陆战平台综合电力系统及其关键技术研究

马晓军， 袁东， 项宇， 魏曙光

(装甲兵工程学院 控制工程系, 北京 100072)

陆战平台综合电力系统及其关键技术研究

马晓军， 袁东， 项宇， 魏曙光

(装甲兵工程学院 控制工程系, 北京 100072)

针对地面战斗平台电驱动、电武器、电防护以及其他多用电任务剖面需求，提出了陆战平台综合电力系统的理论构架，对系统概念、功能与特点进行了界定，并构建了一种基于多驱动特性能量源的系统分布式体系结构。在此基础上，以“系统容量”和“电能质量”为纽带，系统分析了能量源匹配计算、功率变换装置设计、能量分配与优化控制以及电能质量分析与管理等关键技术。研制了系统样机并应用于工程实践，为加快推进陆战平台全电化技术发展提供能源支撑与技术借鉴。

兵器科学与技术； 陆战平台； 综合电力系统； 能量管理； 电能质量

0 引言

随着新军事技术变革的持续推进，以电驱动、电武器、电防护为主要特征的全电化陆战平台成为战斗车辆的重要发展方向[1-3]。与传统战斗车辆相比，全电化陆战平台的能量形式发生了本质变化，前者大部分能量以机械能的形式限制在动力驱动系统中，火炮发射主要靠弹药的化学能，只有少部分能量以电能的形式存在于车辆电源系统中，且这几种形式的能量源不能相互调配。全电化陆战平台以电能作为基本能量源，综合运用变换、传输、控制等技术，将其作用于机动、武器、防护等各个系统，通过对电能的统一管理和动态分配，使其既满足高速机动时的动力需求，又能提供战斗状态下电武器和电防护系统的用电需求，从而实现作战平台整体性能的全面提升。因此，对于全电化陆战平台来说，支撑各任务系统的电能需求将在传统战斗车辆的基础上持续呈几何级数增长，如何提供充足、清洁的电能，并实现其高效、可靠、安全的存储、变换、传输、分配、管理以及综合集成成为全电化陆战平台是否能充分发挥其战术技术性能的关键因素。

目前关于车载大功率供电技术的研究还相对薄弱，相关工作主要集中在电传动装甲车辆中，一般将其作为电传动系统的前功率链进行分析研究，通常采用发动机- 发电机与单一动力电池直接并联模式，系统结构比较简单，难以同时满足系统工作过程中对峰值功率和能量双重需求[4-6]；此外，系统管理控制策略还不够完善，主要侧重于能量的分配控制[7-8]，对系统供电质量、污染治理等分析不足，难以满足全电化陆战平台电能高效、清洁等需求。针对上述问题，本文提出了陆战平台综合电力系统的理论构架，下面首先对系统概念、功能与特点进行界定。

1 陆战平台综合电力系统概论

1.1 系统定义与特点

陆战平台综合电力系统是为满足地面战斗平台电驱动、电武器、电防护以及其他多用电任务剖面需求，集大容量/大功率电能生产、存储、变换、分配、回馈及其综合管理控制于一体的车载电力集成系统。

综合电力系统配置灵活，具有很强的开放性和可扩展性，它不仅能实现电驱动、电武器和电防护系统所需能量的统一调度和动态分配，同时也可为电磁悬挂、束能毁伤以及光电侦察与对抗等其他新技术的车载化应用提供电力支撑。此外，系统既可孤岛运行，又可与其他作战平台实现接入交互和能量共享，这样一来，每一作战平台不仅是战场中能量消耗单元，同时也可以作为战场能量保障系统的能量存储单元，成为战场智能电网中的一个能量保障节点[9]，从而提高部(分)队整体作战能力和战场生存能力，这些优势都是传统车辆难以比拟的。

