通信车智能化供电系统研究.pdf

理论研究48与车辆2023年第3期移动电源通信车智能化供电系统研究周琳琳，林茂森，王毅，王衡（军委装备发展部军事代表局驻镇江地区军事代表室）摘要：本文基于现役通信车供电系统集中式供电体制现状分析的基础上，考虑向分布式架构转化，进而以“数字化、智能化、通用化、系列化、高效率”为目标，构建通信车智能化供电系统，适应任务系统装车集成架构的应用需求。关键字：供电系统；分布式；智能化Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.03.011中图分类号：TM91文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-42 50（2 0 2 3）0 3-0 0 48-0 51现役通信车供电系统现状通信车供电系统主要用于对通信指挥车辆的公用平台和任务系统设备提供优质、高效、稳定和不间断输出。现役通信车供电能源主要有市电（交流单相2 2 0 V或三相四线制38 0 V）、油机或自发电机（交流单相2 2 0 V或三相四线制38 0 V）、硅整流发电机（直流2 8 V）和电池（铅酸或锂离子蓄电池组2 4V)；输出主要有交流旁路输出（供空调或壁插等）、直流输出（供各直流2 4V通指设备、照明、风机和暖风机等）。车载电源将以上供电输入源进行合理配电、功率变换等处理，输出2 4V低压直流电，通过直流输出接口连接后级多个直流分配盒，再由直流分配盒将车载电源的直流输出能源分配至各用电设备。现役车载电源框图如图1 所示。交流用电设备交流配电传输直流分配盒多个用电设备一市电输入一次变换电源线缆一油机输入一直流分配盒多个用电设备一自发电机一直流分配盒多个用电设备充电一电池输入一硅发输入图1现役车载电源框图现役通信车供电系统存在的不足，主要包括以下几个方面。随着上装通指装备的小型化、高度集成化和LRM化，整车所需电源功率不断增加，从1kW2 k W左右增加至现在的5kW6 k W，甚至7kW8 k W，车载电源的单体体积也从2 U4U（1 9英寸标准机箱）增高至5U6 U，总体积和重量也增加较大，带来了安装不便、维修困难等问题。由于采用统一输出供电方式，输出接口至用电负载端电缆长度总和最长可至1 0 m，随着电源功率不断增加，导致电缆直径太粗、电压压降大、损耗增大等。49与车辆2023年第3期移动电源同时，随着车载电源功率的增大，输入输出连接器的载流量也随之不断加大，如车载电源功率增加至5kW，则车载电源使用的电连接器则需要提供200A以上的载流量，若选用YGD系列电连接器，32壳体的连接器方能满足需求，若所需载流量再增加，或选无可选，不断增加的载流量还会造成电缆制作难度加大，转弯半径加大，且还会存在一定的安全隐患。现役车载电源配套使用的蓄电池组绝大部分为铅酸蓄电池组，能量密度低，随着车载电源输出功率的增大，其配套使用的蓄电池组容量也不断加大，从50 Ah1 0 0 A h 加大至现在的2 0 0 Ah，甚至40 0 Ah，由于蓄电池组容量的增加，其体积也加大，受装车空间限制，蓄电池组安装位置往往与车载电源之间距离较大，两者之间采用电缆连接，所需电缆长而粗，电池供电时在此电缆上能量损耗较大，则需不断增加蓄电池容量和增粗连接电缆直径。当车载电源出现故障时，集中式的供电方式整车所有设备均无法供电，从而造成最低限度任务系统无法应急使用。同时缺乏用电设备的加载、卸载，各支路用电等情况的数字化管理，可扩展性极低，通用性差。2通信车供电系统优化分析交流旁路输出交流传输总线直流输出1kWAC/DC直流电源市电交流输入50Ah锂电池组1kW供电需求机柜油机交流输入1kW直流不间断电源智能供电系统自发电机1交流传输总线直流输出1kWAC/DC直流电源交流输入50Ah锂电池组1kW供电自发电机2需求机柜交流输入1kW直流不间断电源交流传输总线直流输出2kWAC/DC直流电源通信网络通信100Ah锂电池组2kW供电终端需求机柜2kW直流不间断电源交流传输总线直流输出2kWAC/DC直流电源100Ah锂电池组2kW供电需求机柜硅发电2kW直流不间断电源机输入图2车载分布式供电构架框图针对现役通信车供电系统存在的不足，对传统车载电源进行优化，提出车载分布式供电系统的概念2 1 3，车载分布式供电构架框图如图2 所示。