設了待機模式。

表1 系統的父狀態與子狀態集

下面來分析基于層次狀態機的功率流動態重構控制，首先構建父層狀態的轉換軌跡如圖8 所示。

圖8 系統父層狀態轉換圖

表2 父層狀態轉換的事件集

圖8 中，多數工作模式之間可進行雙向轉換，但考慮到超級電容存在自放電現象，增強靜默供電模式與簡易靜默供電模式之間，增強混合動力模式與簡易混合動力模式之間只能進行單向轉換。同時，考慮到系統工作可靠性，增強混合動力模式、簡易混合動力模式與應急供電模式之間也只能進行單向轉換。另需說明的是，簡易靜默供電模式時只有動力電池作為單一能源供電，當其出現故障時無降級使用能力，因此，不能切換到應急供電模式。各父層狀態轉換的事件如表2 所示。

表2 中，狀態轉換事件由外部事件和內部事件組成，系統工作模式轉換主要由外部事件（整車控制器的相應指令）驅動，同時需滿足內部狀態要求，如為了保證系統工作安全性，工作模式轉換大多要求系統在處于復合供電或能量回收階段時進行，預充階段、發動機起動階段和斷電階段一般不響應模式轉換指令。接下來分析子狀態的轉換軌跡。限于篇幅，此處以增強混合動力模式下的子狀態為例，其轉換軌跡如圖9 所示。各子狀態轉換的事件如表3 所示。

圖9 增強混合動力模式子狀態轉換圖

為了滿足切換過程中裝置本身約束要求和供電平穩性要求，子狀態中設置預置過渡態。當其他工作模式切換到增強混合動力模式時，首先進入預置過渡態，進行相應的功率流預先轉移控制。

4 結論

為了驗證本文所述的動態重構及其功率流控制方法的有效性，研制了基于DSP+FPGA 的功率流控制單元，將其應用于某車載綜合電力系統并進行了裝車試驗，下頁圖10 為增強混合動力模式工作過程中，系統部分工作階段轉換過程的狀態變量。

表3 子狀態轉換的事件集

圖10 中，系統初始狀態為待機模式，時刻轉換至降壓恒流預充階段（為了保證安全性，實際系統采用兩階段降壓恒流充電法），超級電容電壓迅速上升，動力電池與超級電容之間的電壓差逐漸減小，充電電流隨之減小。時刻切換至升壓恒流預充階段，超級電容電壓繼續升高，達到直流供電網絡電壓后預充結束。時刻接收到發動機起動指令后動力電池與超級電容向其供電，直到起動完成。各狀態切換時刻電流均接近零，切換平穩無沖擊。

圖10 系統部分工作階段轉換過程的狀態變量

試驗結果表明，系統模式轉換靈活，冗余度高，動態重構能力強，負載適應性好，工作穩定可靠，為高適應性車載綜合電力系統研究提供參考。