龐賓賓， 文 勇， 錢萬友， 廖自力

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部隊(duì)， 北京 100042)

燃?xì)廨啓C(jī)在電傳動(dòng)裝甲車輛中的應(yīng)用評(píng)價(jià)

龐賓賓1,2， 文 勇2， 錢萬友2， 廖自力1

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 66410部隊(duì)， 北京 100042)

為驗(yàn)證燃?xì)廨啓C(jī)在電傳動(dòng)裝甲車輛中應(yīng)用的可行性，設(shè)計(jì)了一種軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)，采用多動(dòng)力源協(xié)調(diào)輸出控制策略對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)中多動(dòng)力源進(jìn)行優(yōu)化控制，開展了基于燃?xì)廨啓C(jī)的軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明：基于燃?xì)廨啓C(jī)的軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)滿足負(fù)載需求，電源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，供電質(zhì)量得到提升，各動(dòng)力源的工作狀態(tài)得到優(yōu)化。

電傳動(dòng)車輛；燃?xì)廨啓C(jī)；混合動(dòng)力系統(tǒng)；控制策略

隨著陸戰(zhàn)平臺(tái)全電化的發(fā)展，電能成為電傳動(dòng)裝甲車輛火力、防護(hù)和機(jī)動(dòng)的基礎(chǔ)[1-2]，也極大地提高了負(fù)載總的需求功率。受功率密度等技術(shù)水平限制，柴油機(jī)在大功率裝甲車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。然而，與柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)在體積功率和發(fā)電特性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]：一方面，燃?xì)廨啓C(jī)工作轉(zhuǎn)速高，與發(fā)電機(jī)之間匹配不需要增速器，改善了機(jī)組供電質(zhì)量，提高了發(fā)電效率；另一方面，燃?xì)廨啓C(jī)功率密度高，在相同功率等級(jí)下，燃?xì)廨啓C(jī)功率更高，能夠有效減小電傳動(dòng)系統(tǒng)體積、質(zhì)量，并極大改善電傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力艙布置的靈活性，提升空間利用率。因此，燃?xì)廨啓C(jī)與電傳動(dòng)裝置匹配良好，較適合作為電傳動(dòng)系統(tǒng)的主動(dòng)力源[4]。

鑒于燃?xì)廨啓C(jī)的上述優(yōu)勢(shì)，美國(guó)等國(guó)家均開展了基于燃?xì)廨啓C(jī)的車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)研究[5-6]，而我國(guó)對(duì)裝甲車輛電傳動(dòng)技術(shù)的研究還不夠深入[7-8]，基于燃?xì)廨啓C(jī)的電傳動(dòng)方案尚未見相關(guān)報(bào)道。因此，為充分論證燃?xì)廨啓C(jī)在電傳動(dòng)裝甲車輛中應(yīng)用的可行性，本文設(shè)計(jì)了基于燃?xì)廨啓C(jī)的電傳動(dòng)方案，采用建模仿真等手段來檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)基于燃?xì)廨啓C(jī)的電傳動(dòng)系統(tǒng)性能。

1 總體方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為滿足軍用車輛必須具備機(jī)動(dòng)性好、行駛里程大等特殊需求，具有發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的混合動(dòng)力電傳動(dòng)裝甲車輛結(jié)構(gòu)主要有3種[9-11]，其中：并聯(lián)式和混聯(lián)式電傳動(dòng)方案中均保留了機(jī)械傳動(dòng)裝置，加上輔助動(dòng)力源等其他電傳動(dòng)部件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，體積、質(zhì)量也大大增加;而串聯(lián)式電傳動(dòng)系統(tǒng)則取消了機(jī)械傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，布置更加靈活?；谝陨戏治?，本文設(shè)計(jì)了基于燃?xì)廨啓C(jī)的電傳動(dòng)系統(tǒng)方案，如圖1所示。

