CN102237707A - 混合式发动机驱动发电机的输出控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种混合式发动机驱动发电机的输出控制装置，即使在电池电压低于交流发电机输出电压的情况下，也能够利用电池输出来辅助交流发电机输出。发电机具有电池和由发动机驱动的交流发电机，利用电池的输出功率来辅助交流发电机的发电功率。逆变器电路与整流电路的输出侧连接。DC-DC变换器将电池的电压升压后输入恒定功率调节器。恒定功率调节器是升压变换器，将输入电压升压而维持固定的功率。利用监视单元监视整流电路的输出电压，利用监视单元监视电池的输出电压。在整流电路的输出电压成为额定电压以下时，将与电池余量对应的辅助功率值设定为恒定功率调节器的功率目标值。

Description

混合式发动机驱动发电机的输出控制装置
技术领域
本发明涉及混合式发动机驱动发电机的输出控制装置，尤其涉及下述结构的混合式发动机驱动发电机的输出控制装置：即使在作为辅助电源的电池的输出电压比由发动机驱动的交流发电机的发电电压低的情况下，也能够利用电池电压来辅助交流发电机的发电功率。
背景技术
在以往的发动机驱动型逆变式发电机中，发电机输出由发动机的输出、和交流发电机及逆变器的效率确定。即，提供给负载的发电机输出受限于发动机的输出。因此，已经公知有如下的混合式发动机驱动发电机，其具有电池作为辅助电源，将电池的输出电压通过直流-直流(DC-DC)变换器叠加到交流发电机的输出电压上，由此能够向负载提供发动机的输出(动力)以上的发电机输出(参照专利文献1)。在这种混合式发动机驱动发电机中，在发动机转速由于过负载状态而下降、使得交流发电机的发电输出降低时，利用DC-DC变换器对电池电压进行升压，通过该电压进行交流发电机的输出辅助。
专利文献1：日本专利第3941927号公报
作为发动机驱动型发电机的发电主体的交流发电机具有其输出电压随着负载电流的增大而降低的下垂特性。图9是示出负载电流与交流发电机的输出电压(整流后)之间的关系的特性图。如图9所示，在流过额定点以上的负载电流IL时，交流发电机的输出电压将不能输出额定以上的电压。因此，在负载增大、交流发电机的输出电压Valt低于电池电压Vbatt的情况下(在额定点以上的区域Z中)，不能利用电池实现输出辅助。即使在利用DC-DC变换器将电池电压Vbatt升压而成为高电压Vbatt_con的情况下，由于在高负载时，交流发电机的输出电压Valt的下降明显，因而很难利用电池实现足够的输出辅助。而且，即使在交流发电机的输出电压Valt没有下降到不能进行输出辅助的情况下，由于输出辅助量是根据交流发电机的输出电压Valt与DC-DC变换器的输出电压Vbatt_con之差来确定的，所以存在不能得到预期的输出辅助量的问题。
并且，在DC-DC变换器的输出电压Vbatt_con与交流发电机的输出电压Valt相比极端高的情况下，即，交流发电机实质上不输出功率的情况下，必须利用DC-DC变换器提供发电机的最大发电功率。假设这种情况时，例如在最大发电输出为3千瓦的情况下，必须选择与3千瓦的输出对应的DC-DC变换器。
发明内容
本发明的目的在于解决与上述输出辅助动作相关的各种问题，提供一种混合式发动机驱动发电机的输出控制装置，其能够与电池电压和交流发电机的输出电压之间的关系无关地，利用电池电压可靠地辅助交流发电机的输出。
为了达到上述目的，本发明提供了一种混合式发动机驱动发电机的输出控制装置，该混合式发动机驱动发电机具有电池和由发动机驱动的交流发电机，利用所述电池的输出功率来辅助所述交流发电机的发电功率，本发明的第一特征在于，所述输出控制装置具有：逆变器电路，其与整流电路的输出侧连接，该整流电路对所述交流发电机的输出进行整流；DC-DC变换器，其与所述电池连接；以及恒定功率调节器，其设置在所述DC-DC变换器和所述逆变器电路的输入侧之间。
并且，本发明的第二特征在于，所述输出控制装置具有：监视所述整流电路的输出电压的单元；监视所述电池的输出电压的单元；以及在所述整流电路的输出电压成为额定电压以下时，驱动所述DC-DC变换器而开始辅助功率的输出，并且确定与所述电池余量对应的辅助功率值的单元，将所述确定的辅助功率值设为所述恒定功率调节器的功率目标值。
根据具有第一特征的本发明，能够与DC-DC变换器的输出电压是否低于整流后的交流发电机输出电压无关地，向逆变器电路输入固定的功率，能够向负载提供叠加在交流输出功率上的发电机输出。因此，即使电池电压变动，也能够形成比从整流电路输出的交流发电机输出高的电压，从而始终提供辅助功率。
