CN103538484B - 一种以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法，其步骤为：（1）建立以永磁同步发电机组为主的车载供电站：发电机组由发动机驱动永磁同步发电机产生三相或六相交流电，经过全波整流滤波后输出直流电U_dcg；发电机组与车载动力电池组并联组成车载供电站；（2）车载供电站采用三种供电模式：（2.1）发电机组和车载动力电池组并联供电，发动机工作在高效能耗区；（2.2）由发电机组单独供电，发动机工作在经济燃油消耗区；（2.3）由车载动力电池组单独供电，发动机停机。本发明具有原理简单、控制方便、能有效节约燃料消耗的等优点。

Description

一种以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法

技术领域

本发明主要涉及到车载供电站的供电方法领域，特指一种以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法，即指一种发动机和永磁同步发电机组成发电机组、采用全波不控整流输出、与车载动力电池组成的车载式供电站，为客车（或船）的电驱动系统供电、满足整车的动力需求。

背景技术

在电传动车辆和船舶中，为了降低客车（或船）的能源消耗，驱动系统一般采用交流变频调速传动系统，交流变频调速传动系统由车载供电站提供直流电。由于车载供电站的容量有限，直流电压U_dc实际在一个范围内波动，即工作电压范围为U_dcmin～U_dcmax，交流变频调速传动系统在此范围稳定的运行，将电功率转成机械功率，为整车提供动力。交流调速传动系统根据整车动力需求和直流电压U_dc，采用有效的控制策略降低本身的损耗，以提高驱动系统的效率。如图1所示的交流变频调速传动系统高效动力输出特性图谱。如果车载供电站在任何负荷下也能高效率地提供电能，输出性能完全匹配客车（或船）的电驱动系统，客车（或船）的能源消耗将较低。

目前，所有的车载供电站，均由发动机和交流同步发电机组成发电机组，发动机驱动交流发电机，交流发电机输出三相（或六相）交流电，经过整流和滤波后对外输出直流电；在混合动力客车中，常常并联动力电池组一起对外输出，供电策略是保持输出电压恒定，即同步发电机在一个固定转速下运行，不区分车载供电站负载的大小，通过调节励磁和可控整流调节输出电压，保持电压恒定。客车（或船）设计时，只考虑在额定工况下的负荷功率匹配、发动机运转在经济油耗区。客车（或船）实际运行过程中，由于路况多变引起负荷变化，速度和功率需求经常变化，要求电驱动系统调整输出，导致供电站的负荷经常变化。如果在发电机的功率输出变化时，要求发电机的输出电压恒定、发动机在固定转速运行，从图2所示的发动机万有特性曲线可以看出，输出变化时发动机的燃油消耗指标相差很大，尤其是轻载和空载工况，发动机运转在耗能区，发电机的转化效率更低，这样的供电方法不利于客车（或船）节能降耗。动力电池组的输出电压与储能有关，储能多端电压较高，恒压输出也不能充分利用动力电池组的储能。如果充分利用动力电池组的储能，让输出电压随储能波动，调节发电机的功率励磁保持整流输出电压和动力电池组输出电压一致，在满足电功率输出的同时，使发动机运转在经济能耗区，有利于客车（或船）节能降耗。这种供电方式，需要调节发动机的工作转速和励磁，实际运行中额定转速以下的工作区段，发电机的励磁调节非常繁琐，发动机满负荷输出时发电机内部磁场常处在高饱和状态，发电机组的能量转换效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、控制方便、能有效节约燃料消耗的以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法，在车载电站输出较低电功率时，同样能够降低发动机的燃料消耗，从而克服了现有车载供电站在不同的负载下、发动机不是完全运行在经济燃油消耗区的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法，其步骤为：

（1）建立以永磁同步发电机组为主的车载供电站：发电机组由发动机驱动永磁同步发电机产生三相或六相交流电，经过全波整流滤波后输出直流电U_dcg；发电机组与车载动力电池组并联组成车载供电站；

（2）车载供电站采用三种供电模式：

（2.1）发电机组和车载动力电池组并联供电，发动机工作在高效能耗区；

（2.2）由发电机组单独供电，发动机工作在经济燃油消耗区；

（2.3）由车载动力电池组单独供电，发动机停机。

作为本发明方法的进一步改进：在所述供电模式下，当车载动力电池组的输出电压U_dcb大于电驱动系统U_dc2的时就可将车载动力电池组并入供电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明在具体应用后，发电机组的输出电压不恒定，能够覆盖范围U_dcmin～U_dcmax，以满足电驱动系统输入电压要求；

