秦 超， 馮振明， 談學(xué)超， 張軍剛， 侯洪濤

（1.總參某研究所，北京 100141；2.清華大學(xué)，北京 100084；3.北京眾華原創(chuàng)科技有限公司，北京 100075）

通信車現(xiàn)有的供電方式主要有：市電、發(fā)電機(jī)組、硅發(fā)（部分車由自發(fā)電取代）和蓄電池組等，其中發(fā)電機(jī)組是通信車使用頻率最高的供電設(shè)備，其配備的發(fā)電機(jī)組功率都是按照通信車的最大功耗需求進(jìn)行配置，實際驗證和使用表明通信車的供配電能力存有大量冗余。

1 供配電能力冗余的原因

1.1 主要原因

（1）車輛功耗計算方法科學(xué)性不高

現(xiàn)有通信車車載設(shè)備功耗分析與供配電適應(yīng)能力的工程設(shè)計仍然基于傳統(tǒng)的理念，車載電源總?cè)萘咳匀皇前凑哲囕d設(shè)備滿負(fù)荷運行時所有設(shè)備的功耗之和進(jìn)行計算，再經(jīng)效率和功率因數(shù)變換，最終得出需要配置的電源總?cè)萘?。在此計算過程中，電臺功耗采取峰值計算，網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照全負(fù)荷運行計算，計算機(jī)主機(jī)、顯示器按照滿功率計算。但在實際使用中，這些設(shè)備也很少一直全功率運行，甚至更少同時全功率運行。實際使用中，車載設(shè)備的總功耗大部分時間是個典型功耗[1]，只是偶爾出現(xiàn)短暫時間的大功率，所以按照全功率之和配置的電源大部分時間內(nèi)存在冗余?，F(xiàn)有電源容量配置的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：P為系統(tǒng)設(shè)備功耗總和；Pi（max）為第i個設(shè)備的功耗峰值，若有冷熱設(shè)備，則取兩者中的最大值即可。

（2）供配電方式不完善

在現(xiàn)有的通信車電源供配電方式設(shè)計中，只注重各個電源獨立供電和優(yōu)先供電能力建設(shè)，忽視限制了電源之間協(xié)作互補供電能力的建設(shè)。

圖1是現(xiàn)有的綜合電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，交流電優(yōu)先于電池進(jìn)行供電是依靠對AC/DC功率模塊和線性穩(wěn)壓電路的輸出電壓進(jìn)行差別化設(shè)定而實現(xiàn)的。比如AC/DC功率模塊的輸出電壓設(shè)定為25.7 V，線性穩(wěn)壓電路的輸出電壓設(shè)定為25.2 V，這樣即使在額定輸出條件下，只要存在交流輸入，那么電池組就不能通過線性穩(wěn)壓電路向負(fù)載進(jìn)行供電。

圖1 綜合電源內(nèi)部原理圖

1.2 其它原因

（1）發(fā)電機(jī)組型譜的限制

發(fā)電機(jī)組型號主要是小功率車載發(fā)電機(jī)組，型號為0.5～12 kW，共6個功率等級，可選擇性較少。

根據(jù)現(xiàn)有供配電計算方法進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的選配過程中，由于發(fā)電機(jī)組型譜的限制，一般很少找到完全和計算結(jié)果相同或相近的發(fā)電機(jī)組，為保證理論配電需求，實際選擇的結(jié)果常常是偏大的。比如：計算結(jié)果需要配置3.8 kW的電源，但實際上沒有這種功率的發(fā)電機(jī)組，在發(fā)電機(jī)組型譜中靠近3 kW的只有3和6 kW，按照現(xiàn)有理論此時只能選6 kW，致使冗余較大。

（2）電源可靠性的限制

為提高電源的可靠性采取冗余備份原則進(jìn)行配置，也就是增加冗余量進(jìn)行可靠性保障。

（3）電能變換級數(shù)多，電源效率低

現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組發(fā)出的中頻交流電，先后經(jīng)過了多級變換供設(shè)備使用，整體轉(zhuǎn)換效率較低。

