البنية الكهربائية للمركبات العسكرية: 28 VDC وMIL-STD-1275 وتوزيع الطاقة

البنية الكهربائية للمركبات العسكرية هي تصميم النظام الذي يحدّد كيف تمرّ الطاقة القادمة من البطاريات والمولّد وأي مصادر مساعدة عبر طبقات الحماية وقضبان التوزيع والمصاهر لتصل إلى أحمال المهمة بمستويات الجهد الصحيحة. وفي مركزها يقع نظام طاقة المركبة 28 VDC والمعيار MIL-STD-1275 الذي يحدّد خصائص ذلك الناقل. أما الوحدة التي تجمع الطاقة عند نقطة واحدة وتوزّعها مع الحماية فهي وحدة توزيع الطاقة العسكرية، أو وحدة PDU للمركبات.

في الشاحنة المدنية، تخدم الأسلاك الأضواء ومحرك بدء التشغيل وبضعة ملحقات. أما في المركبة المدرعة أو المركبة التكتيكية ذات العجلات فهي تغذّي عشرات الأحمال، من حاسوب المهمة وأنظمة الاتصالات وكاميرات الرؤية المحيطية إلى إلكترونيات البرج وقاذف القنابل الدخانية ووحدة التحذير، والمحرك يعمل وكذلك وهو متوقف. يشرح هذا المقال، طبقةً طبقة، كيف ينبغي لمهندس الأنظمة وأخصائي المشتريات قراءة تلك البنية. ويقتصر النطاق على المركبات البرية فقط.

مستوى الجهد السائد في المركبات البرية العسكرية هو 28 VDC. والسبب العملي هو العلاقة بين البطارية والمولّد: فمجموعتا بطاريات 12 V موصولتان على التوالي تعطيان جهدًا اسميًا قدره 24 V، وبينما يشحنهما المولّد يستقر الناقل عادةً عند نحو 28 V. ولذلك تصف عبارتا «مركبة 24 V» و«نظام 28 VDC» البنية نفسها؛ فالأولى هي جهد البطارية، والثانية هي الناقل الحي.

أما الأسباب الأخرى لهذا المستوى، وهي انتشاره في دول NATO ومنظومة المعدات والسلامة بفضل الجهد المنخفض، فمدرجة في دليلنا حول وحدات APU العسكرية والمراقبة الصامتة. والمهم من الناحية المعمارية أن كل معدّة على الناقل مصمَّمة وفق تعريف الجهد نفسه، وهذا التعريف هو MIL-STD-1275.

يحدّد معيار MIL-STD-1275 خصائص النظام الكهربائي 28 VDC في المركبات البرية العسكرية عند أطراف دخل الطاقة في المعدات. وهو يعمل في اتجاهين: فيخبر مصمّم المركبة بالحدود التي يجب أن يبقى الناقل ضمنها، ويخبر مصمّم المعدات بالاضطرابات التي يجب أن تتحمّلها المعدات. والمراجعة الحالية هي MIL-STD-1275E؛ ولا تزال مواصفات المنصات الأقدم تستشهد بالمراجعة 1275D، وحدود المراجعتين ليست متطابقة. ويجب دائمًا قراءة القيم من المراجعة التي يستشهد بها المشروع.

الحالة المستقرة والتموّج (Ripple)

يحدّد المعيار حدود الجهد في الحالة المستقرة للناقل الاسمي 28 VDC إلى جانب التموّج المحمول عليه. ويجب أن تقدّم المعدات أداءها المحدّد عبر النطاق كله، لا عند 28.0 V بالضبط فقط.

الارتفاعات المفاجئة (Surges) والنبضات الحادة (Spikes)

يُحدث انفصال حمل كبير فجأةً عن المولّد ارتفاعًا مفاجئًا في جهد الناقل. ويعرّف المعيار الارتفاعات المفاجئة بالسعة والمدة؛ فالنبضات التي تصل إلى 100 V وتدوم في حدود 50 ms، على سبيل المثال، معيارٌ لتحديد مقاسات مرحلة الدخل. أما النبضات الحادة القصيرة جدًا الناتجة عن تبديل الأحمال الحثية مثل المرحّلات والمُلامِسات والمحركات فتشكّل فئة منفصلة. ويوجّه كلاهما اختيار مرشّح الدخل وعناصر كبح الجهود العابرة.

