郭會(huì)然，鄭 潔

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

在裝甲車輛的研制過(guò)程中，一般是依據(jù)GJB298—1987標(biāo)準(zhǔn)［1］，對(duì)車輛電源供電特性提出指標(biāo)要求，同時(shí)對(duì)電氣設(shè)備的工作適應(yīng)性進(jìn)行限定.但對(duì)于車輛的外部電源供電特性沒(méi)有提出要求，而且目前也沒(méi)有關(guān)于裝甲車輛外部電源供電特性指標(biāo)要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，隨著部隊(duì)數(shù)字化武器裝備數(shù)量的增加，在部隊(duì)訓(xùn)練和維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中，對(duì)外部電源的需求增多，外部電源的供電品質(zhì)參差不齊，時(shí)常引發(fā)車輛電氣設(shè)備發(fā)生故障或被燒毀.因此，從規(guī)范外部電源供電特性要求入手，并針對(duì)車輛上的電路進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，同時(shí)提高電氣設(shè)備的電源適應(yīng)性，以期有效減少外部電源對(duì)車輛電氣設(shè)備工作的影響.

1 電氣設(shè)備故障的影響因素分析

通過(guò)對(duì)某型裝備使用過(guò)程中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其故障原因歸納為3類:

1)在車輛調(diào)試和使用過(guò)程中，一般在使用外部電源為車輛電氣設(shè)備供電時(shí)，由于沒(méi)有接通儀表板上“總開關(guān)”，從而使車輛電源缺乏蓄電池的鉗制、濾波作用，導(dǎo)致電氣設(shè)備主控板的瞬態(tài)電壓抑制二極管 (TVS管)被擊穿而使設(shè)備不能正常工作.在這種情況下車輛電源的供電特性完全依賴于外部電源自身的供電特性，況且目前裝甲車輛對(duì)外部電源特性沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)約束，電源的供電品質(zhì)普遍較低，穩(wěn)態(tài)電壓特性和瞬態(tài)電壓特性都無(wú)法滿足車載電氣設(shè)備的使用需求.

2)當(dāng)使用外部電源時(shí)，由于人員的人為誤操作造成外部電源極性反接，直接引發(fā)車輛電源和電氣設(shè)備擊穿或短路故障.

3)當(dāng)使用外部電源時(shí)，雖然按操作步驟接通了儀表板上“總開關(guān)”，但由于對(duì)蓄電池保養(yǎng)不當(dāng)或是蓄電池質(zhì)量等問(wèn)題而使蓄電池嚴(yán)重虧電，導(dǎo)致蓄電池對(duì)車輛電源的鉗制、濾波作用不足，穩(wěn)態(tài)電壓特性和瞬態(tài)電壓特性同樣不能滿足車載電氣設(shè)備的用電需求，這樣極易引發(fā)電氣設(shè)備主控板的TVS管被擊穿而使設(shè)備不能正常工作.

4)由于部分電氣設(shè)備選用的電源模塊工作電壓范圍偏小，設(shè)備內(nèi)部電源部分的瞬態(tài)浪涌抑制能力不足，加上外部電源的瞬態(tài)負(fù)載特性和瞬態(tài)電壓特性不夠規(guī)范，在大功率設(shè)備加卸載瞬間，導(dǎo)致電氣設(shè)備電源瞬時(shí)斷電或電源模塊損毀故障.

由此針對(duì)某型裝甲車，總結(jié)出各影響因素所引發(fā)故障的分布直方圖，由圖1可知，外部電源供電特性和電氣設(shè)備的電源適應(yīng)性成為影響電氣設(shè)備可靠性的關(guān)鍵因素.

圖1 某型車電子設(shè)備故障分布直方圖

2 關(guān)鍵因素影響的故障分析

2.1 外部電源供電特性對(duì)電氣設(shè)備的影響分析

外部電源是裝甲車輛在裝配調(diào)試和部隊(duì)使用過(guò)程中常用的一種供電工作模式.現(xiàn)裝甲車輛與外部電源的連接電路工作原理如圖2所示.

圖2 外部電源供電原理圖

由圖2可知，當(dāng)不發(fā)動(dòng)車輛而需要用外部電源完成訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，外部電源與外部起動(dòng)插座對(duì)接，外部電源的負(fù)極則直接同車體連接，對(duì)全車電氣設(shè)備實(shí)施供電.若此時(shí)不接通車上儀表板的“總開關(guān)”，總開關(guān)接觸器J1觸點(diǎn)不閉合，蓄電池組不能與外部電源并網(wǎng)供電，外部電源將直接影響整車的供電特性.當(dāng)外部電源自身供電特性不佳時(shí)，電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)大，穩(wěn)態(tài)電壓超出23～33V范圍和瞬態(tài)電壓超出100 V/50 ms、15 V/500 ms指標(biāo)要求，不滿足GJB298—87［1］標(biāo)準(zhǔn)要求，極易引起車輛電氣設(shè)備的電源部分發(fā)生故障，尤其是導(dǎo)致電子設(shè)備不能正常工作，特別在外部電源極性與外部起動(dòng)插座連接出現(xiàn)反接時(shí)，將導(dǎo)致電子電氣設(shè)備被燒毀的嚴(yán)重故障.