2 電源冗余的解決方法

2.1 功耗計算方法優(yōu)化

最大功耗只是要求供配電系統(tǒng)在有限的短暫時間里能夠超負(fù)荷支撐的能力，平均功耗只是對供配電系統(tǒng)儲備裕度的最低要求，而典型任務(wù)模式下的供配電系統(tǒng)適應(yīng)能力才是常態(tài)化的主需求[1]。參照車載設(shè)備典型任務(wù)模式及典型工況的功耗分析方法，將該方法進(jìn)行優(yōu)化：（1）取消了“供配電系統(tǒng)短期超載設(shè)計適應(yīng)能力應(yīng)不低于任意受供有線通信和傳輸、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)類單設(shè)備名義待機(jī)功耗的三倍”的限制；（2）電源配置不再完全按照典型功耗進(jìn)行計算，而是按照平均功耗與典型功耗相結(jié)合進(jìn)行計算。車載設(shè)備的電源容量配置按照下式建立系統(tǒng)配電模型進(jìn)行計算。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：Pz為系統(tǒng)設(shè)備功耗總和；Pti（max）為第i個分時設(shè)備組名義功耗峰值；Ppci（nom）為第i臺計算機(jī)主機(jī)設(shè)備名義功耗[2]；Pradio/router/switchi（nom）為第i臺電臺、路由或交換設(shè)備名義功耗；P1為發(fā)射功率；P2為接收功率；收發(fā)比為 3比 1；Pelsei（max）為第i臺其它設(shè)備名義功耗峰值，按照車載設(shè)備典型功耗計算方法，發(fā)電機(jī)組的配置功率得到一定程度的降低，但在實際使用中所有設(shè)備不可能完全按照我們的算法工作，會出現(xiàn)偶爾或短暫時間的大功率運行現(xiàn)象，為解決這一現(xiàn)象帶來的問題，可以給綜合電源添加輔助電路進(jìn)行供電模式優(yōu)化。

2.2 供電模式優(yōu)化

該優(yōu)化的主要思想是在車載設(shè)備功耗短時超過發(fā)電機(jī)組最大輸出功率時，也就是在發(fā)電機(jī)組功率不能滿足車載設(shè)備功耗使用要求時，蓄電池組將分擔(dān)部分功率，給發(fā)電機(jī)組提供短時的功率援助。做法是綜合電源利用蓄電池組庫存緩沖功能，在單片機(jī)統(tǒng)一管理下，通過增加和更改電路實現(xiàn)蓄電池組和發(fā)電機(jī)組同時向設(shè)備供電的方法。

為實現(xiàn)蓄電池組和發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合供電功能，有兩種供配電方式：

（1）用電設(shè)備分組供電

按照設(shè)備用電等級、用電功率或使用頻率等將用電設(shè)備分為主要設(shè)備和次要設(shè)備、立即用電設(shè)備和延遲用電設(shè)備，電臺、交換機(jī)等屬于主要設(shè)備也就是來電后立即加電設(shè)備，顯示器，加熱風(fēng)機(jī)等屬于次要設(shè)備也就是來電后可延遲加電設(shè)備，在延遲用電設(shè)備的供電電路中加入延時電路或電流緩沖電路以防止開機(jī)時的電流沖擊。

用電設(shè)備模塊化分組運行原理圖見圖2所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載電流kA1大于設(shè)定值M時，繼電器2自動閉合，繼電器1延遲繼電器2閉合一定時間后自動關(guān)閉，此時發(fā)電機(jī)組將負(fù)載A甩掉，專供負(fù)載B，設(shè)備A轉(zhuǎn)由蓄電池組供電；當(dāng)負(fù)載電流kA1+A2之和小于設(shè)定值M一定條件時，繼電器1將會自動閉合，繼電器2延遲繼電器1閉合一定時間后自動斷開，設(shè)備A恢復(fù)發(fā)電機(jī)組供電，此時發(fā)電機(jī)組的多余電能根據(jù)情況需要對蓄電池組進(jìn)行充電。

