CN103997118B - 单兵携带的混合能源供电模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种单兵携带的混合能源供电模块，包括太阳能板、直流充电模块和逆变器；还包括油机发电系统和直流总线；太阳能板的输出端连接直流充电模块的输入端；直流充电模块的输出端连接到直流总线；油机发电系统的输出端与直流充电模块的输入端连接；直流总线连接到逆变器的输入端，直流总线还设有直流输出端；逆变器的输出端设有交流输出端。本发明的单兵携带的混合能源供电模块具有多种能源供电，并能实现适应各种环境及用电设备需要，增强适应能力，提高机动性；并具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高的优点，满足军方对高效、节能、高可靠性、且便于移动作战的要求。
Description
技术领域
本发明涉及供电电源，具体涉及军用单兵携带的供电模块。
背景技术
目前世界各国军队都十分重视野营供电及野战电源的保障。以美军为例，近年来，美军开始装备新一代的网格化N+1冗余式太阳能供电系统。其太阳能供电模块可单独工作，也可并联后并网接入电网构成供电系统。太阳能供电模块含6块260W太阳能电池板，可处理2500加仑/日的净化水处理装置，蓄电池组、电池充电模块、电源模块、逆变器以及通信模块等部件。在中东、阿富汗等日照充分的地区，太阳能板平均每天有8小时的有效发电时间，即每天可发电约12.5KW。在白天太阳能板除为提供正常野营提供用电外，还为蓄电池组充电；在夜间太阳能板停止发电，蓄电池组放电工作，提供野营用电。当一台太阳能供电模块供电量不足以满足用电需要时，可多台并联工作以满足班、排级野营部队的用电需求。
当多台太阳能供电模块并联后，可形成网格化的N+1冗余式太阳能供电系统。其中多个模块并联后可并接入变电站工作，而变电站也可并接入主电网工作构成更大的供电系统。由于发电模块含有通信功能，故变电站在统一管理各发电模块工作时，还可实时监控各发电模块的工作状态，并和移动式维护集装箱进行通信，确保系统工作的稳定可靠运行。因此系统可保障连、营级及以上部队集团作战的野营用电需求。
鉴于美军的太阳能供电系统方案一般应用于中东、阿富汗等日照较强的地区，而我国地形复杂、多变，很多地区日照不佳，并不适合我军配备和使用。
发明内容
针对上述现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提出一种满足地形复杂多变、日照不佳的地区，也能适合装备使用的电源模块。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为，单兵携带的混合能源供电模块，包括太阳能板、直流充电模块和逆变器；还包括油机发电系统和直流总线；太阳能板的输出端连接直流充电模块的输入端；直流充电模块的输出端连接到直流总线；油机发电系统的输出端与直流充电模块的输入端连接；直流总线连接到逆变器的输入端，直流总线还设有直流输出端；逆变器的输出端设有交流输出端。这样的结构使供电模块还具备油机发电能力，混合动力，满足日照不足时的使用需要。
进一步的技术方案为，还包括蓄电池；蓄电池与直流总线连接。
进一步的技术方案为，所述油机发电系统包括变频油机和永磁发电机；变频油机与永磁发电机连接，永磁发电机的输出端连接到直流充电模块的输入端。
优选地，所述永磁发电机为中频永磁发电机。
优选地，所述变频油机为汽油变频油机或柴油变频油机。
再进一步的技术方案为，所述永磁发电机还与逆变器的输入端连接。
再进一步的技术方案为，还包括系统监控模块和控制面板；系统监控模块用于接收太阳能板、油机发电系统以及蓄电池的工作状态；控制面板用于接收输入信号并控制太阳能板、油机发电系统或蓄电池的通断。
更进一步的技术方案为，所述系统监控模块具体用于：判断太阳能板是否接入，当太阳能板为接入时，进行太阳强度判定，判断定时器是否开启，若是，关闭太阳能板输出，结束判定；否则，判断太阳能板输入值是否小于设定值，若是，开启定时器，结束判定，否则开启太阳能板输出，结束判定；当太阳能板为没有接入时，判断蓄电池电压是否高于油机发电系统的启动电压；若否，发送油机发电系统开机指令；若是则判断蓄电池电压、充电电流是否达到油机发电系统截止值，若是，发送油机发电系统停机指令并退出，否则退出。
进一步的技术方案为，所述系统监控模块还用于接收环境温度、环境湿度、烟雾、电池温度、传感器输入和监控信号输入，并与监控端通信，发送故障反馈信号。