2、本发明在具体应用后，发电机组的输出电压范围和车载动力电池组的输出电压范围匹配。

3、本发明在具体应用后，客车（或船）的动力需求决定电驱动系统最小输入电压，动力电池的储能状况决定电驱动系统输入电压和发电机组的工作转速，在发动机的工作转速范围n_min～n_max内。

4、本发明在具体应用后，发电机组的输出电压与发电机的励磁解除耦合，幅值由客车（或船）的动力需求确定，通过调节发动机的转速实施。

5、本发明在具体应用后，发电机组的输出功率与发电机的励磁解除耦合，幅值由客车（或船）的动力需求和动力电池的储能状况决定，通过调节发动机的转速实施；

6、本发明在具体应用后，发动机经常运行在经济燃油消耗区。

附图说明

图1是现有技术中交流变频调速传动系统高效动力输出特性图谱。

图2是发动机万有特性曲线示意图。

图3是本发明方法的流程示意图。

图4是本发明在具体应用时永磁同步发电机的输出特性图谱。

图5是本发明在具体应用时发电机组各部件的输出特性示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

以图1所示的一台电动客车电驱动系统的高效动力输出特性图谱为例，从图中可以看出：在输入电压范围(U_dcmin～U_dcmax)内，存在不同的输入电压(U_dc)下电传动系统高效率输出的包络曲线簇，满足客车（或船）的动力需求。以这些曲线簇为边缘，电驱动系统的电能转换机械能的效率高。根据上述图1，与之匹配的发电机组的电输出特性图谱(如图4所示)，比较这两组图谱：发电机组的输出电压范围覆盖范围U_dcmin～U_dcmax、发电机组电功率输出能力完全满足电驱动系统。在发动机的工作转速范围(n_min～n_max)，发电机完全把发动机的机械能转化为电能,如附图5所示。由客车（或船）动力需求转化来电驱动系统的任一工作点（例如图1中点①），确定最小输入电压(U_dc2)，再和动力电池的端电压(U_dcb)比较确定供电模式，使发动机工作在经济燃油消耗区。

如图3所示，本发明的一种以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法，其步骤为：

（1）建立以永磁同步发电机组为主的车载供电站：发电机组由发动机驱动永磁同步发电机产生三相或六相交流电，经过全波整流滤波后输出直流电U_dcg，参见图5在发动机的工作区域(n_min～n_max)永磁同步发电机把机械能完全转换成电能。发电机组与车载动力电池组并联组成车载供电站。由上可知，发电机组的输出电压范围覆盖范围(U_dcmin～U_dcmax)，能够满足电驱动系统，车载动力电池组的工作电压与之匹配。

（2）按照负载动力需求和此刻动力电池组的储能状况，车载供电站采用三种供电模式：

（2.1）发电机组和车载动力电池组并联供电，发动机工作在高效能耗区；

（2.2）由发电机组单独供电，发动机工作在经济燃油消耗区；

（2.3）由车载动力电池组单独供电，发动机停机。

上述车载供电站的负载对象为客车（或船），其采用交流变频调速传动系统作为驱动系统，由车载供电站供电。这种方式下，采用非恒定电压输出方式满足电驱动系统的输入要求，同时发动机经常工作在经济燃油消耗区。

上述供电模式下，当车载动力电池组的输出电压U_dcb大于电驱动系统U_dc2的时，即可将车载动力电池组并入供电。

和常规的电励磁同步发电机比较，本发明中永磁同步发电机由永磁体励磁驱动，在不同的转速运行下可以得到不同的电压幅值和频率的交流电，整流滤波后输出电压幅值和发电机转速以及输出的电功率直接相关，和车载动力电池组的非恒定电压输出匹配。采用永磁同步发电机和发动机组成发电机组的车载供电站，解除了输出电压和励磁的耦合，在不同的负载情况下，通过调节发动机的转速，采用不同供电模式，在满足电驱动系统的电功率需求的前提下，维持发动机经常运转在经济燃油消耗区，可以降低客车（或船）的能量消耗指标。

由上可知，本发明的车载供电站由发动机和永磁同步发电机组成发电机组，经过不控全波整流后和车载动力电池组并联，采用非恒定电压供电，为客车（或船）的电驱动系统提供直流电。在车载供电站的工作电压范围(U_dcmin～U_dcmax)内，按客车（或船）的续驶里程设置发电机组和动力电池的功率输出比例；根据客车（或船）的动力需求和动力电池储能状况，采用不同的供电模式；电驱动系统制动回馈的能量由动力电池吸收。在本发明中，基于永磁同步发电机的特点，永磁体励磁在固定的转速下，随着输出电流增加，由于受到电枢反应的影响，气隙磁场发生变化，输出电压将降低，而输出功率开始增加，但达到一个最大值后下降。对于每一转速，发电机组都对应一条输出特性曲线(P₂-U_dc)，如图4所示。连接不同转速下最大输出功率点，得到一条车载发电机组的输出功率限制曲线。在图4中，输出功率限制曲线与直流电压范围U_dcmin～U_dcmax间围成发电机组的工作区域。同时，图4实际为实施本发明方法后提供的发电机组的电输出能力图谱，按发动机的转速（n）为参量的发电机组输出特性曲线簇，如图4中所示，方便客车（或船舶）的设计者全工况下对供电站输出能力的校核和部件选配。