انخفاضات الجهد أثناء بدء تشغيل المحرك

أثناء عمل محرك بدء التشغيل، ينخفض جهد الناقل انخفاضًا ملحوظًا لفترة قصيرة. ويعرّف المعيار هذا الانخفاض أيضًا؛ أما مواصفات المنصة فهي التي تقرّر ما إذا كانت المعدات تواصل العمل أو تتوقف بطريقة مضبوطة أو تعيد التشغيل. وفي الأحمال مثل حاسوب المهمة، تُغطّى هذه الفترة عادةً بطاقة احتياطية.

القطبية العكسية

توصيل البطارية بشكل معكوس أثناء الاستبدال أو التشغيل بالتوصيل الخارجي (Jump-start) نمطُ عطل يجب أن تعالجه البنية بشكل منفصل. وتُدرج المراجعات الحالية للمعيار القطبيةَ العكسية ضمن الظروف التي يجب أن تتحمّلها المعدات الموصولة. ويتناول دليلنا حول القطبية العكسية الفيزياء وأساليب الحماية ومعايير الاختيار.

ماذا يعني المعيار لتصميم المعدات

بالنسبة إلى أي منتج طاقة يُركَّب في مركبة برية، فإن MIL-STD-1275 حاسم بقدر MIL-STD-461 (EMI/EMC) وMIL-STD-810 (البيئي). وتُقرأ المعايير الثلاثة معًا: فيصف 1275 السلوك الكهربائي للناقل، ويصف 461 الضجيج الذي يجوز للمنتج أن يبثّه على الناقل وأن يتحمّله منه، ويصف 810 الظروف البيئية مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة والماء. وتُبحث هذه العلاقة في دليلنا حول MIL-STD-461 وMIL-STD-810.

أسهل طريقة لقراءة البنية الكهربائية للمركبة هي الفصل بين الطبقات التي تمرّ بها الطاقة من المصدر إلى الحمل:

لا تُغني الطبقات بعضها عن بعض. فوجود حماية من القطبية العكسية على مدخل كل جهاز لا يجعل وحدة الحماية على خط البطارية زائدة عن الحاجة: إذ لا تحمي الحماية على مستوى الجهاز إلا ذلك الجهاز نفسه، في حين يعتمد المولّد والأسلاك على طبقة خط البطارية.

تحمل معظم المركبات التكتيكية مجموعتَي بطاريات: إحداهما لبدء التشغيل وأنظمة المركبة الأساسية، والأخرى لأحمال المهمة. ويشحن المولّد كلتيهما ويغذّي الناقل أثناء عمل المحرك الرئيسي؛ وعندما تكون المركبة متوقفة، يحافظ شاحن بطارية يُغذّى من مصدر خارجي على البطاريات مشحونة بالكامل. وجمع هذه المصادر الثلاثة عند نقطة توزيع واحدة هو القرار الذي يبسّط البنية أكثر من غيره.

هناك خياران لتغذية أحمال المهمة والمحرك متوقف. الأول وحدة طاقة مساعدة (APU) منفصلة؛ راجع دليل وحدات APU لسيناريوهات المراقبة الصامتة واختيار فئة القدرة. والثاني وحدة تخزين طاقة للاحتياط قصير الأمد. ووفقًا لورقة بياناتها، تستخدم وحدة البطارية المساعدة PowerGuard EBB من TEDEG مكثفًا فائقًا بسعة 3600 F، وتعمل على 16–32 VDC، وتوفّر الطاقة لمدة 3 ساعات بعد إيقاف الإشعال، وترسل تقاريرها عبر CAN-Bus. أما المقارنة بين المكثف الفائق والبطارية فستكون موضوع مقال منفصل في هذه المجموعة.