本发明的单兵携带的混合能源供电模块具有多种能源供电，并能实现适应各种环境及用电设备需要，增强适应能力，提高机动性；并具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高的优点，满足军方对高效、节能、高可靠性、且便于移动作战的要求。
附图说明
图1是本发明单兵携带的混合能源供电模块的结构示意图。
图2是本发明单兵携带的混合能源供电模块的第二种使用状态等效示意图。
图3是本发明单兵携带的混合能源供电模块的第三种使用状态等效示意图。
图4是本发明单兵携带的混合能源供电模块的第四种使用状态等效示意图。
图5是本发明单兵携带的混合能源供电模块的第五种使用状态等效示意图。
图6是本发明单兵携带的混合能源供电模块的组合使用状态示意图。
图7是本发明单兵携带的混合能源供电模块的系统监控模块控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的单兵携带的混合能源供电模块，包括太阳能板1、直流充电模块2、逆变器3、油机发电系统4、直流总线5和蓄电池6。太阳能板1的输出端连接直流充电模块2的输入端；油机发电系统4的输出端与直流充电模块2的输入端连接，具体地，所述油机发电系统4包括变频油机41和永磁发电机；变频油机41与永磁发电机连接，永磁发电机的输出端连接到直流充电模块2的输入端。所述永磁发电机为中频永磁发电机42，所述变频油机41为汽油变频油机或柴油变频油机。直流充电模块2的输出端连接到直流总线5，直流总线5连接到逆变器3的输入端，蓄电池6与直流总线5连接，直流总线5还设有直流输出端51，输出48V/20A的电能。逆变器3的输出端设有交流输出端31，输出220V或380V交流电。所述永磁发电机还与逆变器3的输入端连接。本实施例中，太阳能板1采用2X50W太阳能板1，变频油机41采用1kW规格。
本发明还包括系统监控模块7和控制面板8；系统监控模块7用于接收太阳能板1、油机发电系统4以及蓄电池6的工作状态，控制太阳能板1、蓄电池6的通断同时控制油机发电系统4启动或停止；控制面板8用于接收输入信号，显示当前工作状态同时提供告警指示。
具体地，如图7所示，所述系统监控模块7具体用于：判断太阳能板1是否接入，当太阳能板1为接入时，进行太阳强度判定，判断定时器是否开启，若是，关闭太阳能板1输出，结束判定；否则，判断太阳能板1输入值是否小于设定值，若是，开启定时器，结束判定，否则开启太阳能板1输出，结束判定；当太阳能板1为没有接入时，判断蓄电池6电压是否高于油机发电系统4的启动电压；若否，发送油机发电系统4开机指令；若是则判断蓄电池6电压、充电电流是否达到油机发电系统4截止值，若是，发送油机发电系统4停机指令并退出，否则退出。
所述系统监控模块7还用于接收环境温度、环境湿度、烟雾、电池温度、传感器输入和监控信号输入，并与监控端通信，发送故障反馈信号。
工作原理：一)使油机间歇、满载工作：
1、油机满载工作下，燃油充分燃烧、其系统效率最高、燃油消耗率最小，单位功率输出下，排放最小。常用的1KW电机满载燃油消耗为42g/KW小时，但轻载10％负载下，其耗油量上升为满载的3.8倍达约160g/KW小时。因此为保证油机工作状态始终处于满载输出状态，始终处于最高效率状态，燃油消耗最少，且系统排放最少、绿色环保，选用蓄电池6作为储能工具，油机工作在间隙和满载状态。
2、发动机长期的轻载运行，可导致喷油嘴、火花塞的积碳并引起发动机寿命的缩短。而间歇式的满载运行，除了可以使得发动机充分燃烧，避免积碳现象外，还可有效降低发动机温度，保障油机长时间可靠运行。提高油机运行的平均无故障时间，降低后勤保障的压力。
二)使用中频永磁发电机42：
1、永磁发电机相比现有传统交流励磁电机，取消了励磁绕组，利用永磁体励磁发电，不需额外消耗励磁功率，因此效率相比传统交流励磁电机提高了5～10％。
2、中频发电机工作在400Hz左右的中频交流电，相对于传统的工频50Hz发电机，中频发电机工作在较高的频率，其切割磁力线的磁通变化率较高，因此发电机的体积、重量都大大降低。中频发电机的重量可降低传统工频电机的1/4，适合军方体积小、重量轻的要求
3、永磁发电机采用双面环形绕组设计的盘式结构、轴向磁场和无刷、无槽框架的结构。因而电机零部件少，产品安装简单、维护方便。并通过对定子和转子的优化设计，使电机的平均无故障时间大大提高。