较之传统战斗车辆供电系统，陆战平台综合电力系统还具有以下特点：

1)系统容量大，电压等级高。传统战斗车辆电能需求较小，一般为几千瓦到十几千瓦，因此通常采用单一的28 V供电体制。随着陆战平台全电化的发展，电能需求急剧上升，根据文献[10]，20 t级的全电战斗平台电功率需求在300 kW左右，40 t级战斗平台则高达800～1 000 kW，供电电压高达600～1 000 V，峰值工作电流高达500 A以上，这给系统部件设计、可靠性以及安全性等提出了更高的要求。

2)能量制式多，电能质量要求高。系统负载特性各异，既包括驱动系统“负阻尼特性”负载，又包括电磁炮、电热炮等“脉冲功率特性”负载，还有为指挥控制系统供电的“精电源”。因此要求综合电力系统的能量制式多，且具有与负载特性相适应的驱动特性，同时还要求电能尽可能的清洁，谐波小，电能质量高。此外，作为能源平台，还需具备与外部电网的接入交互能力。

3)能源形式多样化，控制难度大。为满足大容量、多制式供电需求，综合电力系统一般由多种形式的分布式能量源组成，通过电力电子装置实现其能量交换，系统结构比较复杂，能量管理和分配控制难度大。同时，各种电力电子装置会产生大量的谐波，影响供电质量，因此污染治理也成为系统控制的一个重要任务。

4)工作环境苛刻，效率和电磁兼容性要求高。地面战斗平台内部空间小，行驶颠簸大，工作环境恶劣，因此需要系统功率密度高，能量转换效率高，抗冲击振动能力强，电磁兼容性好，这就对部件设计、系统集成、综合试验等提出了严苛要求。

1.2 体系结构设计

根据上述分析，并考虑到陆战平台全电化技术发展现状，本文构建一种基于多驱动特性[3]能量源的陆战平台综合电力系统，其原型结构如图1所示。

图1 综合电力系统原型结构Fig.1 Prototype structure of integrated power system

如图1所示，系统采用发动机- 发电机组作为主能量源，发电机选用起动/发电一体机，通过脉冲宽度调制(PWM)整流器与直流供电网络连接，提供战斗平台遂行任务所需的平均功率(随着燃料电池技术的飞速发展，将来可能替代发动机- 发电机组作为主能量源)；辅助能量源采用动力电池与超级电容复合储能结构，动力电池通过双向直流转直流(DC/DC)变换器与超级电容并联到直流网络；此外，为了吸收直流供电网络的剩余能量，抑制泵升电压，系统还设计有释能单元。

这种复合储能结构可有效结合动力电池高能量密度和超级电容高功率密度的特点，提高系统负载适应能力。其中，超级电容直接挂接到直流网络，瞬态超高负荷驱动能力好，响应速度快，同时减少了中间环节的能量损耗；动力电池的充放电通过双向DC/DC变换器控制，可在满足系统功率需求的前提下兼顾电池荷电状态(SOC)，使其具有较高的充/放电效率，同时保护电池安全运行。

此外，由于发电机和动力电池与直流网络之间都有可控功率变换装置，两个能量源可实现解耦，二者可以根据各自的最佳运行目标进行独立能量分配；同时通过合理规划直流网络电压工作范围，可充分发挥超级电容的瞬时能量吸收与补偿作用，缓解发电机和动力电池的瞬时能量供应负担，保护其平稳运行，提高工作效率和使用寿命。超级电容直接并联在直流网络还可有效地减小谐波，抑制电压高频波动，改善供电质量。

需要指出的是：图1中超级电容的预充电通过串接预充电阻来实现，这种方式原理简单，实现容易，但在实际系统中由于超级电容的容量大，预充电阻体积和回路电流都很大，预充过程会造成较大的能量损耗，同时导致系统体积增加，并给自身散热设计带来困难；此外，这种方式还存在充电末期电流小、充电速度慢等问题。因此为了提高系统功率密度和工作效率，在实际工程应用中对超级电容预充环节进行改进，设计了如图2所示的系统应用结构。