تقع ثلاث وظائف حماية بين طبقة المصدر والناقل:

• الحماية من القطبية العكسية: قطع الخط عند عكس توصيل البطارية وإخراج المولّد من الدارة بطريقة مضبوطة.
• عازل البطارية: فصل البطاريات لأغراض الصيانة والتخزين الطويل في وضع الاستعداد.
• الإيقاف الطارئ: قطع التوزيع بأكمله بإجراء واحد أثناء الحريق أو دارة القصر أو الصيانة.

فيما يخص القطبية العكسية، تذكر ورقة بيانات وحدة القطبية العكسية PowerGuard TPB-01 من TEDEG ما يلي: التشغيل على 12 V / 24 V DC، وسعة تيار تصل إلى 500 A، وتقنية ثنائي داخلي تقطع الدارة خلال أجزاء من الألف من الثانية عند حدوث القطبية العكسية، وتحكّمًا زمنيًا يفصل المولّد بعد 8 ثوانٍ من انقطاع إشارة الإثارة (Excite). والغلاف مصنّف بدرجة IP67 ومصمَّم لنطاق −40 °C … +120 °C، وهو نطاق مهم عندما تُركَّب الوحدة في موقع حار مثل حجرة المحرك أو صندوق البطارية.

عادةً ما يُدمج عازل البطارية والإيقاف الطارئ في وحدة التوزيع. وفي وحدة TDG-EDP-D0X الموصوفة أدناه، يوجد كلاهما على اللوحة؛ ويؤدي الضغط على الإيقاف الطارئ إلى فصل مُلامِس الدخل ومُلامِس الحمل.

طبقة التوزيع هي المركز المادي للبنية، وفيها تُجاب ثلاثة أسئلة تصميمية:

1. 1.كم عدد المصادر، وهل على قضيب توزيع واحد؟ يمنح توصيل البطارية 1 والبطارية 2 والمولّد والشاحن كلًّا على حدة كلَّ مصدر حمايته الخاصة ومسار كابلاته الخاص. أما قضيب توزيع واحد (+) وآخر (−) فيقلّصان حزمة الأسلاك ويركّزان منطق الحماية عند نقطة واحدة.
2. 2.كيف تُحمى المخارج؟ ينبغي أن يكون لكل خط خرج مصهره الخاص المختار وفق تيار الحمل، بحيث لا تُسقط دارة القصر إلا ذلك الخط بينما يواصل حاسوب المهمة والاتصالات والكاميرات العمل.
3. 3.متى تُوصَل المصادر؟ تحمي المُلامِسات التي تعمل وفق عتبات الجهد البطارياتِ من التفريغ العميق، ولا توصل الأحمال إلا ضمن نافذة جهد آمنة.

تجيب وحدة توزيع طاقة DC للمركبات العسكرية TDG-EDP-D0X من TEDEG عن هذه الأسئلة بقيم ورقة البيانات التالية:

• المداخل: 4؛ البطارية 1، والبطارية 2، والمولّد، وشاحن البطارية.
• قضيب التوزيع: (+) و(−)، 400 A.
• مصاهر الخرج: من نوع MIDI؛ 30 و60 و100 A @28 VDC. وتُحفظ داخل الوحدة ثلاثة مصاهر MIDI احتياطية لكل تصنيف من تصنيفات 30 و60 و100 و200 A.
• منطق المُلامِسات: يُغلق مُلامِس الدخل فوق 21.5 VDC ويُفتح دون 21 VDC، فيفصل البطاريات ومُلامِس الحمل. وتعمل وحدة التحكم عندما يرتفع جهد بطارية المركبة فوق 11.5 VDC أو 21 VDC. وجهود التشغيل الخاصة بها ثابتة؛ أما جميع العتبات الأخرى فقابلة للضبط، ويمكن لمفتاح تجاوز (Bypass) داخل اللوحة تجاوزها.
• الغلاف والبيئة: ألومنيوم السلسلة 5000، محكم ضد الماء وفق اختبار المطر MIL-STD-810G الطريقة 506.5 الإجراء I (30 دقيقة)، وجلبات كابلات PG بمعيار IP67، وحشية EMI على الغطاء. مروحتان محوريتان يتحكم فيهما منظّم حرارة؛ درجة حرارة التشغيل −32 °C … +52 °C؛ الوزن 14 ± 2 kg.