圖1 基于燃?xì)廨啓C(jī)的電傳動(dòng)系統(tǒng)方案

該電傳動(dòng)系統(tǒng)以燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組為主動(dòng)力源，以動(dòng)力電池組和超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源，動(dòng)力電池組通過單向DC/DC(放電不控，充電可控)與燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出匹配，滿足負(fù)載功率需求。直流母線并聯(lián)超級(jí)電容和能耗裝置，抑制母線電壓波動(dòng)；通過能耗裝置消耗過多能量，保證高壓安全和系統(tǒng)可靠性。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)表1所示電傳動(dòng)車輛的基本參數(shù)及性能指標(biāo)要求，采用車輛動(dòng)力學(xué)理論[12]，以滿足車輛最高行駛速度和最大爬坡度為約束條件，綜合考慮各部件的效率，按照功率鏈由后至前，開展啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池等部件的功率或容量等級(jí)的匹配計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過計(jì)算得到的某型電傳動(dòng)車輛各部件主要性能參數(shù)如表2所示。

表1 電傳動(dòng)車輛的基本參數(shù)及性能指標(biāo)要求

2 多動(dòng)力源協(xié)調(diào)輸出控制策略

針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)型式，電傳動(dòng)車輛多動(dòng)力源協(xié)調(diào)輸出控制方法較多[13-15]。在此，針對(duì)基于燃?xì)廨啓C(jī)的電傳動(dòng)車輛中各部件工作特性，制定的多動(dòng)力源匹配輸出控制策略主要由多動(dòng)力源功率分配模塊、燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、整流器目標(biāo)電壓計(jì)算模塊和DC/DC目標(biāo)電壓計(jì)算模塊組成。

表2 某型電傳動(dòng)車輛各部件主要性能參數(shù)

1) 功率分配模塊

合理分配各動(dòng)力源功率輸出是保證車輛機(jī)動(dòng)性能、改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性以及提升電源系統(tǒng)供電質(zhì)量的關(guān)鍵。燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池的分配功率由動(dòng)力電池荷電狀態(tài)(State Of Charge，SOC)以及負(fù)載需求功率Pload決定。具體分配策略可用以下公式表達(dá)。

Peg=f1(Pload,SOC)=

(1)

Pbatt=f2(Pload,SOC)=

(2)

式中：Peg為燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組分配功率；f1為燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組分配功率識(shí)別函數(shù)；Pbatt為動(dòng)力電池分配功率；f2為動(dòng)力電池分配功率識(shí)別函數(shù)。

2) 燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)算

由于燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組與負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)了解耦，因此可控制燃?xì)廨啓C(jī)在高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。而由圖2所示的燃?xì)廨啓C(jī)最佳轉(zhuǎn)速-功率曲線可知：在整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)功率輸出范圍內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速變化范圍較小，可控制燃?xì)廨啓C(jī)沿該曲線輸出。根據(jù)期望的燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出功率Peg值，考慮機(jī)組效率折算到燃?xì)廨啓C(jī)的期望功率，結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)最佳轉(zhuǎn)速-功率曲線可得到當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)最佳轉(zhuǎn)速-功率曲線

3) 可控整流目標(biāo)電壓計(jì)算

(3)

式中：Vdc為母線實(shí)際電壓;Idc為整流器直流側(cè)輸出電流；kp1、ki1為PI調(diào)節(jié)器1的參數(shù)。

4) DC/DC控制方案

根據(jù)Pbatt確定DC/DC控制方案。

(kp2+∫ki2dt)(Pbatt-VbattIbatt),

(4)

式中：Vbatt為電池電壓；Ibatt為電池電流；kp2、ki2為PI調(diào)節(jié)器2的參數(shù)。

(2) 當(dāng)Pbatt=0時(shí)，工作模式為不工作。

(3)當(dāng)Pbatt>0時(shí)，工作模式為不控放電，電池最大放電電流限制為Ibattmax=200 A。

綜合功率分配模塊、燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、整流器目標(biāo)電壓計(jì)算模塊以及DC/DC控制方案，可得多動(dòng)力源協(xié)調(diào)輸出控制原理,如圖3所示。