2.2 電氣設(shè)備的電源適應(yīng)性分析

電氣設(shè)備應(yīng)能承受車輛電源系統(tǒng)產(chǎn)生的符合GJB298—87［1］標(biāo)準(zhǔn)的尖峰脈沖和浪涌電壓，并且電氣設(shè)備應(yīng)設(shè)有保護(hù)裝置，以防外部電起動(dòng)或接入其他不適當(dāng)電路使極性顛倒.當(dāng)電源系統(tǒng)不能滿足電氣設(shè)備供電要求時(shí)，可自備電源變換裝置，以滿足電氣設(shè)備的特殊要求.同時(shí)電氣設(shè)備在完成其規(guī)定的功能時(shí)，不應(yīng)使電源系統(tǒng)的供電特性超出規(guī)定的范圍，否則會(huì)降低整車電源系統(tǒng)供電特性，甚至對(duì)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成破壞.因此，電氣設(shè)備輸出的尖峰電壓脈沖干擾和輸入到電氣設(shè)備的尖峰脈沖電壓和浪涌電壓指標(biāo)，都應(yīng)按GJB298—87［1］標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)和使用，使電氣設(shè)備適應(yīng)車輛電源特性.

2.3 蓄電池性能的影響分析

蓄電池為車輛提供起動(dòng)電源，并且是車輛的輔助電源.當(dāng)發(fā)電機(jī)不工作時(shí)，向車輛上需要工作的耗電裝置提供電能.當(dāng)發(fā)電機(jī)工作且當(dāng)車輛電氣設(shè)備集中用電高峰產(chǎn)生負(fù)荷沖擊時(shí)，可補(bǔ)充發(fā)電機(jī)供電能力的不足.同時(shí)由于蓄電池的自身特性，也可抑制電網(wǎng)浪涌和尖峰脈沖電壓.因此，蓄電池的性能直接影響到電網(wǎng)的供電特性.目前裝甲車輛所采用的免維護(hù)鉛酸蓄電池、鉻鎳電池等，經(jīng)裝備車輛的使用證明，其性能穩(wěn)定、可靠，滿足相應(yīng)的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際使用需求.

3 解決方案

3.1 規(guī)范外部電源的供電特性與監(jiān)控設(shè)計(jì)［2］

外部電源是通過(guò)車上的外部起動(dòng)插座向裝甲車輛供電的車外電源設(shè)備.外部電源的供電特性直接關(guān)系到全車電氣設(shè)備的正常工作.現(xiàn)裝備用于出廠調(diào)試和部隊(duì)訓(xùn)練的外部電源品種繁多，雖然大都對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓有保護(hù)措施，但對(duì)電源特性如紋波和浪涌電壓指標(biāo)等沒(méi)有具體要求，各種外部電源供電特性指標(biāo)參差不齊，甚至不能滿足GJB298—87［1］電氣系統(tǒng)特性的技術(shù)要求，因而導(dǎo)致一些車載電子電氣控制部件故障率增加.以下是筆者對(duì)車輛外部電源供電特性要求的設(shè)想:

1)穩(wěn)態(tài)特性.

在外部電源空載到額定負(fù)載的各種負(fù)載條件下，由外部電源輸出插頭處所測(cè)定的電壓應(yīng)在23～33 V范圍內(nèi).

2)紋波電壓.紋波電壓的上下峰值均應(yīng)小于7 V.

3)瞬態(tài)電壓特性.

瞬態(tài)負(fù)載特性引起的正常擾動(dòng)，將造成一個(gè)電壓浪涌的過(guò)程，外部電源在各種工作條件下所有的浪涌電壓應(yīng)在圖3所示的軌跡內(nèi).

4)起動(dòng)輸出特性.

外部電源起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其最低電壓不應(yīng)低于10 V.

5)并聯(lián).

外部電源應(yīng)能與蓄電池并聯(lián)使用.

6)反極性.

外部電源應(yīng)具有反極性保護(hù)，當(dāng)電源輸出電壓極性不正確時(shí)進(jìn)行保護(hù).

7)外部電源監(jiān)控器的設(shè)計(jì)［3］.

