郑 洁， 郭会然， 刘 睿

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

装甲车辆供电电网愈发复杂，相互耦合效应愈明显，单一的功能、性能测试无法模拟电气设备在整个电网中的实际工作状态，无法表征电气设备实际工作特征.并且由于试验室验证条件有限，不可能完全提供整车电应力测试的全部条件，因此需开展供电系统半实物仿真验证，实现电应力的仿真注入，模拟实际的工作应力，从而提供电气设备自身入网特性的试验基础，同时还可以获得电应力测试数据，掌握电网实际的供电特性.

1 总体设计方案

通过对电网中电源特性和负载适配性的相互耦合关系研究，找出电气设备故障模式的电应力典型影响因素；通过对大量电子产品故障进行统计、归纳，重点对各类故障产生时的综合应力条件进行深入的边界分析，进而确认不同故障模式的关键影响因素类别；通过试验室测试找寻系统极限瞬时应力条件，结合GJB298-1987的相关技术约束参数，建立供电系统极限瞬时电应力仿真模型，然后可将仿真模型叠加至机电综合试验环境中，建立装甲车辆整车供电半实物仿真验证平台，如图1所示.

图1 总体设计方案

2 供电系统电应力关键影响因素分析

供电系统的电应力的影响因素主要包括电压和电流两种特性参数，电压和电流又可分为正常工作电压/电流和瞬态工作电压/电流，此外还有纹波、频率等影响因素.从应力作用效果上，可分为正常工作应力水平和过度性电应力两大类影响因素，过渡性电应力引发的故障普遍存在但是其产生原理复杂.因此，首先从供电系统的电气特性入手，从电源特性同负载特性的耦合关系入手，从电应力的影响因素中找出影响供电系统可靠性的关键影响因素.

2.1 电源特性同负载特性的相互耦合关系

2.1.1 负载特性

车辆上的负载大致分为两种，一种是线性负载，一种是非线性负载.线性负载输入电流随输入电压的增加而增加，但是负载的变化不会使电源电压波形畸变，线性负载的工作电压、电流只含有基波，但非线性负载的电压、电流中含有很多谐波，这会造成波形的畸变.

装甲车辆中广泛使用负载主要包含照明灯、电阻式加温元件、直流电动机、直流电磁阀、继电器、接触器等.电阻式负载具有典型的线性负载，广泛使用的直流电动机其工作特性如图2所示.虽然其启动电流很大，但正常工作后，随着电源电压升高，电机转矩增大，输入电流也相应增加，仍具有线性特性，因此也属于线性负载.

图2 某车型机油泵工作特性曲线

目前已装备的装甲车辆基本采用28 V直流供电系统，其电源系统由励磁发电系统、铅酸蓄电池构成.电源调节系统将直流电源稳定在(28±0.7)V，当供电系统产生外部干扰的情况下，通过内部调节作用来抑制电压的变化.发电机的调压设备的晶体管整流电路具有典型的非线性特征，能在电源电压波动或负载变化时，高效地调节输出电压.开关电源或模块电源是典型的非线性电路，大多数的电子装置均属于此类，它和供电的设备一起构成非线性用电设备.但目前现有装备的各电子装置中所采用的开关电源功率较小，对供电系统影响较小，不作为重要的研究方向.

2.1.2 电源特性同负载特性的相互影响分析

供电系统中电气设备的启动、停止和变负荷运行工作频繁，系统处于动态变化的运行情况比较多，在不同的工况下不同故障点对系统运行造成的影响差别很大.发电机、负载、电力电子变换器和带电元件的接地连接耦合性强，抗扰动能力弱，多应力集中施加，极易造成系统故障.目前大量的大功率线性负载在电源开关动作瞬间会产生瞬态高压，对供电系统造成较大的冲击，并且很多失效模式都与使用中产生的瞬间高电压冲击有关，例如，整车电源系统瞬时浪涌电压和浪涌电流，电感性或电容性电路中断时产生的浪涌电压和浪涌电流都是伴随存在的.

综上所述，电源特性同负载特性相互耦合特性主要包含浪涌电流、浪涌电压、尖峰脉冲电压3种.用电设备在完成其规定的功能时，应对其电压/电流变化率和脉冲幅值进行约束，限制用电设备的电压/电流波动，使其满足供电系统的脉冲和电压瞬变所规定的范围.同时，用电设备也必须具备抗浪涌电压和电流冲击能力.