圖3 多動(dòng)力源協(xié)調(diào)輸出控制原理

基于圖3，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)多個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化控制：1)滿足負(fù)載需求，保證車輛具有良好的機(jī)動(dòng)性能；2)保持電池SOC在65%～75%之間，滿足靜音行駛需求；3)動(dòng)態(tài)能量平衡原則，改善系統(tǒng)供電質(zhì)量；4)回收制動(dòng)能量，提升能量利用率。

3 仿真驗(yàn)證

為檢驗(yàn)燃?xì)廨啓C(jī)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中的性能，進(jìn)而驗(yàn)證燃?xì)廨啓C(jī)在電傳動(dòng)車輛中應(yīng)用的可行性，在多動(dòng)力源協(xié)調(diào)輸出控制策略下，對(duì)本文設(shè)計(jì)的電傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在設(shè)置SOC=50%的情況下，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 基于燃?xì)廨啓C(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真結(jié)果

從圖4可以看出：燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組能夠很好地跟隨給定功率，響應(yīng)速度較快，輸出功率較平穩(wěn)；與動(dòng)力電池以及超級(jí)電容配合，能夠很好地滿足負(fù)載需求，直流母線電壓在可接受范圍內(nèi)波動(dòng)；動(dòng)力電池充電功率能夠跟隨給定功率，為提升電池SOC水平，在功率允許的情況下即給動(dòng)力電池充電，以提高電池的電量?？梢姡喝?xì)廨啓C(jī)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能在滿足負(fù)載需求的同時(shí)，也優(yōu)化了動(dòng)力電池的工作狀態(tài)，使其具有良好的功率跟隨性能。

由以上仿真結(jié)果可知：將燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于電傳動(dòng)車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)中，車輛電源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能夠滿足機(jī)動(dòng)時(shí)的快速功率需求；同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化了動(dòng)力電池等其他部件的工作狀態(tài)，提升了電源系統(tǒng)供電品質(zhì)。

4 結(jié)論

為充分論證燃?xì)廨啓C(jī)在電傳動(dòng)裝甲車輛中應(yīng)用的可行性，本文設(shè)計(jì)了基于燃?xì)廨啓C(jī)的裝甲車輛電傳動(dòng)方案，并結(jié)合多動(dòng)力源協(xié)調(diào)輸出控制策略和典型工況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，減小了母線電壓波動(dòng)范圍，提升了混合動(dòng)力系統(tǒng)的供電品質(zhì)，優(yōu)化了各動(dòng)力源的工作狀態(tài)。本文只是進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，下一步將采用實(shí)車試驗(yàn)等手段進(jìn)一步驗(yàn)證燃?xì)廨啓C(jī)在電傳動(dòng)裝甲車輛中應(yīng)用的可行性，為電傳動(dòng)車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯:尚彩娟)

Application Evaluation of Gas Turbine Used in Electric Drive Armored Vehicles

PANG Bin-bin1,2, WEN Yong2, QIAN Wan-you2, LIAO Zi-li1

(1. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. Troop No. 66410 of PLA, Beijing 100042, China)

In order to prove the feasibility of application of the gas turbine used in electric drive armored vehicles, a hybrid dynamic system is designed for a kind of military vehicles. A concerted output control strategy for multi-dynamic sources is adopted to optimally control the multi-sources in hybrid dynamic system, and the hybrid dynamic system simulation test is developed on gas turbine of military vehicles. The result of simulation shows that the hybrid dynamic system meets the need of load, the power system has a faster dynamic response, the power supply quality is improved, and the working state of each source is optimized.

electric drive vehicles; gas turbine; hybrid dynamic system; control strategy

1672-1497(2015)03-0037-04

2014-11-18

龐賓賓(1983-)，男，博士研究生。

U464.31;U463.23

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.008