導彈發射車智能電源管理系統設計

魏建峰,劉曉斌, 原 芳, 徐亞軍，徐宏斌

(西安現代控制技術研究所，西安 710068)

導彈發射車作為現代信息化戰爭中的重要作戰裝備，集偵察、指揮和火力打擊于一體，涉及大量光機電高新技術設備，其中電源管理分系統承擔著整個發射車的能源供應，起著非常重要的作用[1-3]。由于發射車上用電設備種類多，且對電源的容量、品質、功率大小要求差異很大、安全性要求很高，特別是關鍵設備上電斷電時序要求極其嚴格，多年的工程實踐和經驗教訓表明，電源管理系統設計缺陷或管理缺失，都可能對導彈、車輛和乘員的安全構成嚴重威脅[4-6]，因此，合理設計發射車電源管理系統、提高發射車電源智能化管理水平，實時監控發射車電源工作狀態，不僅對于維護產品與乘員的安全，提升部隊戰斗力至關重要，而且對導彈發射車隨時遂行作戰任務提供可靠保證[7]。針對某型導彈發射車智能電源管理系統，提出了總體設計的基本原則，構建了系統架構，給出了系統的基本組成和工作原理，特別對發射車智能電源管理系統設計相關的關鍵技術進行了深入研究，并提供了可行的解決途徑。

1 智能電源管理系統總體設計原則

1.1 電源分類分設原則

對于導彈發射車的不同用電設備而言，其工作方式、功率消耗都比較明確，中小功率的電子設備功率消耗小，但對電源系統精度要求較高，如果電源波動過大會影響設備運行的穩定性；而伺服驅動裝置和觀瞄桅桿升降設備屬于用電大戶，其啟動和調轉時消耗的功率很大，占整個電源消耗總功率絕大部分，其工作過程中會造成電源電壓很大的波動，對電源的供電品質有很大的影響。因此，為了保證系統的穩定運行，發射車電源分系統采用分布式設計方法，將專為中小功率用電設備供電的電源與專為大功率用電設備供電的電源分類分設，分別稱為粗電和精電，可有效隔離了大功率用電設備對小功率用電設備的影響。

1.2 有序供斷電原則

導彈發射車是發射導彈的車載武器平臺，對安全性有著極高的要求，必須保證車輛裝備和乘員的絕對安全。發射車用電設備眾多，功能復雜，性能各異，工作啟停時刻各不相同。因此，智能電源管理系統必須根據發射車武器系統工作流程和具體工況，結合各用電設備的具體要求，基于系統的角度，設計各用電設備的供斷電時序，要對電源資源進行合理分配，錯峰調度，既要求邏輯嚴密，也要和系統流程相協調，同時要滿足具體設備的特殊要求。

1.3 模塊化智能化原則

導彈發射車智能電源管理系統由多個部件組成，用電設備也很多，而且分布在發射車的不同位置，為了保證供電穩定可靠，當電源管理系統發生故障時能夠快速定位隔離和快速維修，必須提高電源分系統的模塊化程度，同時需要實時監控電源本身和各用電設備的工作狀態，并及時調整配電策略，保證相關設備的用電安全。因此，模塊化智能化是智能電源管理系統設計的基本要求。

2 系統組成和工作原理

某型發射車智能電源管理系統主要由供電單元、并網單元、智能電源管理單元、射手顯示終端以及CAN總線等部分組成，如圖1所示。供電單元主要用于產生發射車各用電設備需要的一次電源，主要由底盤發電機、取力發電機、底盤原裝蓄電池和加裝蓄電池組成，并網單元主要根據發射車的不同工況，將供電單元內不同設備輸出的電源通過合理組合，作為智能電源管理單元輸入。智能電源管理單元主要實現武器系統用電設備供電智能通斷控制、配電管理、狀態監控，監測各用電設備的工作電流、電壓、工作狀態，具有輸入過壓告警，輸出過流保護等功能，主要由相關控制電路實現。射手顯示終端是負責導彈發射，監控車輛狀態的關鍵設備，同時負責電源管理的開關控制、電源狀態顯示等功能，主要由有周邊按鍵、電源開關和顯示器組成。CAN總線將發射車各用電設備和電源各個設備互聯，實現信息互通，為電源智能管理提供信息通道。

3 關鍵技術及解決途徑

3.1 并網協同供電技術

根據發射車使用工況要求，行車狀態下正常工作時，發射車車載武器系統直流電源最大功率需求為4 kW，駐車狀態下正常工作時，發射車車載武器系統最大功率需求為7 kW。在行車工狀態下，系統供電由底盤車原裝發電機提供，該發電機是一個6 kW硅整流直流發電機，除去底盤本身正常使用需要2 kW功率，可以滿足全車用電需求；駐車狀態下系統供電由底盤車原裝發電機、加裝4 kW取力發電機并網供電。同時為了保持直流母線電壓的穩定，在底盤車原裝蓄電池DC26V/80Ah的基礎上還加裝了相同規格的蓄電池，在發電機工作過程中，可以為蓄電池充電。并網協同供電主要解決導彈發射車在不同工況下將原裝蓄電池、加裝蓄電池、底盤車原裝發電機、取力發電機所產生的電源并入導彈發射車的電源網絡的問題。在多路電源共存的情況下,根據負載實際情況，無需人工干預自動切換，為智能電源管理單元輸出穩定的粗精電源，實現母線的可靠供電[3]，行車模式和駐車模式的轉換主要方法是根據智能電源管理單元實時監控的功率信息與預設的轉換功率閾值相比較，當實際功率接近閾值時，智能電源管理單元產生驅動電平接通或關斷相應的接觸器，實現兩種模式的轉換。需要注意的是由于駐車情況下負載上電順序完全可以保證取到合理的閾值，閾值的選取要留足一定的余量，確保模式轉換及時穩定可靠。行車模式下并網工作原理框圖如圖2，采用直流接觸器和隔離電路實現隔離和輸出控制等并網功能，再經過熔斷器提供負載精電和粗電的輸出。在行車模式下，智能電源管理單元采集的功率不超過規定閾值，接觸器1斷開，取力發電機不工作，接觸器2和接觸器3接通，底盤車原裝發電機向兩個蓄電池充電，并和原裝蓄電池共同為上裝設備提供大功率粗電電源，同時經過隔離后輸出中小功率精電電源；當智能電源管理單元檢測到的功率超過規定的閾值時，使接觸器1閉合，而接觸器2和接觸器3仍保持閉合，轉換為駐車模式，取力發電機與底盤車原裝發電機并機使用，并和原裝蓄電池共同為上裝設備提供所需的粗精電電源。