如图2所示，在预充电初始阶段，控制高压接触器K3、K4闭合，动力电池接入双向DC/DC高压侧，超级电容接入低压侧，DC/DC工作在降压恒流模式，当充电至二者电压相等时，断开K3、K4，闭合K2、K5，DC/DC采用升压恒流工作模式，直到充至目标电压，K1闭合，动力电池和超级电容并联向直流母线供电。这种方式可有效利用双向DC/DC的多种工作模式实现恒流充电，充电速度快，效率高，且省去了预充电阻，系统体积小，同时能量损耗大大降低。

图2 综合电力系统应用结构Fig.2 Applied structure of integrated power system

此外，为了实现综合电力系统的集成控制和能量管理，图2还构建了系统综合管理控制单元，包含状态采集模块、驱动控制模块和总线模块，各关键部件通过Flexray总线与综合管理控制单元相连。为简化系统体系结构，在实际工程应用中将直流供电网络、DC/DC变换器、综合管理控制单元及其相应的检测、驱动功能模块整合集成在一起，构成电力集成控制器，综合实现系统电能的变换、分配、监测和管理控制。

1.3 研究的关键问题

陆战平台综合电力系统作为一个支撑各任务系统工作的统一能源平台，衡量性能的主要指标有两个：一是系统容量，二是电能质量，这两个指标贯穿于电能的生产、存储、变换、分配、回馈以及管理控制等各个分系统的设计。

首先来看系统容量问题，它包括总能量与瞬时能量(即功率)管理，前者主要指系统携带的总能量是否能满足任务需求，各种能量源之间如何配置才能发挥最大效能，这就涉及到电能生产和存储分系统的匹配设计；功率管理是指具体到某一动态时刻，各种能量源之间如何协调来保障任务需要，并同时尽可能使系统内部各能量源处于自身的最优或者次优工作状态[3]，这主要是通过管理控制分系统的能量管理控制策略来实现的。

电能质量涉及到直流网络的稳定性、供电质量、谐波治理等问题。在孤岛运行的综合电力系统中，电能变换分系统中的各种功率变换装置会产生大量的谐波，造成电网波动，因此如何减小谐波，改善供电质量也是电能变换分系统设计和管理控制分系统的控制策略研究时需要着重考虑的问题。

综上分析，下面从负载特性及其功率需求分析入手，重点对电能生产与存储分系统、电能变换分系统和管理控制分系统的设计进行论述。

2 基于任务剖面的多能量源匹配计算——电能生产与存储分系统设计

综合电力系统多能量源的匹配计算与其负载系统紧密相关，为分析方便，本文以某20 t级战斗平台为对象进行分析，任务负载主要考虑电驱动系统。

2.1 负载特性与需求功率分析

战斗平台电驱动系统性能除包括传统车辆的高速行驶性能、爬坡性能、加速性能和转向性能外，还有静默行驶性能。

首先分析传统性能，高速行驶时需求功率[4,11]为

(1)

式中:m为战斗平台质量;ηs为系统效率(含驱动器、电动机、减速器及行驶效率);f为路面滚动阻力系数;CD为空气阻力系数;A为迎风面积;vmax为最大行驶速度。取vmax=120 km/h可求得此时需求功率约为320 kW.

爬坡时的需求功率[4,11]为

(2)

式中:α为爬坡角度，取30°坡；vs为爬坡速度，取为7 km/h，可得此时需求功率约为312 kW.

考虑设计裕量，系统峰值需求功率取为

PQmax=330 kW.

(3)

进一步可根据文献[11]验证此功率能够满足0～32 km/h加速时间要求和转向功率需求。下面据此进行系统参数设计。

2.2 系统基本参数与能量源匹配设计

2.2.1 系统供电电压

根据上述功率需求，综合分析电机制造、电力电子器件以及绝缘等水平，同时为深入推进军民融合，充分吸收民用技术成果，考虑到民用产品电压等级，将系统直流网络标称电压选取为750 V，工作范围为650～850 V.

2.2.2 发动机- 发电机组匹配计算

如前所述，发动机- 发电机组提供系统所需的平均功率，以80%最高车速时系统需求功率作为平均功率，根据(1)式可计算得发电机组提供功率：

PG=262 kW.