雖然有電源特性的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)約束，但無(wú)法對(duì)外部電源品質(zhì)進(jìn)行完全的限制，為屏蔽外部電源所引發(fā)的故障，還應(yīng)對(duì)外部電源的工作特性進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，可在車輛上安裝一個(gè)外部電源監(jiān)控器，該監(jiān)控器的作用是:

(1)當(dāng)外部電源正常時(shí)，允許外部電源接入車上電網(wǎng)，并與車上蓄電池并聯(lián)使用;

(2)當(dāng)外部電源不正常時(shí)，外部電源不允許接入車上電網(wǎng);

(3)當(dāng)外部電源品質(zhì)超出裝甲車輛外部電源供電特性的標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，自動(dòng)將外部電源與車上電網(wǎng)斷開.

加裝具有以上功能的外部電源監(jiān)控器，能夠很好地控制裝甲車輛電源的供電品質(zhì)，解決因外部電源問(wèn)題引起的電氣設(shè)備故障.

圖3 28 V直流電源浪涌軌跡

3.2 對(duì)接外部電源的電路優(yōu)化

針對(duì)目前所裝備車型的實(shí)際使用條件，在無(wú)法解決現(xiàn)有外部電源供電品質(zhì)和增加監(jiān)控器的前提下，提出了一種優(yōu)化方案.該方案在外部電源接入車內(nèi)電網(wǎng)的前端增加了一個(gè)保護(hù)電路，該電路實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能:1)防極性反接;2)抑制外部電源的浪涌和尖峰.電路原理圖如圖4所示.

圖4 外部電源優(yōu)化電路原理圖

當(dāng)外部電源與外部起動(dòng)插座連接后，若電源極性連接正確，二極管D1導(dǎo)通，接觸器J2觸點(diǎn)接通，外部電源與車體蓄電池并聯(lián)，此時(shí)接通儀表板上的總開關(guān)，J1觸點(diǎn)接通，完成對(duì)全車供電;若電源極性連接相反，二極管D1截止，接觸器J2觸點(diǎn)不能接通，外部電源無(wú)法與車上電源接通，起到電源極性防反接的作用.該方案的工作特點(diǎn)是，在使用外部電源時(shí)，若不接通車上的電源總開關(guān)，將無(wú)法對(duì)全車供電.總開關(guān)接通后，車體電池和精電網(wǎng)電池同時(shí)接通，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)外部電源與蓄電池的并聯(lián)，能夠抑制外部電源的浪涌和尖峰，有效改善電源的供電品質(zhì).該方案在不連接外部電源的情況下，J2繼電器觸點(diǎn)為斷開狀態(tài)，不會(huì)影響到原車輛電路的正常工作，并且實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，可靠性高.該電路經(jīng)裝車試驗(yàn)，并與不同型號(hào)外部電源配合使用，因外部電源問(wèn)題引發(fā)的電氣設(shè)備故障得以有效控制.

3.3 電氣設(shè)備的電源抑制尖峰浪涌設(shè)計(jì)

電壓尖峰通常是由感性負(fù)載切換引起的，能產(chǎn)生大的電流和電壓變化率，從而形成瞬態(tài)尖峰干擾，其幅度可達(dá)數(shù)百伏甚至上千伏，脈寬可達(dá)微秒級(jí)，這將對(duì)系統(tǒng)中的晶體化的小功耗電子元器件造成損壞.在GJB298—87［1］中要求電氣設(shè)備應(yīng)能承受最高為±250 V/50 μs的尖峰脈沖.通常電路中所采用的是TVS.TVS管是利用PN結(jié)的反向特性對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)，當(dāng)所施加的電壓在某一范圍時(shí)，TVS管成高阻狀態(tài)，當(dāng)所施加的電壓超過(guò)某一門限值時(shí)，反向電流急劇增加并把電壓鉗位在一個(gè)較低電位上，從而實(shí)現(xiàn)后面的電路元件不受瞬態(tài)電壓的沖擊.但是目前所發(fā)生的故障為TVS管被反向擊穿，這意味著一是由于TVS管的參數(shù)選擇不當(dāng)，不能適應(yīng)電路的實(shí)際使用需求;二是TVS管僅滿足了尖峰脈沖的抑制需求，但過(guò)壓浪涌的高能量導(dǎo)致其損壞.針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，重點(diǎn)開展以下設(shè)計(jì).

1)合理選擇TVS管的參數(shù)［4］.

為了合理選擇TVS管應(yīng)了解其主要參數(shù):擊穿電壓UBR、鉗位電壓UC、最大反向工作電壓UWM以及脈沖峰值功率PPP.其選擇原則如下:

(1)直流電壓按1.1～1.2倍來(lái)選取TVS管的最大反相工作電壓UWM;

(2)TVS管的UC參數(shù)應(yīng)低于被保護(hù)元器件的最大承受電壓;

(3)TVS管在電路中時(shí)不應(yīng)處于被擊穿狀態(tài)，最好處于UBR以下;

(4)選取TVS管時(shí)應(yīng)考慮溫度的影響;

(5)在無(wú)法確定PPP時(shí)，應(yīng)選用功率大的TVS管，不應(yīng)依據(jù)臨界值進(jìn)行選取.

