指控車輛中包含復雜的電子系統(tǒng)，對供電提出了較高要求。中國電子科技集團公司第二十八研究所的研究人員夏夢雷、張德磊、陳峰雷、蘇紅鈞，在2020年第10期《電氣技術》雜志上撰文，提出一種新型車載電源系統(tǒng)，主要包括交流輸入、AC控制電路、AC/DC電路、輔助電路等，實現(xiàn)對各種交直流設備的供電和管理。

自發(fā)電系統(tǒng)通過底盤取力發(fā)電，采用數(shù)字信號處理電路實現(xiàn)正弦脈沖寬度調(diào)制逆變、檢測控制等。實踐表明，此車載電源系統(tǒng)能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、足功率的供電支撐，可靠性高，有效滿足使命任務所需的各項要求。

網(wǎng)絡圖

隨著信息技術和通信技術的進步，指控車輛向機動化、輕型化發(fā)展。指控車輛上裝多種網(wǎng)絡通信、信息處理等設備，種類多，功率大，車內(nèi)布線復雜。車載電源系統(tǒng)需要兼顧固定開設和野外駐車等使用需求，確保大電流、長時間工況下的可靠性及穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的車載電源系統(tǒng)與底盤供電系統(tǒng)相互隔離，車載電源管理系統(tǒng)僅起充電機和電源分配器的作用，多余電能得不到充分利用，汽車行進間工作不方便，靈活性不強，需要進一步改進提升。

根據(jù)某型指控車輛的使用需要，本文設計了一種新型車載電源系統(tǒng)。

電源系統(tǒng)的總體功能為：①具有多種交流供電方式，實現(xiàn)供電優(yōu)選閉鎖控制；②具有不間斷供電能力，不同供電輸入能平穩(wěn)切換，蓄電池組可單獨供電2h以上；③具有交流輸入漏電、過流的檢測與保護等；④為直流輸出每路獨立設置過流保護；⑤可對輸入電壓/電流、輸出電壓/電流、模塊狀態(tài)等進行監(jiān)控，并可通過局域網(wǎng)上報參數(shù)。

1  自發(fā)電系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)的供電方式主要是市電、硅發(fā)、柴油發(fā)電機等，選擇性和機動程度不高。本方案設計配備市電接口、柴油發(fā)電機、蓄電池組，安裝與車載底盤適應的自發(fā)電系統(tǒng)。自發(fā)電與柴油發(fā)電機相比，具有功耗低、噪聲小的優(yōu)點，可以實現(xiàn)行駛或駐車過程中的穩(wěn)定交流輸出。

自發(fā)電系統(tǒng)由2臺勵磁發(fā)電機、2臺電源轉換器、監(jiān)控模塊、附件和電纜等部分組成，能通過底盤進行取力發(fā)電，輸出2路220V/50Hz交流。自發(fā)電系統(tǒng)設計參數(shù)如下：①駐車狀態(tài)額定功率為6kW×2；②行車狀態(tài)額定功率為6kW×2；③輸出電壓標稱為220V，范圍為197～243V；④輸出頻率為50±2Hz。

勵磁發(fā)電機安裝在車載底盤上，其工作原理如圖1所示。通過汽車底盤蓄電池為控制電路供電，產(chǎn)生勵磁電流。當發(fā)電機轉子組件的線圈繞組旋轉時，勵磁線圈產(chǎn)生旋轉磁場，其磁力線切割定子組件線圈繞組，產(chǎn)生感應電流。X、Y、Z是定子組件的三相電樞繞組，可輸出AC 210V～AC 240V的三相中頻交流電。

圖1  發(fā)電機工作原理簡圖

勵磁發(fā)電機產(chǎn)生的三相電頻率和電壓波動較大，還需經(jīng)過電源轉換器的處理，成為穩(wěn)定可用的單相交流電。電源轉換器安裝在駕駛室中，包含三相整流電路、頻率開關電路、數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）電路等。

整流及頻率開關電路原理如圖2所示。三相橋式整流電路由6個晶閘管構成。U、V、W為發(fā)電機三相輸入，經(jīng)過3組導通時序不同的晶閘管，進行全橋整流，并經(jīng)電容濾波，使之成為脈動很小的直流電壓。

在頻率開關電路中，使用2對絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）實現(xiàn)全橋逆變，把直流電逆變?yōu)樵O計頻率的交流電。然后再通過濾波電路，消除了頻率、波形的不穩(wěn)定性，成為220V/50Hz的正弦波交流電，輸出到負載。