(4)

2.2.3 动力电池参数设计

动力电池的参数设计需考虑两个方面：一是补充系统需求功率，保证机动性能；二是满足静默行驶性能要求。由前文分析可知，峰值需求功率时需要动力电池提供功率为

PB=PQmax-PG=68 kW.

(5)

设定平台以20 km/h速度静默行驶，行驶时间30 min，静默行驶里程10 km. 则根据(1)式，并考虑到设计裕量可求得需要动力电池提供功率

PB=61 kW.

(6)

综合(5)式、(6)式，考虑动力电池过载能力与超级电容能量补偿作用，动力电池功率取为61 kW. 设动力电池的放电深度φ=0.5，考虑辅助电气设备功率需求，取功率增加系数δ=1.1，则动力电池的能量为

EB=δPBt/φ≈67.1 kW·h.

(7)

考虑到动力电池和双向DC/DC变换器工作效率，选取动力电池SOC=70%时端电压为670 V，由此可计算得动力电池容量：

QB≈100 A·h.

(8)

2.2.4 超级电容参数计算

如前所述，超级电容的主要作用是在突加/突卸负载时提供瞬时能量补偿与吸收，缓解发电机和动力电池的瞬时能量供应负担。取瞬时需求功率为峰值需求功率的2/3，即

PQi=2PQmax/3=220 kW,

(9)

并设发动机调节时间为3 s，动力电池输出不变，直流网络电压可由750 V跌落至650 V，则超级电容的电容值为

(10)

式中：V0为母线标称电压；Vmin为母线允许最低电压。

同理可计算母线电压泵升时超级电容能够吸收的瞬时能量，剩余部分由释能单元吸收。

需要说明的是：上述分析主要考虑电驱动系统，当使用电武器和电防护系统时，可适当降低机动速度来保证其功率需求。以文献[11]研究的电能武器为例：单发耗能0.3 MJ，重置时间为5 s，则考虑到脉冲电源转换效率，其充电功率约为66 kW. 如动力电池仍以1 C(100 A)放电，且不考虑超级电容补偿作用，根据(1)式可计算得此时最大机动速度约为96 km/h. 当然，由于电武器系统重置时间短，在动力电池轻载条件下，也可短时增大其放电电流或利用超级电容补充所需能量，同时保证战斗平台的机动性。

对于重置功率需求更大的电武器和电防护系统，采用上述方法难以满足战术技术指标要求时，则需采取增大各能量源容量或者考虑在脉冲电源前端设置二级电能缓存装置等措施，抑制短时大功率负载造成的系统冲击。

3 系统关键功率变换装置研究——电能变换分系统设计

如图2所示，电能变换分系统主要包括双向DC/DC变换器和PWM整流器。它们是系统能量变换的核心单元，同时也是实现系统能量管理控制策略的重要执行部件，此外其拓扑结构和控制方法还会影响到供电质量，因此下面对其进行重点分析。

3.1 双向DC/DC变换器设计

由前述分析可知，双向DC/DC需具备正向升压、反向降压两个方向的功率变换，同时根据综合管理控制单元指令工作在恒流和恒压工作模式。综合考虑系统功率需求和动力电池使用寿命，选取最大充电电流为1 C(100 A)，放电电流为3 C(300 A)。考虑到设计裕量，双向DC/DC变换器充电功率设计为75 kW(反向降压时)，放电功率为220 kW(正向升压时)。为了提高功率密度和工作效率，减小装置体积，同时减小电流纹波[12-13]，本文设计如图3所示的交错并联双向软开关DC/DC变换结构。

图3 交错并联双向软开关DC/DC变换器Fig.3 Parallel-interleaved bidirectional DC/DC soft-switching converter

如图3所示，该拓扑采用两个结构相同的双向DC/DC变换电路并联构成，其中T1～T4为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，D1～D4为反向续流二极管，LEMV为电压传感器，LEMI为电流传感器，C为直流滤波电容，L0为储能电感，L1、L2为饱和电感，用于实现软开关控制。反向降压模式时T1、T3工作，二者依次导通，相位相差1/2个开关周期，正向升压模式时T2,T4工作方式与其类似。由于两种模式具有对偶关系，下面仅以反向降压模式为例进行分析，其工作波形如图4所示。