三)使用逆变器3输出交流电压的优点：
1、逆变器3输出的电能质量最高，相比励磁发电的输出交流电压，其电压稳态精度、电压瞬态响应时间等关键指标都大大提高。
2、逆变器3可实行多台并联工作，可简单、方便的实现更大功率输出。
四)使用蓄电池6组的优点：
1、如前所述，使发动机始终工作在满载状态，降低油耗。
2、本系统选用高效的动力电池(>160Wh/kg)，5Kg电池可提供800Wh以上电量。
3、使太阳能供电系统可以存储能量，为系统提供应急能源。
4、在野战的紧急状态下，可在一定时间内关闭发动机，由蓄电池6供电，以保持部队的红外辐射静默和噪音静默，提高我军电子对抗的能力。
工作状态：
1.太阳能强度高的时候，系统由太阳能板1提供电能，给蓄电池6充电，并提供给负载、逆变器3供电。等效电路图如图2；
2.太阳能强度低的时候，无法提供满足负载、逆变器3需要的电能时，由太阳能提供部分电能，不足部分由蓄电池6补充，等效电路图如图2；
3.当太阳能强度低到无电的时候，而且当蓄电池6电量比较低无法供电时，启动油机发电，由油机发电供电，满足负载、逆变器3需要，同时给蓄电池6充电，等效电路图如图3；
4.当太阳能强度低到无电的时候，但蓄电池6电量比较充足时，由蓄电池6供电，等效电路图如图3；
5.特殊情况下，比如野战的紧急状态下，为保持部队的红外辐射静默和噪音静默，提高我军电子对抗的能力，可主动关闭油机发电，进入蓄电池6供电状态，等效电路图如图4；
6.当太阳能太阳能强度低的时候，无法提供满足负载、逆变器3需要的电能时，但蓄电池6电量比较低无法供电时，启动油机发电，由太阳能提供部分电能，不足部分由油机发电供电来补充，满足负载、逆变器3需要，同时给蓄电池6充电，等效电路图如图1；
7.当存在紧急状态，为减轻系统体积、重量而取消太阳能板1及蓄电池6组时(此时系统重量降低为约15Kg)，系统控制油机切换到变频状态。即负载满载时，油机工作在最高转速以输出满载功率；当负载较轻时，油机变频降速工作以降低油耗；当系统空载时，发动机怠速工作时系统油耗降为最低。等效电路图如图5。
8.任意多台混合能源模块的直流及交流输出端31可以并联以输出更大功率。等效电路图如图6。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.单兵携带的混合能源供电模块，包括太阳能板、直流充电模块和逆变器；其特征在于：还包括油机发电系统和直流总线；太阳能板的输出端连接直流充电模块的输入端；直流充电模块的输出端连接到直流总线；油机发电系统的输出端与直流充电模块的输入端连接；直流总线连接到逆变器的输入端，直流总线还设有直流输出端；逆变器的输出端设有交流输出端，还包括蓄电池；蓄电池与直流总线连接，还包括系统监控模块和控制面板；系统监控模块用于接收太阳能板、油机发电系统以及蓄电池的工作状态；控制面板用于接收输入信号并控制太阳能板、油机发电系统或蓄电池的通断，所述系统监控模块具体用于：判断太阳能板是否接入，当太阳能板为接入时，进行太阳强度判定，判断定时器是否开启，若是，关闭太阳能板输出，结束判定；否则，判断太阳能板输入值是否小于设定值，若是，开启定时器，结束判定，否则开启太阳能板输出，结束判定；当太阳能板为没有接入时，判断蓄电池电压是否高于油机发电系统的启动电压；若否，发送油机发电系统开机指令；若是则判断蓄电池电压、充电电流是否达到油机发电系统截止值，若是，发送油机发电系统停机指令并退出，否则退出。
2.根据权利要求1所述的单兵携带的混合能源供电模块，其特征在于：所述油机发电系统包括变频油机和永磁发电机；变频油机与永磁发电机连接，永磁发电机的输出端连接到直流充电模块的输入端。
3.根据权利要求2所述的单兵携带的混合能源供电模块，其特征在于：所述永磁发电机为中频永磁发电机。
4.根据权利要求2所述的单兵携带的混合能源供电模块，其特征在于：所述变频油机为汽油变频油机或柴油变频油机。
5.根据权利要求2所述的单兵携带的混合能源供电模块，其特征在于：所述永磁发电机还与逆变器的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的单兵携带的混合能源供电模块，其特征在于：所述系统监控模块还用于接收环境温度、环境湿度、烟雾、电池温度、传感器输入和监控信号输入，并与监控端通信，发送故障反馈信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160120 |