燃气轮机在电传动装甲车辆中的应用评价

庞宾宾， 文 勇， 钱万友， 廖自力

(1. 装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部队， 北京 100042)

燃气轮机在电传动装甲车辆中的应用评价

庞宾宾1,2， 文 勇2， 钱万友2， 廖自力1

(1. 装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部队， 北京 100042)

为验证燃气轮机在电传动装甲车辆中应用的可行性，设计了一种军用车辆混合动力系统，采用多动力源协调输出控制策略对混合动力系统中多动力源进行优化控制，开展了基于燃气轮机的军用车辆混合动力系统仿真试验。仿真结果表明：基于燃气轮机的军用车辆混合动力系统满足负载需求，电源系统动态响应速度较快，供电质量得到提升，各动力源的工作状态得到优化。

电传动车辆；燃气轮机；混合动力系统；控制策略

随着陆战平台全电化的发展，电能成为电传动装甲车辆火力、防护和机动的基础[1-2]，也极大地提高了负载总的需求功率。受功率密度等技术水平限制，柴油机在大功率装甲车辆混合动力系统中的应用受到严重制约。然而，与柴油机相比，燃气轮机在体积功率和发电特性等方面具有明显优势[3]：一方面，燃气轮机工作转速高，与发电机之间匹配不需要增速器，改善了机组供电质量，提高了发电效率；另一方面，燃气轮机功率密度高，在相同功率等级下，燃气轮机功率更高，能够有效减小电传动系统体积、质量，并极大改善电传动系统动力舱布置的灵活性，提升空间利用率。因此，燃气轮机与电传动装置匹配良好，较适合作为电传动系统的主动力源[4]。

鉴于燃气轮机的上述优势，美国等国家均开展了基于燃气轮机的车辆混合动力系统研究[5-6]，而我国对装甲车辆电传动技术的研究还不够深入[7-8]，基于燃气轮机的电传动方案尚未见相关报道。因此，为充分论证燃气轮机在电传动装甲车辆中应用的可行性，本文设计了基于燃气轮机的电传动方案，采用建模仿真等手段来检验和评价基于燃气轮机的电传动系统性能。

1 总体方案

1.1 系统结构

为满足军用车辆必须具备机动性好、行驶里程大等特殊需求，具有发动机-发电机组的混合动力电传动装甲车辆结构主要有3种[9-11]，其中：并联式和混联式电传动方案中均保留了机械传动装置，加上辅助动力源等其他电传动部件，使得系统结构非常复杂，体积、质量也大大增加;而串联式电传动系统则取消了机械传动装置，结构更加简单，布置更加灵活。基于以上分析，本文设计了基于燃气轮机的电传动系统方案，如图1所示。

图1 基于燃气轮机的电传动系统方案

该电传动系统以燃气轮机-发电机组为主动力源，以动力电池组和超级电容作为辅助动力源，动力电池组通过单向DC/DC(放电不控，充电可控)与燃气轮机-发电机组输出匹配，满足负载功率需求。直流母线并联超级电容和能耗装置，抑制母线电压波动；通过能耗装置消耗过多能量，保证高压安全和系统可靠性。

1.2 参数设计

根据表1所示电传动车辆的基本参数及性能指标要求，采用车辆动力学理论[12]，以满足车辆最高行驶速度和最大爬坡度为约束条件，综合考虑各部件的效率，按照功率链由后至前，开展启动/发电机、动力电池等部件的功率或容量等级的匹配计算与优化设计。通过计算得到的某型电传动车辆各部件主要性能参数如表2所示。

表1 电传动车辆的基本参数及性能指标要求

2 多动力源协调输出控制策略

针对不同的结构型式，电传动车辆多动力源协调输出控制方法较多[13-15]。在此，针对基于燃气轮机的电传动车辆中各部件工作特性，制定的多动力源匹配输出控制策略主要由多动力源功率分配模块、燃气轮机目标转速计算模块、整流器目标电压计算模块和DC/DC目标电压计算模块组成。