根据具有第二特征的本发明，将辅助功率值设为恒定功率调节器的目标功率值，以便辅助随着负载电流的增大而下降的交流发电机的输出，从而能够在交流发电机输出降低的过负载时有效地进行功率辅助。
附图说明
图1是示出包括本发明一个实施方式的输出控制装置的发电机的系统结构的框图。
图2是示出整流电路的具体例的电路图。
图3是示出逆变器电路的具体例的电路图。
图4是绝缘型DC-DC变换器的电路图。
图5是示出恒定功率调节器的具体例的电路图。
图6是示出输出控制装置的主要部分功能的框图。
图7是示出第2实施方式的发电机的系统结构的框图。
图8是示出输出控制装置更具体的应用例涉及的发电机系统结构的框图。
图9是示出交流发电机的输出电压特性的图。
标号说明
1混合式发动机驱动发电机；2发动机；3交流发电机；4电池；9绝缘型DC-DC变换器；21恒定功率调节器；26、27绝缘元件；30 CPU；31功率计算部；32功率比较部；33占空比确定部；34驱动器；51整流电路；52逆变器电路。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的一个实施方式。图1是包括本发明的第1实施方式的输出控制装置的混合式发动机驱动发电机的系统结构图。在图1中，混合式发动机驱动发电机1具有：与发动机2连接的作为第1电源的交流发电机(alternator)3、和作为第2电源的电池4。电池4的输出侧与绝缘双向型DC-DC变换器(以下称为“绝缘型DC-DC变换器”)9的一次侧连接，绝缘型DC-DC变换器9将电池4的输出电压升压后输出。输出控制装置20将交流发电机3的输出和升压后的电池4的输出相加，作为发电机输出。
输出控制装置20具有整流电路51、逆变器电路52和波形成形电路53。波形成形电路53的输出(发电机输出)能够从输出端子(插座)6取出到负载7中。平滑用电容器C1与整流电路51的输出侧连接。
输出控制装置具有恒定功率调节器21。恒定功率调节器21的输入侧与绝缘型DC-DC变换器9的二次侧连接，将绝缘型DC-DC变换器9的输入功率控制为预定的值(目标功率值)后，输入逆变器电路52。CPU 30检测逆变器电路52的输入侧的电流和电压，计算功率，对输入恒定功率调节器21的PWM信号的占空比(导通时间比)进行增减，以使该检测功率成为目标功率值。
图2是示出整流电路51的具体结构的电路图。整流电路51具有电桥连接的开关元件(以下称为“FET”)Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf。交流发电机3的三相绕组3U与FET Qd和FET Qa的接合部连接，三相绕组3V与FET Qe和FET Qb的接合点连接，三相绕组3W与FET Qf和FET Qc的接合部连接。
整流电路51也作为驱动用逆变器发挥作用，对交流发电机3的输出进行整流后提供给逆变器电路52，同时将电池4的直流输出电压转换为三相交流电压而将其施加给交流发电机3。
图3是示出逆变器电路52的具体结构的电路图。逆变器电路52是将4个FET Q5、Q6、Q7和Q8进行电桥连接而形成的。逆变器电路52的输出与由线圈L1、L2和电容器C3构成的波形成形电路53连接。
图4是示出绝缘型DC-DC变换器9的结构例的电路图。绝缘型DC-DC变换器9包括变压器10，该变压器10具有一次侧的低压侧绕组10-1和二次侧的高压侧绕组10-2。绝缘型DC-DC变换器9的升压比由低压侧绕组10-1与高压侧绕组10-2的绕组比来确定。
低压侧开关部11插入到低压侧绕组10-1侧，高压侧开关部12插入到高压侧绕组10-2侧。低压侧开关部11例如通过将4个FET Q9、Q10、Q11和Q12进行电桥连接而构成，同样，高压侧开关部12通过将4个FET Q13、Q14、Q15和Q16进行电桥连接而构成。
二极管D7、D8、D9、D10以及D11、D12、D13、D14分别与低压侧开关部11和高压侧开关部12的FET Q9～Q16并联连接。这些二极管也可以是FET的寄生二极管，还可以是另外连接的二极管。若结合并联连接的整流元件D7～D14，则可以认为低压侧开关部11和高压侧开关部12分别是开关/整流部。