تتيح العتبات القابلة للضبط تكييف الوحدة نفسها مع مختلف أنواع كيمياء البطاريات وبنى المركبات، وتبسّط المصاهر الاحتياطية الموجودة داخل الوحدة الصيانة الميدانية. أما مقطع قضيب التوزيع ومنحنيات المصاهر وتحديد مقاسات الكابلات فستُتناول في مقال منفصل عن قضبان التوزيع DC ضمن هذه المجموعة.

يشرح دليلنا حول وحدات PDU العسكرية الفروق بين وحدات PDU للتركيب في رف واللوحات الخارجية ووحدات توزيع DC للمركبات، إضافةً إلى التحويل التلقائي بين المصادر (ATS)؛ وتجد جميع منتجات التوزيع مدرجة ضمن وحدات توزيع الطاقة (PDU).

في المركبة أكثر من مستوى جهد واحد: فبعض المصادر توفّر 12 VDC، وبعض الأحمال تريد 24 VDC منظَّمًا، والكاميرات تعمل على 12 VDC. وتوائم طبقة التحويل هذه المستويات وتعزل الأحمال الحرجة عن الجهود العابرة في الناقل. ثلاثة أمثلة:

• 12 → 28 VDC داخل وحدة التوزيع: يحوّل المحوّل المدمج في TDG-EDP-D0X الطاقة الواردة بجهد 12 VDC إلى 28 VDC للناقل؛ وهو مقنّن بقدرة 500 W، ويبدأ العمل فوق 12.5 VDC ويتوقف دون 12 VDC.
• محوّل DC-DC مستقل: يُنتج محوّل DC-DC بمواصفات عسكرية PowerGuard-D1000 خرجًا منظَّمًا مستمرًا بقيمة 24 VDC / 1 kW من دخل اسمي 12 VDC (10–18 VDC)، مع حماية من القطبية العكسية ومصهر سريع الاستجابة بتيار 100 A قابل للاستبدال من قِبل المستخدم على مدخله.
• التوزيع الفرعي المعزول: تؤدي تغذية أحمال صغيرة كثيرة، مثل حزمة الرؤية، كلٍّ على حدة من قضيب التوزيع إلى تضخّم حزمة الأسلاك. وتستقبل وحدة توزيع طاقة الكاميرات العسكرية SENTRA KBM دخل 28 VDC متوافقًا مع MIL-STD-1275E، وتوفّر 11 مخرجًا معزولًا على الأقل للكاميرات بجهد 12 VDC، و24 VDC ±0.2 V بقدرة 200 W كحد أدنى لحاسوب المهمة، ومخرجًا معزولًا 24 VDC بقدرة 25 W على الأقل للشاشة. ويتمتع الدخل بحماية من القطبية العكسية وعزل جلفاني؛ وعلى جانب EMI/EMC، حُدّدت اختبارات MIL-STD-461G CE102 وCS101/114/115/116 وRE102 وRS103.

القيمة المعمارية للعزل الجلفاني: لا يمرّر المخرج المعزول الارتفاعات المفاجئة والنبضات الحادة في الناقل مباشرةً إلى الحمل، ولا تُسقط دارة القصر في إحدى الكاميرات الكاميرات الأخرى. وتجد إلكترونيات المركبات الأخرى مدرجة ضمن إلكترونيات المركبات (Vetronics).