车载分布式供电构架概念UI2的提出是源于将50与车辆2023年第3期移动电源AC/DC稳压直流电源的输出、电池和硅发的输出尽可能与用电设备靠近，将供电单元随用电设备机架分布式安装的原则提出。如图2 车载分布式供电构架框图所示，根据装车时各机柜所需直流电源功率选择不同功率的直流电源和不同容量的锂电池组。再根据装车交流供电源的选择配套研制不同需求的交流配电箱，用于多路交流输入的配电和装车所需交流旁路输出供电控制等功能。根据不同机柜的用电需求，选择不同功率等级的直流电源和锂电池组，从而满足整车功率需求为3kW、4k W、5k W、6 k W，甚至7 kW或8 kW的需求。采用分布式供电使整车供电配置较为灵活，且单个体积和重量也较小较轻，搬运相对容易、降低维修难度。锂电池相比于同容量的铅酸电池，能量密度可提高1 倍。由于AC/DC稳压直流电源和锂电池组与其直接用电设备置于同一机柜，直流电源直流输出至用电设备的连接电缆最长可以控制在2m以内，大大地降低了电缆压降损耗，且相对电流较小，避免电缆直径太粗。每个机柜根据用电功率选择不同容量的锂电池组，锂电池组与直流电源就近安装，保证其与直流电源的互连电缆最短，可以大大地降低电缆压降损耗，提高电池不间断供电利用率，且相对电流较小，电缆直径不会太粗，使用中不会造成电池供电时在此电缆上损耗较大能量。由于直流电源的功率较小，其输出电流为40 A或8 0 A，查阅YGD系列电连接器手册，可以选择16或1 8 壳体的即可满足使用，电缆制作难度不大，转弯半径较小。当某一机柜出现直流电源故障或锂电池故障，在紧急情况下，可以将其他机柜的直流电源或锂电池组移至本机柜，从而有途径可以保证最低限度任务系统应急使用。作为分布式供电构架终端供电设备，直流不间断AC/DC电源的设计将成为关键。直流UPS电源具有电路简单，技术成熟，成本低，可靠性好，功率密度大，效率高等诸多优点。易于实现电源的标准化设计，可根据用电需求灵活配置功率等级。采用直流不间断供电方案无需配置交流UPS电源即可实现系统的不间断工作功能，大大提高了电池供电效率提升了续航能力。后级用电设备采用直流低压输入，大大降低用电设备电源的设计难度，提高整个系统的用电可靠性和安全性。其组成框图如图3所示。交流输入EMI电磁有源功率隔离AC/DC电用电设兼容滤波器因素校正电路源模块备BMS充放电管锂电池理硅发直流输入EMI电磁兼容滤波器网络通信电源采样控制单元通信终端图3终端供电电源组成框图3智能化供电系统架构研究BIT(BULIT IN TEST)是在SRU(SHOPREPLACEABLEUNIT车间可更换单元)级进行的测试性设计3,可提高SUR级故障诊断及隔离能力。分布式BIT通过对各SUR的BIT测试结果进行推理，得出系统是否正常工作的判断3，其主要原理51与车辆2023年第3期移动电源是：通过固有测试性设计，在每个SRU上部署独立的BIT电路，当该单元BIT采集到预先定义到的故障时，向上一级报告，上级会对该故障进行分析或再测试，再向更高级报告。这样可以做到分级控制，集中管理的控制模式。分布式BIT可提高故障检测率与隔离率，减少隔离的模糊度；各级BIT独立运行 5，故障检测可信度高；与主控处理器一起，可较好的在系统或分系统进行交叉测试与隔离；可与上位机（或远控）数据库专家系统进行信息共享，对电源供电系统工作状态进行评估，对健康状态做出预测。随着通指系统集成化程度的提高，供电系统复杂度增加，开展分布式BIT电源供电系统的设计意义重大。采用自上向下的设计方法，将软硬件进行模块化设计，可以缩短研制周期，降低研制费用，降低设计风险。分布式BIT电源供电系统框图如图4所示。上机位(维运平台）(远控平台）CAN（以太网）总线互联BITBITBIT显示单元模块开关单元模块1AC开关模块1BITBITBIT直流电源模块N开关单元模块2AC开关模块2BITBITBITUPS电源模块开关单元模块3AC开关模块3转贸NVO转贸NVO转贸NVOBIT充电管理模块BITBITBIT控制检测模块开关单元模块NAC开关模块N图4分布式BIT电源供电系统框图基于CAN总线的分布式网络架构，采用中央协调机制对每一个节点的供电设备进行指令化控制 4。电源管理软件可对用电设备进行远程加电、断电控制，同时支持单设备控制和组控两种模式。可对设备用电状态进行监控，实时监控输入电压、输入电流、输出电压、输出电流等设备运行状态，以及过流、过压、过热、短路等设备异常状态 5。