LC谐振电路13插入到变压器10的高压侧绕组10-2侧。LC谐振电路13发挥以下作用：使在低压侧开关部11和高压侧开关部12至少一方被驱动时流过的电流成为正弦波状，以降低开关损耗，并且不会引发因大电流而造成的FET破坏。这是因为能够在正弦波状的电流的过零点附近使FET导通、截止。另外，LC谐振电路13也可以设置在一次侧而非二次侧。
低压侧开关部11的FET Q9～Q12以及高压侧开关部12的FET Q13～Q16由CPU30进行开关控制。与一次侧及二次侧连接的电容器14、15是输出平滑用电容器。
在进行动作时，利用同一信号驱动该低压侧开关部11和高压侧开关部12而使其完全同步，以使绝缘型DC-DC变换器9自动进行双向的功率转换。这种驱动是众所周知的，通过在低压侧开关部11中使一对FET Q9及Q12、一对FET Q10及Q11交替地导通、截止，并且在高压侧开关部12中使一对FET Q13及Q16、一对FET Q14及Q15交替地导通、截止而实现。
图5是示出恒定功率调节器21的具体结构的电路图。在图5中，恒定功率调节器21由与绝缘型DC-DC变换器9的二次侧连接的扼流圈L5、二极管D15、电容器C22及FET Q16构成。扼流圈L5和二极管D15与绝缘型DC-DC变换器9的二次侧正线串联连接，电容器C22和FET Q16与绝缘型DC-DC变换器9的二次侧并联连接。FET Q16的漏极与扼流圈L5和二极管D15的阳极之间的接合部连接。
该恒定功率调节器21构成升压型变换器。即，在FET Q16导通的期间，利用从绝缘型DC-DC变换器9输入的电压，在扼流圈L5以及电容器C22中蓄积电荷。并且，在FET Q16截止的期间将所蓄积的电荷释放而叠加在从绝缘型DC-DC变换器9输入的电压上。结果，从恒定功率调节器21输出比从绝缘型DC-DC变换器9输入的电压高的电压。并且，对该电压进行控制，使得恒定功率调节器21的输出成为预定的目标功率值。
图6是示出设置在第1实施方式的输出控制装置20中的CPU 30的主要部分功能的框图。在图6中，功率计算部31被输入恒定功率调节器21的输出电流值Ireg和输出电压值Vreg，并计算功率值Preg(Preg＝Ireg×Vreg)。功率比较部32比较功率值Preg与目标功率值Ptgt，当功率值Preg大于目标功率值Ptgt时，输出占空比降低信号Ddec，当功率值Preg小于目标功率值Ptgt时，输出占空比增大信号Dinc。占空比确定部33响应于所述占空比增大信号Dinc或者占空比降低信号Ddec，使占空比初始值增减。由占空比确定部33确定的占空比D被输入驱动器34，驱动器34将具有所输入的占空比D的PWM信号(脉冲)输入恒定功率调节器21。恒定功率调节器21按照该PWM信号驱动所述FET Q16，并输出根据占空比而确定的电压Vreg。
在上述的实施方式中，将恒定功率调节器21和输出控制装置20的各个构成要素安装在共同的基板上。因此，能够从交流发电机3的输出得到控制电源，而不需要恒定功率调节器21与整流电路51的输出系统之间绝缘。
本发明不限于在这种单个控制系统中包含恒定功率调节器21，也可以按照下面说明的那样，在与整流电路51的输出系统不同的控制系统中设置恒定功率调节器21。
图7是示出本发明的第2实施方式的混合式发动机驱动发电机的系统结构的框图，与图1相同的标号表示相同或者同等的部分。在第2实施方式中，在输出控制装置20中设置专用于控制恒定功率调节器21的CPU 30，将输出控制装置20划分为两个控制系统。CPU 30用于控制恒定功率调节器21，CPU 25用于控制整流电路51的输出系统。分别由交流发电机3和电池4向CPU 25、30独立地提供工作电力。在图7中，第1控制模块100由整流电路51、逆变器52、波形成形电路53、平滑电容器C1以及CPU 25构成。
CPU 25在使整流电路51作为交流发电机3的驱动用逆变器进行工作时，对整流电路51的FET Q1～Q3进行控制。而且，CPU 25控制逆变器52的FET Q5～Q8，进行直流-交流的变换。由该CPU 25进行的动作是公知的。
第2控制模块200由绝缘型DC-DC变换器9、恒定功率调节器21、CPU 30以及分别将检测到的电流值和电压值输入CPU 30的绝缘元件26、27构成。CPU 30按照图1说明的那样控制恒定功率调节器21，同时进行由绝缘型DC-DC变换器9实施的电池输出电压的升压作用的控制。
绝缘元件26、27是由发光元件和受光元件构成的光电耦合器。发光元件是发光二极管，受光元件是接收来自发光二极管的光，产生与该光量对应的电流的光电晶体管。绝缘元件26、27将表示检测电流和检测电压的电压输入CPU 30。