表2 某型电传动车辆各部件主要性能参数

1) 功率分配模块

合理分配各动力源功率输出是保证车辆机动性能、改善整车燃油经济性以及提升电源系统供电质量的关键。燃气轮机-发电机组和动力电池的分配功率由动力电池荷电状态(State Of Charge，SOC)以及负载需求功率Pload决定。具体分配策略可用以下公式表达。

Peg=f1(Pload,SOC)=

(1)

Pbatt=f2(Pload,SOC)=

(2)

式中：Peg为燃气轮机-发电机组分配功率；f1为燃气轮机-发电机组分配功率识别函数；Pbatt为动力电池分配功率；f2为动力电池分配功率识别函数。

2) 燃气轮机目标转速计算

由于燃气轮机-发电机组与负载之间实现了解耦，因此可控制燃气轮机在高效区域内运行。而由图2所示的燃气轮机最佳转速-功率曲线可知：在整个燃气轮机功率输出范围内，其对应的最佳转速变化范围较小，可控制燃气轮机沿该曲线输出。根据期望的燃气轮机-发电机组输出功率Peg值，考虑机组效率折算到燃气轮机的期望功率，结合燃气轮机最佳转速-功率曲线可得到当前燃气轮机目标转速。

图2 燃气轮机最佳转速-功率曲线

3) 可控整流目标电压计算

(3)

式中：Vdc为母线实际电压;Idc为整流器直流侧输出电流；kp1、ki1为PI调节器1的参数。

4) DC/DC控制方案

根据Pbatt确定DC/DC控制方案。

(kp2+∫ki2dt)(Pbatt-VbattIbatt),

(4)

式中：Vbatt为电池电压；Ibatt为电池电流；kp2、ki2为PI调节器2的参数。

(2) 当Pbatt=0时，工作模式为不工作。

(3)当Pbatt>0时，工作模式为不控放电，电池最大放电电流限制为Ibattmax=200 A。

综合功率分配模块、燃气轮机目标转速计算模块、整流器目标电压计算模块以及DC/DC控制方案，可得多动力源协调输出控制原理,如图3所示。

图3 多动力源协调输出控制原理

基于图3，能够实现系统多个目标的优化控制：1)满足负载需求，保证车辆具有良好的机动性能；2)保持电池SOC在65%～75%之间，满足静音行驶需求；3)动态能量平衡原则，改善系统供电质量；4)回收制动能量，提升能量利用率。

3 仿真验证

为检验燃气轮机在混合动力系统中的性能，进而验证燃气轮机在电传动车辆中应用的可行性，在多动力源协调输出控制策略下，对本文设计的电传动混合动力系统进行仿真验证。在设置SOC=50%的情况下，系统仿真结果如图4所示。

图4 基于燃气轮机的混合动力系统仿真结果

从图4可以看出：燃气轮机-发电机组能够很好地跟随给定功率，响应速度较快，输出功率较平稳；与动力电池以及超级电容配合，能够很好地满足负载需求，直流母线电压在可接受范围内波动；动力电池充电功率能够跟随给定功率，为提升电池SOC水平，在功率允许的情况下即给动力电池充电，以提高电池的电量。可见：燃气轮机良好的动态响应性能在满足负载需求的同时，也优化了动力电池的工作状态，使其具有良好的功率跟随性能。

由以上仿真结果可知：将燃气轮机应用于电传动车辆混合动力系统中，车辆电源系统动态响应速度快，能够满足机动时的快速功率需求；同时，燃气轮机快速的动态响应优化了动力电池等其他部件的工作状态，提升了电源系统供电品质。

4 结论

为充分论证燃气轮机在电传动装甲车辆中应用的可行性，本文设计了基于燃气轮机的装甲车辆电传动方案，并结合多动力源协调输出控制策略和典型工况对系统进行了仿真验证。仿真结果表明：燃气轮机-发电机组具有较快的动态响应特性，减小了母线电压波动范围，提升了混合动力系统的供电品质，优化了各动力源的工作状态。本文只是进行了仿真验证，下一步将采用实车试验等手段进一步验证燃气轮机在电传动装甲车辆中应用的可行性，为电传动车辆混合动力系统设计提供依据。

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(责任编辑: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

庞宾宾(1983-)，男，博士研究生。

U464.31;U463.23

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.008