2.2 供电系统主要故障模式及其影响分析

2.2.1 基于故障模型的故障模式分析

电气设备的可靠性同电应力有着极其密切的关系.电应力包括电压、电流、功率、静电感应、浪涌电压和电磁场等，从应力作用效果上，可分为正常工作水平的电应力和过度性电应力两大类.其中，后者常会导致失效的发生，与电应力有关的失效模式主要为：

1)高电压(强电场)引起的击穿失效.这种失效与元器件使用中遇到的瞬态脉冲有关.装甲车辆中主要由大功率的投入或切除、电源的转换、电网的短路和短路的切除、直流电动机的起动等因素导致，其中电压浪涌幅值最大为100 V，最小为15 V，动态时间一般从数毫秒至数秒.高电压主要影响电子产品中的稳压器件，对非调整性器件，高压有利于暴露二极管、晶体管的缺陷.

2)大电流引起的烧毁失效.这种失效与电路中电感性或电容性电路中通、断点瞬间诱发大电流有关.现役的装甲车辆中大量应用了直流电动机，功率从几百瓦至几千瓦不等，这类负载在起动时往往带来瞬时电流的冲击，最高可能几百安，有可能超出负载的过载能力，导致用电设备损坏.大电流可以引起导体温度升高，导致导体熔化，通过传导和对流，导体可将热量传递给其他元件及绝缘材料，引发疲劳失效.电流过高会引起电阻等元件参数值随时间漂移，大电流还会产生磁场，引发噪声.

3)与热效应伴随的热电击穿失效.这种失效主要是因为功率应力引起过热，经常有明显可见溶蚀痕迹的损伤，特别是封装材料有碳化现象；芯片表面金属布线熔融蒸发，造成开路、短路或漏电.长时间热效应积累会引起电阻器和电容器等器件的参数值发生漂移.

因此，为找出这些影响因素同故障模式的关系，首先确定电子装备组件及元器件功能、性能，列出彼此的交联关系及影响.基于此对产品进行故障模式的分析，确定产品典型故障模式，通过系统的逐级建模，找出故障的传递关系，从而分析出典型故障的关键影响因素.如图3所示.

由以上逐层分析可以看到，电应力对于电源控制器电源模块损坏的影响因素主要包含尖峰脉冲、浪涌电压、浪涌电流和短路电流.

图3 某车型电源控制器故障传递模型

2.2.2 供电系统故障统计与分析

以某型装甲车供电系统为研究对象，充分调研收集产品信息、梳理产品的功能、组成、寿命剖面、环境条件等；详细收集产品各类故障信息，如：外场数据、试验数据、经验数据等，充分了解、掌握失效品发生失效的背景信息.应用统计分析方法绘制出该车型电应力的故障模式影响因素的示意图，如图4所示.主要包含浪涌电压、浪涌电流、短路电流和尖峰脉冲电压.

图4 某车型供电系统电应力故障影响因素示意图

通过以上分析，电应力的主要影响因素主要包含电压、电流和功率.稳态特性对于系统基本没有影响.供电系统电应力关键影响因素主要为瞬态特性，如浪涌电压、浪涌电流、尖峰脉冲电压、短路电流.

3 供电系统电应力的注入仿真

供电系统仿真的关键是确定电网电应力的边界条件，模拟瞬态应力的施加、确定测试的监控数据、监测参数的特征提取.经过分析之前的供电系统特性以及之前所积累的大量的电源及其负载特性测试曲线，可知GJB298-1987[1]中所规定的电气特性基本可以表征供电系统的极限工作特性.因此它不仅是对军用装甲车辆整个供电系统中的电源系统与用电设备之间的协调，也是车辆供电系统和用电设备进行半实物仿真验证设计时的依据.

3.1 仿真平台的搭建

仿真验证平台包括上位机、功率放大器及其控制单元和暂态波形发生器，如图5所示.功率放大器负责提供稳态直流28 V电源，并能够叠加高达200 kHz的纹波用于纹波测试.当测试浪涌和尖峰脉冲时，需要暂态脉冲器来配合功率放大器产生测试所需要的脉冲.

图5 仿真测试系统框图

上位机能通过特制开发的软件管理功放、抛负载脉冲发生器和暂态脉冲发生器，并可通过上位机软件编制GJB298-1987的测试项目.基于四象限功率放大设备的仿真测试系统能够按照设计输出非常精确的电压波形，用来测试用电设备与此电源系统的相适应性.

