新型车载电源系统的优化设计
2024-04-10 20:32:40
指控车辆中包含复杂的电子系统，对供电提出了较高要求。中国电子科技集团公司第二十八研究所的研究人员夏梦雷、张德磊、陈峰雷、苏红钧，在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文，提出一种新型车载电源系统，主要包括交流输入、AC控制电路、AC/DC电路、辅助电路等，实现对各种交直流设备的供电和管理。 自发电系统通过底盘取力发电，采用数字信号处理电路实现正弦脉冲宽度调制逆变、检测控制等。实践表明，此车载电源系统能够提供持续、稳定、足功率的供电支撑，可靠性高，有效满足使命任务所需的各项要求。 随着信息技术和通信技术的进步，指控车辆向机动化、轻型化发展。指控车辆上装多种网络通信、信息处理等设备，种类多，功率大，车内布线复杂。车载电源系统需要兼顾固定开设和野外驻车等使用需求，确保大电流、长时间工况下的可靠性及稳定性。 传统的车载电源系统与底盘供电系统相互隔离，车载电源管理系统仅起充电机和电源分配器的作用，多余电能得不到充分利用，汽车行进间工作不方便，灵活性不强，需要进一步改进提升。 根据某型指控车辆的使用需要，本文设计了一种新型车载电源系统。 电源系统的总体功能为：①具有多种交流供电方式，实现供电优选闭锁控制；②具有不间断供电能力，不同供电输入能平稳切换，蓄电池组可单独供电2h以上；③具有交流输入漏电、过流的检测与保护等；④为直流输出每路独立设置过流保护；⑤可对输入电压/电流、输出电压/电流、模块状态等进行监控，并可通过局域网上报参数。 传统车载电源系统的供电方式主要是市电、硅发、柴油发电机等，选择性和机动程度不高。本方案设计配备市电接口、柴油发电机、蓄电池组，安装与车载底盘适应的自发电系统。自发电与柴油发电机相比，具有功耗低、噪声小的优点，可以实现行驶或驻车过程中的稳定交流输出。 自发电系统由2台励磁发电机、2台电源转换器、监控模块、附件和电缆等部分组成，能通过底盘进行取力发电，输出2路220V/50Hz交流。自发电系统设计参数如下：①驻车状态额定功率为6kW×2；②行车状态额定功率为6kW×2；③输出电压标称为220V，范围为197～243V；④输出频率为50±2Hz。 励磁发电机安装在车载底盘上，其工作原理如图1所示。通过汽车底盘蓄电池为控制电路供电，产生励磁电流。当发电机转子组件的线圈绕组旋转时，励磁线圈产生旋转磁场，其磁力线切割定子组件线圈绕组，产生感应电流。X、Y、Z是定子组件的三相电枢绕组，可输出AC 210V～AC 240V的三相中频交流电。
励磁发电机产生的三相电频率和电压波动较大，还需经过电源转换器的处理，成为稳定可用的单相交流电。电源转换器安装在驾驶室中，包含三相整流电路、频率开关电路、数字信号处理器（digital signal processor, DSP）电路等。 整流及频率开关电路原理如图2所示。三相桥式整流电路由6个晶闸管构成。U、V、W为发电机三相输入，经过3组导通时序不同的晶闸管，进行全桥整流，并经电容滤波，使之成为脉动很小的直流电压。 在频率开关电路中，使用2对绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）实现全桥逆变，把直流电逆变为设计频率的交流电。然后再通过滤波电路，消除了频率、波形的不稳定性，成为220V/50Hz的正弦波交流电，输出到负载。 DSP电路主要进行系统的控制与保护。采用TMS320LF2407分别产生正弦脉冲宽度调制（sinu- soidal pulse width modulation, SPWM）波和方波信号，控制IGBT、晶闸管的通断时序。 当检测到过流或过热时，DSP的定时器和比较器停止工作，驱动波形停止输出，保护了功率电路。DSP可通过比例积分微分（proportion-integration-differentiation, PID）方法调节电机励磁电流的大小，使得发电机在全工况条件下能够输出稳定的电气指标。
监控模块用于自发电系统的检测和控制。可在液晶屏上显示电压、电流、频率等参数，内部具有继电器，可控制每一路输出的通断。 经过装机试验、行驶试验等，表明这种自发电系统可靠、稳定，能够提供长时间的大功率输出。实测自发电系统的发电性能指标见表1。
本车交流供电方式较多，但在野外无市电场景下为增加续航，多选用柴油发电机为上装供电。综合考虑后，设计供电优先级为：市电→柴油发电机→自发电设备。车内空调和交流壁插输入为AC 220V，其他上装设备输入DC 24V。因输入输出需求复杂，主要由配电控制箱对不同AC输入进行选择和切换。交流控制电路原理如图3所示。 4路交流输入经过控制电路后，产生交流输出、交流备用1—4、空调输出，共计6路。交流输出作为AC/DC电路的220V输入，为上装设备供电；交流备用1—4为车内壁插供电，可接入打印机、笔记本电脑等；为便于安装与控制，单独设置1路空调输出，为6kW交流变频空调供电。设置6路空气面板开关S1—S6，S1—S4控制自发电机1、自发电机2、
