CN104201755A

CN104201755A - 一种直流配电方式下的车载柴油发电系统及其能量管理方法

Info

Publication number: CN104201755A
Application number: CN201410486130.0A
Authority: CN
Inventors: 游江; 李美华; 孟繁荣; 巩冰; 张敬南
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: CN104201755B

Abstract

本发明公开了一种直流配电方式下的车载柴油发电系统及其能量管理方法。包括柴油发电机、柴油发电机控制器、交流配电设备、AC/DC整流器、DC/DC变化器、直流配电设备、主控制单元和蓄电池组。根据当前用的载荷情况，通过能量管理方法实施合理的载荷调控措施，在提高柴油发电机燃油利用效率的同时，在蓄电池组充电的高效区间将电能储存在蓄电池组中，并在蓄电池组放电的高效区间，关闭柴油发电机，利用蓄电池组为负载供电。在蓄电池组高效发电区间结束时，又转换到柴油发电机供电模式，继而配电控制系统又执行载荷调控措施。本发明能够提高车载柴油发电机系统的燃油利用效率，延长车载柴油发电系统的供电时间。

Description

一种直流配电方式下的车载柴油发电系统及其能量管理方法

技术领域

本发明属于供配电技术及其电能管理领域，尤其涉及能够提高燃油利用率的，一种直流配电方式下的车载柴油发电系统及其能量管理方法。

背景技术

对于传统的车载柴油发电机电源，当在不能随时供应柴油的野外工作时，由于受柴油机容量、柴油发电机特性等的限制，由于每升的燃油所能产生的功率在一定范围内与负载功率呈线性关系，负载功率越低油机所发出的有用的功率越少，且柴油机转速一定时在某个特定输出功率下单位时间的燃油消耗率最低，因此对柴油发电机的控制系统要求比较严格，控制不当将造成资源浪费，而影响供电时间。另外，如果柴油发电机出现故障，将中断对用电器的供电，造成信息丢失甚至更严重的工作损失。

为了改善车载柴油机发电系统的控制系统，延长其持续供电时间，提供不间断供电相关学者已经进行了深入研究。例如文献“车载电源智能管理系统研究”，南京航空航天大学，2009学文论文，对如何使车载设备的安全可靠运行进行了分析研究，提出用专用蓄电池组应急供电方案；文献“车载电源管理系统设计”，电工技术学报，2009，24(5)。设计了一种适用于分布式汽车电气控制系统的车载电源管理系统。根据车载电源管理的需要，以分布式控制的设计思想设计了智能继电器，实现了对电源通道的控制。针对电源通道过电流保护的要求，采用了选择性过载保护、瞬动保护和后备保险丝三种保护方法，达到了对多种过电流情况的保护功能。此外还有诸如基于混合动力方案实现整车能量管理优化，但它们与本专利所提出的具独立车载电站的采用直流配电的能量管理方法的设计思路均不相同，且都没有涉及到本专利所述的通过蓄电池组调载来调整柴油发电机运行工作点，从而提高燃油利用率达到延长整个供电系统的持续供电时间的策略。

发明内容

本发明的目的是提供具有高燃油利用效率的，一种直流配电方式下的车载柴油发电系统，本发明的目的还包括提供能够延长车载柴油发电系统供电时间的，一种直流配电方式下的车载柴油发电系统的能量管理方法。

一种直流配电方式下的车载柴油发电系统，包括柴油发电机、柴油发电机控制器、交流配电设备、AC/DC整流器、DC/DC变换器、直流配电设备、主控制单元和蓄电池组，

柴油发电机根据接收的柴油发电机控制器发出的启动指令，发出交流电U_ac1经交流配电设备后，传送至AC/DC整流器转换为直流电U_dc1，再经DC/DC变换器降压后变为低压直流电U_dc2，低压直流电U_dc2被送至直流配电设备，直流配电设备给车载直流负载和蓄电池配电，

