隨著信息技術和通信技術的進步，指控車輛向機動化、輕型化發展。指控車輛上裝多種網絡通信、信息處理等設備，種類多，功率大，車內布線復雜。車載電源系統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定性。

傳統的車載電源系統與底盤供電系統相互隔離，車載電源管理系統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。

電源系統的總體功能為：①具有多種交流供電方式，實現供電優選閉鎖控制；②具有不間斷供電能力，不同供電輸入能平穩切換，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、模塊狀態等進行監控，并可通過局域網上報參數。

1 自發電系統設計

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

自發電系統由2臺勵磁發電機、2臺電源轉換器、監控模塊、附件和電纜等部分組成，能通過底盤進行取力發電，輸出2路220V/50Hz交流。自發電系統設計參數如下：①駐車狀態額定功率為6kW×2；②行車狀態額定功率為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，產生勵磁電流。當發電機轉子組件的線圈繞組旋轉時，勵磁線圈產生旋轉磁場，其磁力線切割定子組件線圈繞組，產生感應電流。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 發電機工作原理簡圖

勵磁發電機產生的三相電頻率和電壓波動較大，還需經過電源轉換器的處理，成為穩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為發電機三相輸入，經過3組導通時序不同的晶閘管，進行全橋整流，并經電容濾波，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）實現全橋逆變，把直流電逆變為設計頻率的交流電。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電路主要進行系統的控制與保護。采用TMS320LF2407分別產生正弦脈沖寬度調制（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）方法調節電機勵磁電流的大小，使得發電機在全工況條件下能夠輸出穩定的電氣指標。

圖2 整流及頻率開關電路簡圖

監控模塊用于自發電系統的檢測和控制。可在液晶屏上顯示電壓、電流、頻率等參數，內部具有繼電器，可控制每一路輸出的通斷。

經過裝機試驗、行駛試驗等，表明這種自發電系統可靠、穩定，能夠提供長時間的大功率輸出。實測自發電系統的發電性能指標見表1。

表1 自發電系統發電性能指標

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航，多選用柴油發電機為上裝供電。綜合考慮后，設計供電優先級為：市電→柴油發電機→自發電設備。車內空調和交流壁插輸入為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路交流輸入經過控制電路后，產生交流輸出、交流備用1—4、空調輸出，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路空調輸出，為6kW交流變頻空調供電。設置6路空氣面板開關S1—S6，S1—S4控制自發電機1、自發電機2、

圖3 交流供電控制原理圖

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

交流輸出和交流備用1—4：使用市電、自發電機1、自發電機2和柴油發電機中電壓正常且優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。輸出優先順序為：市電→柴油發電機→自發電機1→自發電機2。開關優先級為K2＞K7＞K4＞K6。

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

經過帶載測試，不同AC供電方式切換時間≤5s，優化設置了緩沖電路，避免了切換中的瞬態過流、掉電等問題。本交流控制電路能夠實現不同交流輸入的穩定切換，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性。

3 AC/DC電路設計

綜合電源具有AC/DC變換、濾波穩壓、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，實現并聯供電。通過不同數量單元模塊配置，可為車載系統提供總功率為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AC/DC轉換。金屬氧化物半導體（metal oxide semiconductor, MOS）管柵極驅動波形如圖4所示，開關頻率為200kHz。通過優化配置驅動電路參數，減小了開通瞬間的柵極尖峰，提高了轉換的平穩性。

圖4 MOS管柵極驅動波形圖

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。經過功率因數校正電路（power factor correction, PFC）的處理，消除諧波等不良影響，最終產生穩定的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經過AC/DC模塊產生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，電池輸入經過線穩模塊穩壓后，為上裝設備供電。直流照明/暖風輸出為車內照明燈和風扇供電；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路輸出經過2個直流分配盒，實現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，即可開啟對應的上裝設備。

4 輔助電路設計

輔助電路主要具有照明控制、直流保護、參數監控等功能，主要包括配電控制箱、綜合電源、直流分配盒等設備。照明控制電路實現了照明燈、防空燈、應急燈的轉接與控制。根據車內門控開關的信號狀態，切換照明和防空燈的供電狀態，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，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，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。直流輸入經過防反接接觸器和濾波器，再經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，并可通過局域網進行參數上報。微控制器主控板（microcontroller unit, MCU）是控制功能實現的核心部件，主要由供電部分、控制和檢測部分、控制和驅動部分組成。

MCU通過A/D轉化電路采集電路的各種模擬量參數，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，電源系統工作狀態的顯示、控制，防止過壓、過流等問題的發生。

5 結論

本文提出一種優化設計方案，配備自發電、柴油發電機、配電控制箱、綜合電源、直流分配盒等設備。在自發電系統中通過DSP電路實現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。直流分配盒實現了獨立過流保護。綜合電源具有AC/DC轉換、參數檢測控制功能。

實踐表明，這種電源系統綜合性強、穩定性高，實現了輸入輸出控制、參數檢測等，充分滿足不同應用場景的需要。