DSP電路主要進行系統(tǒng)的控制與保護。采用TMS320LF2407分別產(chǎn)生正弦脈沖寬度調(diào)制（sinu- soidal pulse width modulation, SPWM）波和方波信號，控制IGBT、晶閘管的通斷時序。

當檢測到過流或過熱時，DSP的定時器和比較器停止工作，驅(qū)動波形停止輸出，保護了功率電路。DSP可通過比例積分微分（proportion-integration-differentiation, PID）方法調(diào)節(jié)電機勵磁電流的大小，使得發(fā)電機在全工況條件下能夠輸出穩(wěn)定的電氣指標。 

圖2  整流及頻率開關電路簡圖 

監(jiān)控模塊用于自發(fā)電系統(tǒng)的檢測和控制?？稍谝壕辽巷@示電壓、電流、頻率等參數(shù)，內(nèi)部具有繼電器，可控制每一路輸出的通斷。

經(jīng)過裝機試驗、行駛試驗等，表明這種自發(fā)電系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，能夠提供長時間的大功率輸出。實測自發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能指標見表1。

表1  自發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能指標

2  AC控制電路設計

本車交流供電方式較多，但在野外無市電場景下為增加續(xù)航，多選用柴油發(fā)電機為上裝供電。綜合考慮后，設計供電優(yōu)先級為：市電→柴油發(fā)電機→自發(fā)電設備。車內(nèi)空調(diào)和交流壁插輸入為AC 220V，其他上裝設備輸入DC 24V。因輸入輸出需求復雜，主要由配電控制箱對不同AC輸入進行選擇和切換。交流控制電路原理如圖3所示。

4路交流輸入經(jīng)過控制電路后，產(chǎn)生交流輸出、交流備用1—4、空調(diào)輸出，共計6路。交流輸出作為AC/DC電路的220V輸入，為上裝設備供電；交流備用1—4為車內(nèi)壁插供電，可接入打印機、筆記本電腦等；為便于安裝與控制，單獨設置1路空調(diào)輸出，為6kW交流變頻空調(diào)供電。設置6路空氣面板開關S1—S6，S1—S4控制自發(fā)電機1、自發(fā)電機2、

圖3  交流供電控制原理圖

柴油發(fā)電機和空調(diào)，S5—S6控制交流備用1/2、交流備用3/4。K1—K7為配電控制箱內(nèi)部的繼電器，根據(jù)設置的優(yōu)先級進行開關，具有互鎖功能。

交流輸出和交流備用1—4：使用市電、自發(fā)電機1、自發(fā)電機2和柴油發(fā)電機中電壓正常且優(yōu)先級最高的交流輸入電壓。輸出功率容量：交流備用輸出為1.5kW，交流輸出為6kW。輸出優(yōu)先順序為：市電→柴油發(fā)電機→自發(fā)電機1→自發(fā)電機2。開關優(yōu)先級為K2＞K7＞K4＞K6。

空調(diào)輸出：使用市電、自發(fā)電機2和自發(fā)電機1中電壓正常且優(yōu)先級最高的交流輸入電壓。輸出功率容量為6kW。輸出優(yōu)先順序為：市電→自發(fā)電機2→自發(fā)電機1。開關優(yōu)先級為K1＞K5＞K3。

經(jīng)過帶載測試，不同AC供電方式切換時間≤5s，優(yōu)化設置了緩沖電路，避免了切換中的瞬態(tài)過流、掉電等問題。本交流控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)不同交流輸入的穩(wěn)定切換，不同供電方式的切換不會對上裝設備造成影響，保障了交流輸入的連續(xù)性。

3  AC/DC電路設計

綜合電源具有AC/DC變換、濾波穩(wěn)壓、智能控制等功能。為提高整機的維修性，輸出采用模塊化設計。單個AC/DC模塊輸出功率1kW，可從前面板插拔，實現(xiàn)并聯(lián)供電。通過不同數(shù)量單元模塊配置，可為車載系統(tǒng)提供總功率為3～5kW的直流供電。

主要作用如下：①具有直流不間斷供電功能；②具有交、直流輸入供電自動轉換的功能；③具有對24V上裝蓄電池組進行充電、維護的功能。綜合電源的輸入主要為市電和上裝蓄電池組（由2個12V/ 115A·h蓄電池串聯(lián)組成），具有3路獨立的1.5kW直流輸出，另有1路0.5kW照明/暖風輸出。