当电源产生故障时，系统隔离有故障的单元模块，按照设备供电优先顺序，保证重要设备的供电。必要时，设定训练模式、战时模式，在对电源无伤害的情况下，不考虑性能指标，保证设备最低限度供电。与车载运维平台实现技术状态数据的信息共享，提升整车的技术维护保障能力。上位机（或本机主控单元）可根据供电系统检测信息进行分析，记录负载故障信息、负载运行工作时间和设备内部故障信息。对比历史的数据进行分析可能潜在的故障，给操作人员必要的帮助，提高设备的可靠性。同时具有远程检测、控制、管理等功能，在现场无专业人员的情况下对电源进行一般性处理，必要时可以进行远程软件升级，优化控制功能 4。52与车辆2023年第3期移动电源4结束语通信车供电系统架构，由集中供电技术体制向分布式供电体制转化，解决现役电源系统故障，任务系统供电失效的瓶颈问题。由现役的一车一型的用户定制的配套关系向兼容通用型转化，实现用户按需求自选择、自组合、灵活配置的特点，构成所需的供电系统，覆盖并兼容装载平台1 kW10kW的供电，满足高密度模块化集成装车的需求。提升数字化、智能化的控制管理能力，逐渐支持远端监测、遥控、无人值守，支持集中管控和远端的数字化应用管理，进一步提升电源装备的作战保障能力 3。使用新材料、新技术、新模块、新工艺等技术，进一步提升电源的功率密度、压缩电源的体积，提高电源的效率，满足各类车载平台高密度集成装车的环境、空间、供电功率及性能的使用需求。开展系列化、通用化、组合化（模块化）研究，合理划分可更换单元，解决现役电源装备快速维修难的问题，提升电源装备的生产、作战、使用、管理、保障、维修的全寿命周期的综合效能。参考文献：1 刘锦明，陈德高，丁红文等分布式直流电源远程监控系统及关键技术设计 J.计算技术与自动化，2 0 2 2，41(4):52-57.2张明，刘奕宏，李海津等航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计 J航天器工程，2 0 2 1，30（1)：86-94.3张佳基于DSP的航空电源BIT系统研究与设计 J计算机测量与控制，2 0 1 7，2 5（4)：8-1 1.4陈柯羽高效智能的通信电源技术研究J通信电源技术，2 0 2 2，39（1 4)：1 9 5-1 9 6，2 0 0.5苏利萍智能化通信电源监控数据采集方法研究J通信电源技术，2 0 2 2，39（8)：1 0-1 2.作者简介：周琳琳（1 9 9 0-），女，河北保定人，硕士，工程师，主要研究方向为信息系统设备研究。Research on Intelligent Power Supply System for CommunicationVehicleZHOU Lin-lin,LIN Mao-sen,WANG Yi,WANG Heng(Military Representative Ofice of the Military Representative Bureau of the Equipment DevelopmentDepartment of the CMC in Zhenjiang District)Abstract:Currently communication vehicle is centralized power supply system.Based on this background,power system of communication vehicle is transforming to distributed architecture.Now we build intlligentpower supply system of communication vehicle with the goal of digitalization,ilintellectualization,generalization,serialization,and high efficiency to meet the application requirements of integrated missionsystem of vehicles.Keywords:power supply system,distributed type,intelligent