2)有效抑制浪涌電壓［5］.

浪涌電壓通常是由于供電系統(tǒng)在外干擾作用下引起的，并通過(guò)內(nèi)部調(diào)節(jié)作用抑制的電壓變化，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為數(shù)毫秒至數(shù)十秒.TVS管雖然能夠抑制一定能量的電壓浪涌，但是依據(jù)GJB298—87，對(duì)于最大為100 V/50 ms的電壓浪涌，一般的TVS器件的功率都不可能滿足要求，因此可采取自恢復(fù)保險(xiǎn)和多只TVS管串型連接配合使用的方法 (見圖5).

圖5 浪涌電壓抑制電路

自恢復(fù)保險(xiǎn)和TVS管配合使用，能夠防止在TVS管擊穿時(shí)起到短路保護(hù)作用，同時(shí)當(dāng)電源反接時(shí)具有限制TVS管正向大導(dǎo)通電流，間接具有防反接保護(hù)作用，可代替常規(guī)串聯(lián)二極管的反接保護(hù)方法;采用多只TVS管串型連接，可提高TVS管承受過(guò)電壓的時(shí)間，有效抑制電網(wǎng)的浪涌電壓.該技術(shù)已通過(guò)了臺(tái)架電源電應(yīng)力環(huán)境試驗(yàn).

3)應(yīng)用預(yù)穩(wěn)壓模塊.

受體積和能量的限制，TVS管在一些特殊使用情況下的應(yīng)用具有局限性.預(yù)穩(wěn)壓模塊技術(shù)成為解決這一技術(shù)難點(diǎn)的途徑之一，如圖6所示.預(yù)穩(wěn)壓模塊包含有檢測(cè)電路，在電壓達(dá)到36～100 V條件下，可將電壓箝位在36 V工作，并且在300 ms后自動(dòng)關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)浪涌過(guò)電壓抑制，對(duì)窄尖峰電壓也能很好吸收.預(yù)穩(wěn)壓模塊不僅能夠滿足GJB298—1987［1］標(biāo)準(zhǔn)的要求 (100 V/50 ms，±250 V/50 μs正常工作)，而且其性能指標(biāo)留有足夠的裕量，并且具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、功率高的特點(diǎn).

圖6 預(yù)穩(wěn)壓模塊應(yīng)用電路

3.4 電氣設(shè)備電源模塊的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

對(duì)于裝甲車上的電氣設(shè)備，適應(yīng)電網(wǎng)供電特性的電壓范圍是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要素，通常在選用電源模塊或電源設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮電網(wǎng)的極限電壓范圍，還應(yīng)在此基礎(chǔ)上有一定降額.此外，還應(yīng)考慮裝甲車輛極限工作條件下的電網(wǎng)特性，結(jié)合前期大量的載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在－43℃的低溫冷起動(dòng)的情況下，24 V電源電壓可下降至10 V左右，發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)最高值為34 V.因此，至少應(yīng)選取工作電壓范圍為9～36 V的電源模塊，以滿足裝甲車輛的實(shí)際使用需求.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)裝甲車輛在裝調(diào)及使用過(guò)程中出現(xiàn)的電氣設(shè)備故障進(jìn)行深入分析，其主要原因是由于不良的外部電源供電特性造成的，并提出了規(guī)范外部電源的供電特性、車輛電路優(yōu)化以及電氣設(shè)備抑制尖峰浪涌電壓和電源模塊的適應(yīng)性等設(shè)計(jì)方案，特別是對(duì)車輛對(duì)接外部電源電路的改進(jìn)方案，不僅解決了外部電源使用時(shí)極性反接和浪涌電壓和尖峰脈沖問(wèn)題，而且該電路還具有構(gòu)成簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，經(jīng)裝車或試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)證明，所提改進(jìn)方案有效減少了用電設(shè)備的故障.

［1］GJB298—87軍用車輛28伏直流電氣系統(tǒng)特性［S］.北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).

［2］GJB572A—2006飛機(jī)外部電源供電特性及一般要求［S］.1版.北京:國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2007.

［3］GJB2185A—2008飛機(jī)外部電源監(jiān)控器通用規(guī)范［S］.1版.北京:國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2008.

［4］王大明，聶玉林，趙月琴.空空導(dǎo)彈發(fā)射裝置電源特性設(shè)計(jì) ［J］.航空兵器，2010，(3):53-56.

［5］陳萬(wàn)堂，陳紅麗，瞬態(tài)電壓抑制器 ［J］.傳感器技術(shù)，2001，20(2):41.