图4 反向降压模式工作波形Fig.4 Working waveforms of back-directional mode

t=0时刻前，T1关断，二极管D4续流，饱和电感L1中电流为0.t=0时刻，T1零电流导通，T1、L1中电流线性上升，D4、L2中电流线性下降，斜率均为

(11)

3.2PWM整流器及其控制

图5 PWM整流器拓扑结构Fig.5 Topological structure of PWM rectifier

PWM整流器能够实现能量双向流动，且功率因素高，动态响应快，电网污染小[14-15]，因此本文以其为主电路拓扑设计起动/发电一体机的控制器，结构如图5所示。其中，T1～T6为IGBT，D1～D6为反向续流二极管，LEMV为电压传感器，LEMI为电流传感器，C为直流滤波电容，L为输入电感。

PWM整流器具有两种工作模式，即有源逆变模式和可控整流模式，其控制结构如图6所示。图6中，ωref为给定转速，ω为实际转速，θ为转角，Idref为d轴给定电流，Id、Iq分别为d、q轴的实际电流，Iabc为交流单相电流，VDCref为直流侧给定电压，VDC为直流侧实际电压。当起动/发电一体机工作在起动状态(即电动状态)时，PWM整流器为有源逆变模式，由直流网络供电，带动发动机由零速起动逐渐加速到怠速，此时控制结构如图6中虚框①所示。当发动机达到怠速以上转速时，起动/发电一体机工作在发电状态，此时PWM整流器转换为可控整流模式，向直流网络提供能量，控制切换为图中虚框②所示结构。为了保证在较宽转速范围内实现直流电压的稳定，提高供电质量，可控整流模式采用低速升压和高速弱磁控制技术。

图6 PWM整流器控制结构Fig.6 Control structure of PWM rectifier

4 系统集成管理控制技术——管理控制分系统设计

4.1 综合管理控制单元构架

由图2可知，为了实现系统控制目标，综合管理控制单元需要根据各种状态信息，控制发动机控制器(ECU)、PWM整流器、动力电池管理系统(BMS)、双向DC/DC等关键部件以及系统内部各高压接触器协调工作。控制逻辑复杂，运算量大，实时性要求高，同时还需具备较强的抗干扰能力和容错能力，保证系统高稳定、健康运行。针对上述要求，本文构建基于数字信号处理器+现场可编程逻辑门阵列(DSP+FPGA)多核并行的综合管理控制单元结构，其总体构架如图7所示。

图7 系统综合管理控制单元构架Fig.7 Framework of comprehensive management/control unit

系统核心控制功能由核心处理器和协处理器实现，核心处理器(采用DSP-TMS320F28335)实现核心控制和能量管理主体算法，协处理器(采用FPGA-XC3S500E)主要用于处理算法中参数动态寻优等并行计算程序，算法开发采用基于dSPACE的一体化集成开发方法。接口控制器(采用DSP-TMS320F28335)具有Flexray总线和CAN总线接口，实现与各关键部件的信息传输与控制。各处理器之间的信号交互采用基于FPGA的虚拟多口随机存储器(RAM)实现，同时FPGA还实现状态采集和接触器的驱动控制。

综合管理控制单元主要实现系统状态监控、超级电容的预充控制、配电控制、能量管理、电能质量控制、高压安全管理以及降级、备份与冗余控制等功能，限于篇幅，此处重点对能量管理和电能质量控制进行分析。

4.2 功率分配与优化控制

系统能量管理目标主要有两个：一是实现各能量源之间的协调控制，使其呈现出与负载特性相适应的驱动特性，以最大程度满足各任务系统的用电载荷需求；二是在此前提下，控制各能量源按照自身最优或次优工作模式运行，提高工作效率和使用寿命。具体包括：控制发动机工作在燃油效率高效区，同时避免其工作点频繁大幅波动；维持动力电池SOC值在充/放电高效区，并合理控制其充/放电过程，延长使用寿命；合理规划母线电压，提高超级电容利用率，同时保证各用电负载安全工作。