الطبقة الأخيرة هي الأحمال، والعمل هنا هو ميزانية طاقة تُبنى في ثلاثة أعمدة:

ينبغي أن تتضمن الميزانية الأولويات إلى جانب المجاميع: فمع انخفاض جهد البطارية، أي الأحمال تُفصل أولًا وأيها يبقى قيد التشغيل حتى النهاية؟ ويصل ترتيب الأولويات هذا إلى العتاد عبر عتبات المُلامِسات وتجميع المخارج.

في البنية الحديثة، تُقاس حالة الناقل وتُسجَّل. وعلى جانب DC في المركبة يبدأ ذلك بعتبات المُلامِسات وحالة المصادر. أما المنصات التي تُغذّى من مولّد كهربائي أو تحمل أحمال AC (مراكز القيادة المتنقلة، ومركبات الرادار، والملاجئ) فتحتاج أيضًا إلى مراقبة جهد الأطوار. ووفقًا لورقة بياناتها، تقيس وحدة قياس الجهد PowerGuard من TEDEG حتى 21 طورًا (7 مجموعات × 3 أطوار) على لوحة واحدة ضمن نطاق 0–300 VAC بدقة ±1% عند 50 / 60 Hz، وتُغذّى من 220 VAC، وترسل القراءات في الزمن الحقيقي عبر Ethernet (RJ45)؛ ودرجة حرارة تشغيلها −32 °C … +55 °C. وتجد مثل هذه الوحدات مدرجة ضمن إدارة الطاقة وحمايتها.

1. 1.المداخل: كم عدد المصادر التي تقبلها الوحدة؛ وهل البطاريات والمولّد والشاحن على مداخل منفصلة؟
2. 2.تيار قضيب التوزيع: هل يحمل قضيب التوزيع تيار الذروة وتيار بدء التشغيل إلى جانب الحمل المستمر؟
3. 3.حماية المخارج: هل كل مخرج محمي بمصهر مستقل؛ وهل نوع المصهر قابل للاستبدال في الميدان؛ وهل تُحفظ مصاهر احتياطية داخل الوحدة؟
4. 4.منطق المُلامِسات: هل عتبات مُلامِس الدخل ومُلامِس الحمل محدّدة وقابلة للضبط؛ وهل يوجد تجاوز (Bypass)؟
5. 5.الإيقاف الطارئ وعازل البطارية: هل كلاهما على اللوحة؛ وأي المُلامِسات يفتحها الإيقاف الطارئ؟
6. 6.التحويل: هل يلزم محوّل مثل 12 → 28 VDC داخل الوحدة، وهل تصنيفه كافٍ؟
7. 7.المتانة البيئية: هل موقع التركيب معرّض للمطر؛ ووفق أي معيار وطريقة يُحدَّد الإحكام ضد الماء؛ وهل يناسب نطاق درجة الحرارة الموقع؟
8. 8.مراجع المعايير: هل تذكر ورقة البيانات المراجعة والطريقة لكلٍّ من MIL-STD-1275 وMIL-STD-461 وMIL-STD-810، أم تكتفي بالقول «متوافق»؟

السؤال الأخير هو الأهم. فعبارة «مصمَّم للتوافق» وعبارة «مختبَر» ليستا الشيء نفسه؛ وينبغي حسم أيهما مطلوب وأيهما معروض في مرحلة عرض السعر. ويشرح دليل MIL-STD كيفية التحقق من ذلك.

TEDEG Defence شركة تصنيع دفاعية مقرها أنقرة، تصمّم وتصنع منتجات لطبقات التوزيع والحماية والتحويل والمراقبة في بنية 28 VDC للمركبات البرية العسكرية.