本发明在一个具体应用实例中，以一种城市公交客车的车载供电站为例。本发明方法是由车载发动机和永磁同步发电机组成发电机组，全波整流滤波后并联车载动力电池组供应直流电。客车的制动回馈能量由动力电池组吸收。电压输出采用非恒定方式，区域为U_dcmin～U_dcmax。

参见图1，为这种城市公交客车的电驱动系统的高效率动力输出特性图谱，以输入端直流电压U_dc为参量，工作区域U_dcmin～U_dcmax。其中任一的工作点①的工况：最小输入电压U_dc2、客车（或船）的动力需求——功率P₂₂、运行速度V₁。

参见图2为这种城市公交客车的发动机的万有特性曲线，图中有数据标识的曲线为燃油消耗曲线，图中的虚线和数值为发动机轴输出的等功率曲线。从图中可以看到：相同的轴功率输出，发动机在低速时燃油消耗值较低。

参见图4，为这种城市公交客车应用本发明后的车载永磁同步发电机的电输出特性图谱，以发动机的转速（n）为参量，图中的直线“EF”表示输出电压恒定时，输出功率随转速上升而增加；图中的直线“PQ”表示输出功率恒定时，输出电压随转速上升而增加。

参见图5，为这种城市公交客车的车载永磁同步发电机组各部件的输出特性，从图中可以看出：在发动机的工作转速范围(n_min～n_max)内，永磁同步发电机可以将发动机的机械功率全部转换成电功率。

客车供电站供电策略按以下方式实施：

在客车的任一工作点，如工作点①，当供电站的输出电压满足≥U_dc2及输出功率≥P₂₂，建立了电压和功率平衡，客车就能可靠运行。在客车任一工作点①，如果动力电池组的端电压(U_dcb)≥U_dc2，按客车的续驶里程要求分配发电机组和动力电池组输出功率之比，按图4调节发电机组的运行转速，如按“EF”线，使发动机运行在较低转速的经济燃油消耗区，控制发电机组的输出电压和输出功率，即：

发电机组的输出电压(U_dcg)≥U_dcb；

发电机组的输出功率＋车载动力电池组输出功率≥P₂₂。

如果动力电池组的端电压(U_dcb)＜U_dc2，切除车载动力电池组，发电机组单独供电。按图4调节发电机组的运行转速，如按“PQ”线，控制发电机组的输出电压和输出功率，即：

发电机组的输出电压(U_dcg)＝U_dc2；

发电机组的输出功率≥P₂₂。

在极端的情况，客车空载或者＜10%额定负荷时，此时车载动力电池组的储能充足，它的端电压(U_dcb)≥80%标称电压，关闭发电机组，车载动力电池组单独供电。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法，其特征在于，

采用非恒定电压供电，为电驱动系统提供直流电；

步骤为：

（1）建立以永磁同步发电机组为主的车载供电站：发电机组由发动机驱动永磁同步发电机产生三相或六相交流电，经过全波整流滤波后输出直流电U_dcg；发电机组与车载动力电池组并联组成车载供电站；在车载供电站的工作电压范围内，按负载对象的续驶里程设置发电机组和动力电池的功率输出比例；根据负载对象的动力需求和动力电池储能状况，采用不同的供电模式；电驱动系统制动回馈的能量由动力电池吸收；

对于每一转速，发电机组都对应一条输出特性曲线P₂-U_dc，连接不同转速下最大输出功率点，得到一条车载发电机组的输出功率限制曲线；输出功率限制曲线与直流电压范围U_dcmin～U_dcmax间围成发电机组的工作区域；

（2）车载供电站采用三种供电模式：

（2.1）发电机组和车载动力电池组并联供电，发动机工作在高效能耗区；

（2.2）由发电机组单独供电，发动机工作在经济燃油消耗区；

（2.3）由车载动力电池组单独供电，发动机停机。

2.根据权利要求1所述的以永磁同步发电机组为主的车载供电站输出方法，其特征在于，在所述供电模式下，当车载动力电池组的输出电压U_dcb大于电驱动系统U_dc2的时就可将车载动力电池组并入供电。