为此，本文综合考虑需求功率、动力电池SOC、直流母线电压以及负载状态等变量，构建如图8所示的能量管理结构，主要包括功率分频、低频功率分配、状态规划与分配修正以及部件优化控制等部分。图8中，PQ为需求功率原始量，PQ,lf为分解出的低频分量，PQ,hf为高频暂态分量，PBQ为动力电池分配的需求功率，PGQ为动机- 发电机组分配的需求功率，ΔPB为动力电池需求功率的修正量，ΔPG为发动机- 发电机组需求功率的修正量，v为当前车速，Vopt为规划母线电压，IBQ为动力电池的电流需求值，nEQ为发动机的转速需求值，nE为发动机的实际转速，VPWMQ为PWM整流器输出电压需求值。

图8 系统能量管理控制策略结构Fig.8 Structure of energy management strategy

4.2.1 基于小波变换的功率分频

电驱动系统中的需求功率往往包含高频暂态分量，这些分量会导致发动机- 发电机组工作点剧烈变化以及动力电池损坏，为此，本文充分利用超级电容的暂态快速加载优势，采用基于3阶小波变换的功率分频方法，将需求功率分解成高频暂态分量和低频分量，高频分量分配给超级电容，低频分量分配给发动机- 发电机组和动力电池[16]，其分解结构如图9所示。

图9 基于小波变换的功率分频方法Fig.9 Wavelet transform-based power sub-band method

图9中，Hi(z),i=0,1为分解滤波器，其表达式为

(12)

4.2.2 基于模糊逻辑的低频功率分配

限于篇幅，此处仅讨论发动机- 发电机组与动力电池同时工作情况。低频功率分配模糊控制器的输入量为需求功率低频分量和动力电池SOC，输出为发动机- 发电机组与动力电池的期望功率，根据前述能量管理目标，模糊控制器采用的基本分配规则如图10所示。其中，SOCmin为动力电池工作区域SOC下限，SOCmax为工作区域SOC上限，SOCRmin为系统控制的目标区域下限，SOCRmax为目标区域上限，PBD，max为动力电池最大放电功率，PBC，max为最大充电功率，PGmax为发动机- 发电机组最大输出功率。

图10 低频功率分配规则Fig.10 Rule of low-frequency power distribution

4.2.3 状态规划与分配修正

超级电容除了能够平滑需求功率的高频暂态分量外，还能实现突加/突卸负载时能量补偿与吸收，缓解发电机和动力电池负担，其利用率取决于母线电压的变化范围，为此图8中增加了基于母线电压的分配功率修正环节，母线电压的状态规划采用模糊逻辑，其基本规则为：

1) 由于车辆机动速度较低时制动产生的回馈电能很小，高速时回馈能量大，因此考虑母线电压随机动速度的提高而适当降低，以增加超级电容吸收制动回馈能量的裕度。

2) 考虑到动力电池的充/放电效率和边界电流限制，设定母线电压随SOC的减小而适当提高，以提高超级电容的供电补偿能力，减轻动力电池负担。

4.3 电能质量分析与管理

4.3.1 系统直流网络电流谐波频谱计算

综合电力系统的任务负载中存在多个功率变换装置，它们是造成电网波动，影响供电质量的重要源头，此处以电驱动系统电机PWM逆变器为例进行分析，其典型结构如图11所示。

图11 PWM逆变器典型结构Fig.11 Typical structure of PWM inverter

图11中，VDC为直流侧电压，C1、C2为直流滤波电容，T1～T6为IGBT，D1～D6为续流二极管，A、B、C为电机三相绕组。设三相开关函数分别为SA、SB、SC，则直流母线电流可表示为

IDC=FAIA+FBIB+FCIC,

(13)