圖2 分塊供電原理圖

其中電池組模塊所接設(shè)備功率的大小等于傳統(tǒng)算法與優(yōu)化功耗算法的差值。繼電器的開關(guān)控制門限可根據(jù)電流KA1需要進(jìn)行調(diào)整。

該外圍電路主要采取單片機(jī)進(jìn)行控制，輔助電路主要包括霍爾電流檢測設(shè)備，繼電器、限流器、二極管、比較器、延遲開關(guān)、單片機(jī)及管理程序等。

單片機(jī)程序控制流程：開機(jī)后主要設(shè)備先加電，次要設(shè)備延遲一定時間后加電；當(dāng)發(fā)電機(jī)組電流KA1大于設(shè)定值M一定時間時，繼電器2自動閉合，繼電器1自動斷開；當(dāng)kA1+A2小于設(shè)定值M一定時間時，繼電器2自動斷開，繼電器1自動閉合。

（2）電源并聯(lián)供電

圖3 并聯(lián)輔助電路圖

并聯(lián)輔助電路見圖3所示，在綜合電源外圍添加輔助電路實現(xiàn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)組輸出功率達(dá)到極限時，繼電器自動閉合，實現(xiàn)綜合電源與蓄電池組的聯(lián)合供電。當(dāng)車載設(shè)備功耗小于發(fā)電組功率時，恢復(fù)發(fā)電機(jī)組單獨供電。由于電池組滿電時電壓高于AC/DC功率模塊輸出電壓，所以該電路的實現(xiàn)關(guān)鍵點是電池組電壓與綜合電源AC/DC功率模塊輸出電壓的匹配、繼電器的開關(guān)時間和電池組電流的輸出限制，充電功率與放電功率的關(guān)系等。

為實現(xiàn)綜合電源AC/DC功率模塊輸出電壓與電池組輸出電壓的匹配，進(jìn)行電路部分改造，添加DC-DC模塊或由DC-DC替換線性穩(wěn)壓電路。為實現(xiàn)繼電器開關(guān)的自動控制和電池組并聯(lián)時的電流控制，編輯管理程序進(jìn)行單片機(jī)管理。為保證電池組在正常使用狀態(tài)下不虧損，按照優(yōu)化后的典型功耗方法計算。綜合電源改造后的原理如圖4所示。

圖4 綜合電源改造后的原理圖

將綜合電源原來的線性穩(wěn)壓電路更換為DC-DC穩(wěn)壓電路，此時當(dāng)電池電壓在正常范圍內(nèi)時，穩(wěn)壓電路的輸出不再隨電池電壓的變化而變化。在發(fā)電機(jī)組供電模式下，只有當(dāng)車載設(shè)備總功耗大于發(fā)電組功率時，蓄電池組才參與供電，蓄電池組達(dá)到限流值后，其輸出電流不再增加，而是由其AC/DC主電路功率模塊承擔(dān)；而當(dāng)車載設(shè)備總功耗小于發(fā)電機(jī)組功率時，電池組不參與供電，只有發(fā)電機(jī)組單獨供電。蓄電池組的限流值根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

優(yōu)化方法比較：分塊供電電路較簡單，設(shè)計和電路改造較易理解、易控制，但電源切換時存在電壓不穩(wěn)定沖擊；并聯(lián)供電電路相對復(fù)雜，但是輸出電壓穩(wěn)定度較高，可靠性也較高，而且設(shè)備不需要分組，但存在自激的可能。

以上兩種方式均可實現(xiàn)在交流供電狀態(tài)下，蓄電池組參與對直流負(fù)載的供電。

3 工程應(yīng)用與實踐

設(shè)備功耗分析以XXX通信車為例進(jìn)行描述[1]。

（1）按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行功耗統(tǒng)計分析

對各設(shè)備功耗統(tǒng)計如表1所示。

由統(tǒng)計得知：直流最大功耗：Pmax－D=1 877.5W；直流平均功耗：P average－D=975.5W；車輛具有取暖和制冷兩種功能，在實際工作中制冷時，取暖設(shè)備不工作。制冷功耗大，所以按制冷狀態(tài)核算車輛的最大功耗，計算過程如下：