منتجات بنية المركبة الواردة في هذا المقال:

• التوزيع: وحدة توزيع الطاقة DC طراز TDG-EDP-D0X؛ 4 مداخل، وقضيب توزيع 400 A، ومخارج بمصاهر MIDI، ومحوّل 12 → 28 VDC بقدرة 500 W.
• الحماية: وحدة القطبية العكسية PowerGuard TPB-01؛ 12 / 24 V DC، حتى 500 A، IP67، فصل المولّد بعد 8 ثوانٍ.
• التحويل والتوزيع المعزول: وحدة توزيع طاقة الكاميرات SENTRA KBM؛ دخل 28 VDC متوافق مع MIL-STD-1275E، و11 مخرجًا معزولًا على الأقل للكاميرات بجهد 12 VDC.
• المراقبة: وحدة قياس الجهد PowerGuard؛ حتى 21 طورًا، 0–300 VAC، Ethernet.

راجع الشهادات والجودة للاطلاع على الوثائق، وكتالوج المنتجات للاطلاع على التشكيلة الكاملة.

ما الفرق بين MIL-STD-1275E وMIL-STD-1275D؟

يحدّد كلاهما خصائص ناقل 28 VDC في المركبات البرية العسكرية؛ والمراجعة E هي الحالية، وتختلف بعض حدود الجهود العابرة والتعريفات فيها عن المراجعة D. وينبغي تقييم المعدات وفق المراجعة التي تستشهد بها مواصفات المشروع، وليس وفق الأخرى أبدًا.

ما الفرق بين وحدة توزيع طاقة DC للمركبات ووحدة PDU للتركيب في رف؟

تجمع وحدة توزيع DC للمركبات البطاريات والمولّد على قضيب توزيع عالي التيار، وتقسّم أحمال 28 VDC إلى خطوط محمية بمصاهر. أما وحدة PDU للتركيب في رف فتقبل مصادر AC مثل 220 VAC في ملجأ أو مقصورة، وتضيف عادةً التحويل التلقائي بين المصادر والمراقبة عبر Ethernet. ويمكن أن توجد كلتاهما على منصة واحدة: وحدة DC على جانب المركبة، ووحدة PDU في رف داخل مقصورة المهمة.

هل النظام 24 V أم 28 V؟

كلاهما. فمجموعة البطاريات اسميًا 24 V؛ وتحت شحن المولّد يعمل الناقل عادةً عند نحو 28 V، ولهذا تسمّيه المعايير وأوراق البيانات «28 VDC».

هل المصهر المستقل على كل مخرج ضروري حقًا؟

نعم. فالمصهر الرئيسي الواحد يترك المركبة بأكملها دون طاقة عند حدوث دارة قصر في خط واحد؛ أما المصهر لكل مخرج فيحصر العطل في ذلك الخط. ويُحدَّد التصنيف وفق مقطع كابل الخط وتيار الحمل.

هل يمكن فصل البطارية أثناء عمل المولّد؟

يُحدث فصل البطارية فجأةً أثناء عمل المولّد ارتفاعًا مفاجئًا عالي السعة في جهد الناقل ويُجهد المعدات الموصولة. ولذلك فإن عازل البطارية مخصّص للاستخدام والمحرك متوقف؛ أما منطق المُلامِسات فيوصل البطاريات ويفصلها بطريقة مضبوطة وفق عتبات الجهد.

البنية الكهربائية للمركبات العسكرية هي التصميم المشترك لخمس طبقات: المصادر، والحماية، والتوزيع، والتحويل، والأحمال. وMIL-STD-1275 هو لغتها المشتركة؛ فعلى أساسه يُقرأ سلوك المنتج في كل طبقة تحت الارتفاعات المفاجئة والنبضات الحادة وانخفاضات بدء التشغيل في الناقل. وتحدّد مداخل وحدة التوزيع وتيار قضيب التوزيع وترتيب المصاهر وعتبات المُلامِسات مقدار الصيانة التي ستحتاج إليها البنية في الميدان.

للحصول على بنية توزيع وحماية تلائم ترتيب البطارية والمولّد والأحمال في مركبتك، اطلب عرض سعر أو تواصل مع فريقنا الهندسي.

مثال ميداني: اقرأ قصة النجاح تحديث بنية الطاقة في الشاحنات التكتيكية، التي جرى فيها تجديد طبقات التوزيع والحماية والمراقبة معًا.