式中，IA、IB、IC分别为三相电流，其值由三相阻抗ZA、ZB、ZC和三相电压VAO、VBO、VCO共同确定。前者为系统对象特性，后者由逆变器调制产生，其特性与基波、载波和调制方式等因素有关。

以VAO为例，其级数表达式[17]可写为

(14)

式中：ω0、ωc分别为基波和载波频率；θ0、θc分别为基波和载波相位角；Amn、Bmn为谐波系数，由调制方式确定，如对于空间矢量调制，有

(15)

式中：i=1，2，3，4，5，6为调制的6个扇区；yl(i)、yu(i)为每个扇区的角度起始范围；xl(i)、xu(i)为每个扇区调制波形的上升沿和下降沿时间，当二者对称时，有xl(i)=-xu(i). 根据空间矢量调制原理，可求得(15)式中的积分限如表1所示。

为了分析方便，将(14)式表示为复数形式

(16)

式中：Ck、θk由(15)式求得。则对于隐极同步电机，不考虑空载反电势时，根据文献[18]可利用(13)式可求得直流母线波动电流为

表1 谐波系数积分限

注：表中M为调制波形系数。

(17)

4.3.2 谐波抑制与电网质量分析

谐波抑制一般有两种方法，即无源滤波和有源滤波[19]。前者在直流母线并联支撑电容实现滤波，电容容量越大，其纹波抑制能力越强，但同时会使得装置的体积和成本大幅增加。有源电力滤波基本原理是从补偿对象中实时检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与其对应的补偿电流，从而改善电网特性，有源电力滤波可以跟踪谐波频率和幅值的变化，抑制效果好，但需要额外增加补偿装置，系统结构复杂，体积增加，同时可靠性降低。为此，本文直接利用超级电容的暂态快速加载能力，构建基于超级电容的母线谐波抑制结构，下面对其动态特性进行分析。

由于PWM整流器与双向DC/DC输出响应均存在延时，因此在只考虑电流波动成分时，可将其等效为时间常数为TP的1阶惯性环节，并进一步采用斜坡函数近似描述输出电流[20]，即

Ip=kt，0≤t≤TP.

(18)

电驱动系统电机PWM逆变器采用电阻与直流反电势串联等效电路RL-eL[21]。则在突加波动电流IDC时，母线电压方程可描述为

(19)

求解可得

(20)

式中：VDC0为母线电压初值。

令dVDC/dt=0，可求得：

当

(21)

时，VDC获得最小值(由于超级电容容量C足够大，可保证tP满足条件0≤tP≤TP)。

将(21)式代入(20)式，可得

(22)

当C很大时，利用幂级数展开可将其化为

(23)

则容易求得母线电压波动量

(24)

由此可见，当超级电容容量足够大时，母线电压波动量ΔVDC很小，因此各功率变换装置直流母线侧的滤波电容可适当减小，从而减小装置体积。

需要说明的是：上述分析是以线路电感为0的理想条件下进行的。当考虑线路电感时，超级电容与功率变换装置滤波电容之间可能会出现纹波电流谐振；同时，直流母线上挂接的多个电机驱动器滤波电容也有可能出现谐振，影响电能质量，严重时甚至导致系统失稳，因此在实际系统中如何分析设计线路电感也是一个重要问题。其基本方法包括采用低感母排减小线路杂散电感、提高功率变换装置开关频率等[22]。

5 系统研制与试验

根据前述分析，研制出应用于20 t级战斗平台的综合电力系统，其主要部件如图12所示。

图12 综合电力系统主要部件Fig.12 Main components of integrated power system

图13为超级电容预充电曲线，充电过程分为3个阶段。第1阶段(即图13中5～10 s区间)超级电容电压较低(<100 V)，将其接入双向DC/DC低压侧，DC/DC采用小电流降压恒流控制，动力电池以15 A放电，超级电容电压迅速上升至100 V并进入第2阶段(即图13中10～80 s区间)，双向DC/DC增大充电电流，动力电池以100 A放电；随着二者电压差减小，充电电流开始下降，当其电压相等时，充电电流减小为0，此时控制接触器实现零电流切换，将超级电容接入DC/DC高压侧并进入第3阶段(即图13中80～105 s区间)，双向DC/DC采用升压恒流控制，动力电池以200 A放电，将超级电容充至目标电压750 V. 由图13可知，整个预充电过程可根据综合管理控制单元指令实现精确控制，充电效率高，速度快，且能量损耗小。