市電、油機(jī)為交流電，需將直流耗電轉(zhuǎn)換為交流電。在電源轉(zhuǎn)換過程中，電源轉(zhuǎn)換效率、電源功率因數(shù)對轉(zhuǎn)換有一定影響，必須加以考慮。現(xiàn)設(shè)定電源轉(zhuǎn)換效率為80%，電源功率因數(shù)為95%。

電源轉(zhuǎn)換效率：η=0.80×0.95=0.76；

最大交流功耗：P max－A=(1 877.5－150)/0.76=2 273W；

平均交流功耗：P average－A=(975.5－80)/0.76=1 178W。

考慮到高溫狀況下交流空調(diào)供電功耗為1 250W，核算出最大功耗為：

表1 設(shè)備功耗傳統(tǒng)方法統(tǒng)計表

當(dāng)不使用交流空調(diào)器，使用暖風(fēng)機(jī)時：核算出最大功耗為：

根據(jù)計算結(jié)果可知，本車需選用一臺輸出功率大于3 523W的發(fā)電機(jī)組，對應(yīng)我軍現(xiàn)行發(fā)電機(jī)組型譜應(yīng)該選用6 kW發(fā)電機(jī)組才能滿足使用要求。

（2）采用基于優(yōu)化算法的設(shè)備功耗統(tǒng)計分析

首先將功耗統(tǒng)計表1轉(zhuǎn)換為表2。

由統(tǒng)計得知：直流總功耗：P max－D=1 387W；直流平均功耗：P average－D=975.5W

市電、油機(jī)為交流電，需將直流耗電轉(zhuǎn)換為交流電。在電源轉(zhuǎn)換過程中，電源轉(zhuǎn)換效率、電源功率因數(shù)對轉(zhuǎn)換有一定影響，必須加以考慮?，F(xiàn)設(shè)定電源轉(zhuǎn)換效率為80%，電源功率因數(shù)為95%。

電源轉(zhuǎn)換效率：η=0.80×0.95=0.76；

最大交流功率：P max－A=(1 387－150)/0.76=1 628W；

平均交流功率：P average－A=(975.5－80)/0.76=1 178W。

考慮到高溫狀況下交流空調(diào)供電功耗為1 250W，核算出最大功耗為：

當(dāng)不使用交流空調(diào)器，使用暖風(fēng)機(jī)時，核算出最大功耗為：

表2 基于優(yōu)化算法的設(shè)備功耗統(tǒng)計表

根據(jù)計算結(jié)果可知，選用一臺輸出功率為2 878W的發(fā)電機(jī)組后，余下的645W（傳統(tǒng)算法和優(yōu)化算法差值）可由蓄電池組進(jìn)行臨時保障，也就是可在我軍現(xiàn)行發(fā)電組型譜中選用3 kW發(fā)電機(jī)組即可滿足要求，而不用再選擇6 kW發(fā)電機(jī)組。

4 結(jié)束語

通過對綜合電源供電方式進(jìn)行改造優(yōu)化，可以實現(xiàn)以下功能：減小了電源冗余量。通過降低發(fā)電機(jī)組的功率配置，降低了電源冗余量；提高了電源的安全可靠性，保護(hù)了發(fā)電機(jī)組。避免電流過大損壞發(fā)電機(jī)組。還可在發(fā)電機(jī)組和蓄電池組都不能單獨供電滿足要求的情況下，兩者可共同供電；提高了車輛的機(jī)動性能[1]。電源冗余量的減少，使輸出供配電系統(tǒng)設(shè)備占用的有效載荷比重明顯降低，降低了車輛質(zhì)量，提高了機(jī)動性。

[1]談學(xué)超，張軍剛.軍用通信車系統(tǒng)功耗需求分析和電源系統(tǒng)設(shè)計方法研究[J].通信電源技術(shù)，2011，28(4)：47-49.

[2]徐向文.計算機(jī)的節(jié)能管理[J].華東交通大學(xué),2008(1)：248-251.