3.2 智能電源管理技術

智能電源管理單元將并網單元輸出的大功率和中小功率電源向供電設備分配。主要由電源濾波器、儲能電容、控制模塊、功率模塊和射手顯示終端等組成，如圖3所示。其中控制模塊以ARM7處理器為核心，并擴展了CAN總線和LIN總線接口,LIN總線用于處理器和內部各功率模塊通信，CAN總線用于和射手終端進行通信。功率模塊由十路單元功率模塊組成，功率大小各不相同，功率模塊1和功率模塊2主要用于發射裝置和觀瞄桅桿的驅動電源，其余功率模塊用于其他中小功率用電設備供電，每路功率模塊采用功率MOSFET技術，實現對供電設備的智能通斷控制，具有對輸出電壓、輸出電流和自身溫度的實時監控的功能[1]；射手顯示終端是一個人機交互設備，主要負責電源總開關的控制和電源狀態以及用電設備狀態的監控工作。主要由帶有周邊鍵的顯示器和電源總開關組成，智能電源管理單元工作時,當控制模塊通過CAN總線接收到射手顯示終端配電指令時，經過LIN總線控制各路功率模塊實現用電設備配電的輸出，各路功率模塊實時監測各路輸入電源、輸出電源的工作狀態以及是否出現過壓、過流、短路或過熱等故障，并及時通過內部LIN總線將相關信息回傳給控制模塊，控制模塊經過CAN總線上報射手終端顯示[2]，并實時對電源輸入輸出進行控制。在工作過程中，射手顯示終端由射手操作和觀察，顯示界面上有相應的虛擬指示燈和數據表格，實時顯示各個用電設備負載當前的電流電壓值和消耗的實際功率。

圖3 智能電源管理單元組成示意圖

3.3 配電邏輯容錯技術

復雜的發射車武器系統對于供斷電時序有著嚴格的要求，否則有可能造成發射裝置飛車、設備損壞和導彈誤發射等事故，也可能對用電設備和乘員的絕對安全造成嚴重威脅，這就要求配電邏輯容錯性有良好的設計。導彈發射車智能電源管理系統根據發射車武器系統工作流程，結合各用電設備的功率大小和工作時序，將用電設備供電模式分為3類, 并針對不同負載特性，設置了分級的上斷電策略，如表1所示。第一類為全過程需要供電設備，比如射手顯示終端和數據記錄設備等，這些設備需要最早上電而且最晚斷電；第二類為目標搜索類設備，比如電臺、數傳、觀瞄控制和射手顯示終端等，這些設備應在發射準備階段開始上電，發射流程結束斷電；第三類為短暫供電設備，比如發射裝置和桅桿伺服驅動器等，這類設備的上電斷電由相應的設備流程控制，但應晚于控制設備上電，早于控制設備斷電，才能保證執行設備的絕對安全。

表1 設備上電分類

上斷電過程中，系統對沒有按規定流程的上斷電操作，設計了容錯策略，正常時應按照“一級上電”、“二級上電”、“三級上電”的上電順序給武器系統上電，斷電時按照與上電相反的順序為武器系統斷電。但如果出現沒有按規定流程的上斷電操作，系統啟動保護程序處置，比如在沒有一級上電的情況下操作三級上電，系統會自動執行一二級上電后再為三級設備上電，相反，三級未斷電的情況下操作一級斷電，系統會自動先執行三級斷電和二級斷電，最后執行一級斷電，有效地保護了武器系統和乘員的安全，以一級斷電為例，邏輯流程如圖4所示。

圖4 配電邏輯容錯邏輯流程框圖

導彈發射車智能電源管理系統經過方案論證、原理樣機設計、工程樣機設計，進行了環境試驗、可靠性試驗和電磁兼容試驗考核，實現了導彈發射車并網協同供電、具有用電設備智能電源管理、實時狀態監控，故障告警和安全保護等功能，滿足了設計技術要求，智能電源管理系統部分人機交互界面如圖5所示。

圖5 智能電源管理系統部分界面

4 結論

以某型導彈發射車智能電源管理系統總體設計為背景，解決了并網協同供電、智能電源管理和配電邏輯容錯等關鍵技術，該系統實現了供配電的智能化控制和管理，在性能鑒定試驗中，經過了環境試驗、電磁兼容試驗的充分的考核，運行穩定，為同類產品的設計積累了經驗。