图13 超级电容预充电过程曲线Fig.13 Curves of the precharge process for super capacitor

图14是动力电池SOC为70%时综合电力系统带载工作状态曲线。其中：图14(a)为车速和直流母线电压曲线，当车速提高时母线电压随之下降，反之亦然，且母线电压谐波较小，系统供电质量好；图14(b)为系统各主要部件直流侧电流，由图14(b)可知，超级电容能够很好地吸收系统高频需求功率，同时在突加/突卸负载时具有较快的反应速度，及时进行能量补偿与吸收，有效地缓解了发电机和动力电池负担；发动机- 发电机组提供系统平均需求功率，输出电流平稳，动力电池可有效补充和吸收系统剩余功率，系统总体工作效率高，且各部件能够长时间工作在自身最佳状态。

图15是动力电池SOC为35%时综合电力系统带载工作状态曲线。其中：图15(a)为车速和直流母线电压曲线，二者关系与图14(a)一致，但由于动力电池SOC较低，因此较之图14(a)，在相同车速下母线电压有所提高；图15(b)为系统各主要部件直流侧电流，其波形特征与图14(b)相似，有所区别的是：由于动力电池SOC低，因此其分配的功率较小。

图14 系统带载工作状态曲线(SOC=70%)Fig.14 Curves of system loading state(SOC=70%)

图15 系统带载工作状态曲线(SOC=35%)Fig.15 Curves of system loading state(SOC=35%)

6 结论与建议

1)构建的基于多驱动特性能量源的陆战平台综合电力系统体系结构，有效结合了动力电池高能量密度和超级电容高功率密度的特点，具有很强的负载适应能力和良好的电能质量；同时，该结构实现了各能量源之间的动态解耦，使其能够按照自身最优或次优工作模式运行，提高了工作效率和使用寿命。

2)“系统容量”和“电能质量”是衡量系统性能的两个重要指标，它们涉及到系统体系构架、能量源匹配计算、功率变换装置设计以及系统集成管理控制策略研究等多个方面，范围广，跨度大，且各方面相互关联，具有很强的理论性和工程实践性，研究中需要加强系统顶层设计和综合论证分析。

3)陆战平台综合电力系统相关技术领域(如燃料电池技术、电机技术、多电平功率变换技术以及碳化硅器件等)发展迅猛，因此系统总体技术论证研究需要具有开放性和前瞻性，能够适应未来新技术的可持续发展，同时便于吸收民用相关领域先进技术成果，实现军民融合深度发展。

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Research on Integrated Power System and Its Key Techniques of Ground Combat Platform

MA Xiao-jun, YUAN Dong, XIANG Yu, WEI Shu-guang

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

A theory framework for integrated power system of ground combat platform is proposed according to the electric energy requirements of mission systems in ground combat platform, such as electric drive system, electric weapon system, electric protection system, and so on. The system definition, function and characteristics are discussed, and then a distributed system structure based on energy sources with multi-driving characteristics is built. On this basis, the matching calculation of energy sources, the design of power converters, the strategy of energy distribution and optimization control, as well as the management of electric energy quality are analyzed thoroughly. A prototype is developed and applied in engineering practices, establishing both the theoretical evidence and energy support for the quickening development of all-electric technology of ground combat platform.

ordnance science and technology; ground combat platform; integrated power system; energy management; energy quality

2016-06-13

国防“十二五”预先研究项目(40402050101)； 军队重点科研项目(2014ZB07)

马晓军(1963—)， 男， 教授， 博士生导师。 E-mail: maxiaojun_zgy@163.com

TJ810.1

A

1000-1093(2017)02-0396-11

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.026