3.2 电应力稳态特性注入仿真

使用PAS LVA 1000线性功放输出恒定直流电压，此时抛负载脉冲发生器相当于被旁路，而暂态脉冲发生器相当于被断开，通过上位机软件施加稳态电压和纹波电压，模拟车上电源系统发电机与蓄电池并联工作的工况、仅蓄电池供电的工况和仅发电机供电的工况.波形电压输入仿真如图6所示,稳态电压输入仿真如图7所示.

图6 纹波电压输入波形(仅蓄电池工作时)

图7 稳态电压输入波形(仅蓄电池工作时)

由图6、图7可知，上位机软件输出28 V的稳态电压，并能够叠加200 kHz的纹波电压，从而模拟了电网真实的输出状态.

3.3 电应力瞬态特性注入仿真

使用PAS LVA 1000线性功放来产生稳态的28 V电压，此时抛负载脉冲发生器相当于暂态发生器串联在PAS LVA 1000功放和被测件之间，负责产生浪涌电压以及尖峰脉冲电压所需要的内阻、电压和能量，而暂态脉冲发生器相当于被断开没参与测试.功放会按照预设定分别给被测件发出稳态的电压，通过上位机软件施加浪涌电压和尖峰脉冲电压.浪涌电压输入仿真如图8所示，尖峰脉冲电压输入仿真如图9所示.

由图8、图9可知，由PAS LVA 1000线性功放输出稳态电压，上位机依据GJB298-1987中浪涌电压和尖峰脉冲电压的包络曲线模拟两种电压的极限值，并叠加至稳态电压上，从而实现了电网瞬态电压特性的仿真模拟.

图8 浪涌电压仿真

图9 尖峰脉冲电压仿真

4 电应力注入仿真的试验验证

4.1 用电设备极限瞬态电应力注入测试

1)测试内容：尖峰脉冲测试.

2)测试对象：电源控制器.

3)仿真波形参数设置：尖峰脉冲电压Vpeak设置为±250 V，尖峰脉冲电压的上升沿时间设置为50 ns，尖峰脉冲电压持续时间为50 ms，尖峰脉冲电压的振荡频率为fosc=500 kHz.

4.2 测试结果

图10为电源控制器测试点1的测试结果，通道3为滤波器输入端电压；通道4为浪涌抑制器输出端电压.图11为电源控制器测试点2的测试结果，通道1为5 V电源模块输出端电压；通道3为滤波器输入端电压；通道4为浪涌抑制器输出端电压.

图10 电源控制器尖峰脉冲电压测试波形(测试点1)

图11 电源控制器尖峰脉冲电压测试波形(测试点2)

由图10知测试点1的测试结果：尖峰脉冲电压受电路中负载及滤波组件的影响，注入设备时仅为+100～-50 V的尖峰.但浪涌抑制器输出仍受尖峰脉冲电压的影响，出现+35～+18 V的尖峰.虽然通过工装检测，电源控制器功能未发现异常，但是可以看到输出电压已经产生畸变.在复杂电磁环境下，受传导以及辐射的干扰叠加，这个变化影响将更加凸显，因此通过测试可以表明尖峰脉冲电压是电源控制器敏感电应力之一.

由图11知测试点2的测试结果：相比较15 V电源模块受尖峰脉冲的影响，5 V电源模块的输出端产生了较明显的干扰信号，电压幅值范围为2～8 V，总线通讯测试时间30 min，发现了数据丢帧的故障，进一步确定了尖峰脉冲电压是电源控制器中的故障影响因素之一.

5 结束语

从供电系统电应力的关键影响因素入手，开展电气部件故障层级建模分析，结合供电系统故障统计与分析的结果，确定了浪涌电压、浪涌电流、短路电流和尖峰脉冲电压为测试应力，实现了供电系统的集成测试，测试结果同分析结果一致.通过装甲车辆供电系统半实物仿真验证研究，解决了GJB298-1987中的指标无法提供可以量化测试结论的问题，达到了充分激发用电设备潜在故障的目的，但存在测试参数同车型的实际特征贴合不够，测试边界值不够准确的问题,在以后的设计中重点开展系统极限瞬时电应力分析和引发故障的边界参数研究.