AC/DC模塊是電源的核心部分，利用頻率開關技術，實現(xiàn)AC/DC轉換。金屬氧化物半導體（metal oxide semiconductor, MOS）管柵極驅(qū)動波形如圖4所示，開關頻率為200kHz。通過優(yōu)化配置驅(qū)動電路參數(shù)，減小了開通瞬間的柵極尖峰，提高了轉換的平穩(wěn)性。 

圖4  MOS管柵極驅(qū)動波形圖

MOS管輸出電壓波形如圖5所示，實驗表明在感性負載條件下，輸出可以有效收斂。經(jīng)過功率因數(shù)校正電路（power factor correction, PFC）的處理，消除諧波等不良影響，最終產(chǎn)生穩(wěn)定的24V直流電。蓄電池組連接了充電模塊，保證了充放電的穩(wěn)定性。

圖5  MOS管輸出電壓波形圖

供電切換原理如圖6所示。K7、K8為市電、電池輸入控制繼電器。K7、K8閉合，當有市電輸入時，AC 220V經(jīng)過AC/DC模塊產(chǎn)生24V直流輸出，同時通過充電模塊為上裝蓄電池組充電；當無市電輸入時，電池輸入經(jīng)過線穩(wěn)模塊穩(wěn)壓后，為上裝設備供電。直流照明/暖風輸出為車內(nèi)照明燈和風扇供電；應急照明輸出可以由蓄電池組供電。

圖6  供電切換原理框圖

綜合電源的3路輸出經(jīng)過2個直流分配盒，實現(xiàn)直流分流和選擇功能。每個直流分配盒最多能接入綜合電源的2路DC 24V電流，有19路輸出接口。輸出每路設置獨立開關，并加印對應設備的標識名稱。按要求接好設備的電源口，綜合電源起動后，打開分配盒總開關，再打開對應的單路控制開關，即可開起對應的上裝設備。

4  輔助電路設計

輔助電路主要具有照明控制、直流保護、參數(shù)監(jiān)控等功能，主要包括配電控制箱、綜合電源、直流分配盒等設備。照明控制電路實現(xiàn)了照明燈、防空燈、應急燈的轉接與控制。根據(jù)車內(nèi)門控開關的信號狀態(tài)，切換照明和防空燈的供電狀態(tài)，并在指示燈上顯示出來。

如圖7所示，配電控制箱連接直流照明/暖風、應急照明2路綜合電源輸入，2路照明輸入之間相互獨立。應急照明輸入的24V直流電壓通過應急開關S7供應急照明輸出。S9為照明/防空燈的切換開關。

當S9關閉時，24V輸入經(jīng)照明開關S8供照明輸出，防空燈無輸出；當S9打開時，切換為防空燈狀態(tài)，此時可以通過門控控制防空燈。當門控開關按下時，K9斷開，防空燈無輸出；當門控開關松開時，K9恢復到默認閉合狀態(tài)，防空燈有輸出。

圖7  照明控制電路原理框圖

對直流分配盒內(nèi)部各路，設置了不同的濾波器與保護門限（最大40A），增強了針對性。直流輸入經(jīng)過防反接接觸器和濾波器，再經(jīng)各路的過流保護開關后輸出。當單路電流超過相應門限時，保護開關斷開，端口無輸出，保護了連接的上裝設備。

在綜合電源中設計檢測電路，可對工作狀態(tài)信息、故障告警、電壓與電流等進行記錄、查詢，并可通過局域網(wǎng)進行參數(shù)上報。微控制器主控板（microcontroller unit, MCU）是控制功能實現(xiàn)的核心部件，主要由供電部分、控制和檢測部分、控制和驅(qū)動部分組成。

MCU通過A/D轉化電路采集電路的各種模擬量參數(shù)，并進行邏輯轉換，還原為實際值。檢測電路可以完成電池充放電的管理，電源系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示、控制，防止過壓、過流等問題的發(fā)生。

5  結論

本文提出一種優(yōu)化設計方案，配備自發(fā)電、柴油發(fā)電機、配電控制箱、綜合電源、直流分配盒等設備。在自發(fā)電系統(tǒng)中通過DSP電路實現(xiàn)SPWM逆變、信號控制等。配電控制箱中集成了交流控制電路、照明控制電路。直流分配盒實現(xiàn)了獨立過流保護。綜合電源具有AC/DC轉換、參數(shù)檢測控制功能。

實踐表明，這種電源系統(tǒng)綜合性強、穩(wěn)定性高，實現(xiàn)了輸入輸出控制、參數(shù)檢測等，充分滿足不同應用場景的需要。