CPU 25构成为由整流电路51提供电力，CPU 30构成为由电池4提供电力。根据该第2实施方式，在两个控制模块100、200之间能够无需在意基准电位即接地电位而进行电路构成，在这个方面很理想。
根据上述的各个实施方式，能够与绝缘型DC-DC变换器9的输出电压无关地，从恒定功率调节器21向逆变器电路51提供固定功率，弥补交流发电机3的发电输出的不足。
关于恒定功率调节器21的控制，可以根据电池4的余量等电池4的状态，对基于电池4的输出的、交流发电机3的输出的辅助量进行控制。通过这种辅助量即辅助功率的控制，能够防止在电池电压不足时，输出急剧的辅助功率而使电池4处于过放电状态。
图8是根据电池4的状态来确定辅助功率的输出控制装置20的系统结构图，与图1相同的标号表示相同或者同等的部分。CPU 30通过绝缘通信部28与CPU 29之间进行通信。绝缘通信部28可以由双向的光电耦合器构成。
在图8中，在处于过负载状态时，发动机2的转速下降，交流发电机3的发电功率下降，因而整流电路51的输出电压也下降。CPU 30具有在整流电路51的输出电压成为额定电压以下时输出检测信号的电压监视单元30a，通过绝缘通信部28向CPU29传递表示电压下降的数字数据(辅助功率开始命令)。CPU 29在被传递了辅助功率开始命令后，驱动绝缘型DC-DC变换器9而开始辅助功率的输出。
并且，CPU 29始终监视电池4的状态。CPU 29在被传递了辅助功率开始命令后，读取电池4的电压，确定与电池余量对应的辅助功率值。监视电池电压的功能(电池监视单元)29a包含在公知的电池管理系统(BMS)中。辅助功率值与电池余量对应，可以将辅助功率值预先设定为例如映射表，使得电池余量多于预定值时的辅助功率值比电池余量少于预定值时的辅助功率值大。所确定的辅助功率值通过绝缘通信部28传递给CPU 30，并作为目标功率值Ptgt输入图5所示的功率比较部32。这样，恒定功率调节器21能够向逆变器电路52输入与电池4的状态对应的辅助功率值。
在现有技术中，在利用DC-DC变换器升压后的电池电压Vbatt_con比从整流器输出的交流发电机电压Valt大的情况下，为了利用电池来补充发电机最大输出而流过突发电流，因而必须与该突发电流相应地使绝缘型DC-DC变换器9与发电机最大输出匹配。另一方面，根据本实施方式，由于使从电池4提供的功率收敛于目标功率值Ptgt，因而能够防止电池4过放电，绝缘型DC-DC变换器9也可以不与发电机最大输出匹配。
在现有技术中，只能在由DC-DC变换器升压后的电压Vbatt_con比通过整流电路整流后的交流发电机的输出电压Valt高的情况下，按照针对这些电压之差唯一确定的辅助功率量来辅助交流发电机输出。而根据本实施方式，能够通过恒定功率调节器将DC-DC变换器的输出进一步升压而提供固定功率。因此，即使在电池电压有变动时，也能够形成比从整流器输出的交流发电机输出高的电压，从而始终提供辅助功率。
关于本发明，按照实施例进行了说明，但是本发明不限于该实施例，能够根据在权利要求书中记述的事项和公知技术进行变形。

Claims (2)

1.一种混合式发动机驱动发电机的输出控制装置，该混合式发动机驱动发电机具有电池和由发动机驱动的交流发电机，利用所述电池的输出功率来辅助所述交流发电机的发电功率，所述混合式发动机驱动发电机的输出控制装置的特征在于，具有：
逆变器电路，其与整流电路的输出侧连接，该整流电路对所述交流发电机的输出进行整流；
DC-DC变换器，其与所述电池连接；以及
恒定功率调节器，其设置在所述DC-DC变换器和所述逆变器电路的输入侧之间。
2.根据权利要求1所述的混合式发动机驱动发电机的输出控制装置，其特征在于，所述输出控制装置具有：
监视所述整流电路的输出电压的单元；
监视所述电池的输出电压的单元；以及
在所述整流电路的输出电压成为额定电压以下时，驱动所述DC-DC变换器而开始辅助功率的输出，并且确定与所述电池余量对应的辅助功率值的单元，
将所述确定的辅助功率值设为所述恒定功率调节器的功率目标值。
CN201110115417.9A 2010-05-06 2011-05-05 混合式发动机驱动发电机的输出控制装置 Active CN102237707B (zh)

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