柴油发电机和空调，S5—S6控制交流备用1/2、交流备用3/4。K1—K7为配电控制箱内部的继电器，根据设置的优先级进行开关，具有互锁功能。 交流输出和交流备用1—4：使用市电、自发电机1、自发电机2和柴油发电机中电压正常且优先级最高的交流输入电压。输出功率容量：交流备用输出为1.5kW，交流输出为6kW。输出优先顺序为：市电→柴油发电机→自发电机1→自发电机2。开关优先级为K2＞K7＞K4＞K6。 空调输出：使用市电、自发电机2和自发电机1中电压正常且优先级最高的交流输入电压。输出功率容量为6kW。输出优先顺序为：市电→自发电机2→自发电机1。开关优先级为K1＞K5＞K3。 经过带载测试，不同AC供电方式切换时间≤5s，优化设置了缓冲电路，避免了切换中的瞬态过流、掉电等问题。本交流控制电路能够实现不同交流输入的稳定切换，不同供电方式的切换不会对上装设备造成影响，保障了交流输入的连续性。 综合电源具有AC/DC变换、滤波稳压、智能控制等功能。为提高整机的维修性，输出采用模块化设计。单个AC/DC模块输出功率1kW，可从前面板插拔，实现并联供电。通过不同数量单元模块配置，可为车载系统提供总功率为3～5kW的直流供电。 主要作用如下：①具有直流不间断供电功能；②具有交、直流输入供电自动转换的功能；③具有对24V上装蓄电池组进行充电、维护的功能。综合电源的输入主要为市电和上装蓄电池组（由2个12V/ 115A·h蓄电池串联组成），具有3路独立的1.5kW直流输出，另有1路0.5kW照明/暖风输出。 AC/DC模块是电源的核心部分，利用频率开关技术，实现AC/DC转换。金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor, MOS）管栅极驱动波形如图4所示，开关频率为200kHz。通过优化配置驱动电路参数，减小了开通瞬间的栅极尖峰，提高了转换的平稳性。
MOS管输出电压波形如图5所示，实验表明在感性负载条件下，输出可以有效收敛。经过功率因数校正电路（power factor correction, PFC）的处理，消除谐波等不良影响，最终产生稳定的24V直流电。蓄电池组连接了充电模块，保证了充放电的稳定性。
供电切换原理如图6所示。K7、K8为市电、电池输入控制继电器。K7、K8闭合，当有市电输入时，AC 220V经过AC/DC模块产生24V直流输出，同时通过充电模块为上装蓄电池组充电；当无市电输入时，电池输入经过线稳模块稳压后，为上装设备供电。直流照明/暖风输出为车内照明灯和风扇供电；应急照明输出可以由蓄电池组供电。
综合电源的3路输出经过2个直流分配盒，实现直流分流和选择功能。每个直流分配盒最多能接入综合电源的2路DC 24V电流，有19路输出接口。输出每路设置独立开关，并加印对应设备的标识名称。按要求接好设备的电源口，综合电源起动后，打开分配盒总开关，再打开对应的单路控制开关，即可开起对应的上装设备。 辅助电路主要具有照明控制、直流保护、参数监控等功能，主要包括配电控制箱、综合电源、直流分配盒等设备。照明控制电路实现了照明灯、防空灯、应急灯的转接与控制。根据车内门控开关的信号状态，切换照明和防空灯的供电状态，并在指示灯上显示出来。 如图7所示，配电控制箱连接直流照明/暖风、应急照明2路综合电源输入，2路照明输入之间相互独立。应急照明输入的24V直流电压通过应急开关S7供应急照明输出。S9为照明/防空灯的切换开关。 当S9关闭时，24V输入经照明开关S8供照明输出，防空灯无输出；当S9打开时，切换为防空灯状态，此时可以通过门控控制防空灯。当门控开关按下时，K9断开，防空灯无输出；当门控开关松开时，K9恢复到默认闭合状态，防空灯有输出。
对直流分配盒内部各路，设置了不同的滤波器与保护门限（最大40A），增强了针对性。直流输入经过防反接接触器和滤波器，再经各路的过流保护开关后输出。当单路电流超过相应门限时，保护开关断开，端口无输出，保护了连接的上装设备。 在综合电源中设计检测电路，可对工作状态信息、故障告警、电压与电流等进行记录、查询，并可通过局域网进行参数上报。微控制器主控板（microcontroller unit, MCU）是控制功能实现的核心部件，主要由供电部分、控制和检测部分、控制和驱动部分组成。 MCU通过A/D转化电路采集电路的各种模拟量参数，并进行逻辑转换，还原为实际值。检测电路可以完成电池充放电的管理，电源系统工作状态的显示、控制，防止过压、过流等问题的发生。 本文提出一种优化设计方案，配备自发电、柴油发电机、配电控制箱、综合电源、直流分配盒等设备。在自发电系统中通过DSP电路实现SPWM逆变、信号控制等。配电控制箱中集成了交流控制电路、照明控制电路。直流分配盒实现了独立过流保护。综合电源具有AC/DC转换、参数检测控制功能。 实践表明，这种电源系统综合性强、稳定性高，实现了输入输出控制、参数检测等，充分满足不同应用场景的需要。