主控制单元采集蓄电池组的端电压和充放电电流，接收交流配电设备采集到的交流电压和交流电流，接收直流配电设备采集到的直流电压和直流电流，控制柴油发电机控制器给柴油发电机发送启动或关闭指令，向交流配电设备和直流配电设备发送启动或关闭指令，将采集和接收到的信息传送给人机交互界面进行显示。

一种直流配电方式下的车载柴油发电系统的能量管理方法，包括以下几个步骤：

步骤一：上电初始化，将蓄电池组的工作状态设置为放电状态；

步骤二：检测蓄电池组的剩余容量SOC，

a：当蓄电池组的工作状态为放电状态，并且蓄电池组的剩余容量SOC与放电下限容量SOC_min的差值大于预置的下门限参数时，蓄电池组给车载直流负载供电，关闭柴油发电机和DC/DC变化器；

b：当蓄电池组的工作状态为放电状态，并且蓄电池组的剩余容量SOC与放电下限容量SOC_min的差值小于预置的下门限参数时，柴油发电机发电，通过DC/DC变化器给直流负载供电，并为蓄电池组充电，蓄电池组的工作状态变为充电状态；

c：当蓄电池组的工作状态为充电状态，并且蓄电池组的剩余容量SOC与充电上限容量SOC_max的差值大于预置的上门限参数时，柴油发电机发电，通过DC/DC变化器给直流负载供电，并为蓄电池组充电；

d：当蓄电池组的工作状态为充电状态，并且蓄电池组的剩余容量SOC与充电上限容量SOC_max的差值小于预置的上门限参数时，蓄电池组给车载直流负载供电，关闭柴油发电机和DC/DC变化器，蓄电池组的工作状态变为放电状态；

步骤三：重复步骤二，直到收到停机指令。

一种直流配电方式下的车载柴油发电系统的能量管理方法，还包括：

在柴油发电机发电，通过DC/DC变化器给直流负载供电，并为蓄电池组充电时，进行蓄电池组充电载荷的调节，包括以下步骤：

3.1柴油发电机发电后，设置DC/DC变换器的初始输出电压U_dc0；

3.2检测蓄电池组的充电电流I_chg、充电电压U_bat和剩余容量SOC，检测DC/DC变换器输出电压U_dc，

当U_dc<U_batmax且I_chg<I_chgmax，并且|SOC-SOC_max|>△₂时，主控制单元控制增加DC/DC变换器输出电压U_dc，

当I_chg>I_chgmax，主控制单元控制减少DC/DC变换器输出电压U_dc；

3.3重复前一步，当U_dc＝U_batmax且I_chg<I_chgmin，并且|SOC-SOC_max|<△₂时，关闭柴油发电机和DC/DC变换器。

将车载直流负载分为一般和重要两个优先等级，通过人机交互界面实现车载直流负载的投入或者切除。

本发明的有益效果：

(1)在柴油发电机运行时，通过车载能量管理系统控制蓄电池组充电功率调载改变柴油发电机的运行工作点达到提高车载柴油发电机系统的燃油利用效率的目的。

(2)当蓄电池组容量达到充电效率最(较)优区间的下限后，由能量管理系统关闭柴油发电机和DC/DC变换器，转而由蓄电池组放电单独向负载供电；并在蓄电池组容量达到放电效率最(较)优区间的下限后，由能量管理系统重新启动柴油发电机和DC/DC变换器，进入由柴油发电机发电供给负载并向蓄电池组提供充电电能的过程，在次利用蓄电池组充电调载，优化柴油发电机的运行工作点。

(3)根据使用情况对车载用电设备的供电优先级进行了划分，分为一般和重要两个优先等级，在供电系统电能储备告急的情况下，可将一般性负载切除，从而达到尽量延长对重要负载的供电时间的目的。

附图说明

图1为直流配电方式下车载供配电系统总体结构图。

图2为车载柴油发电系统的能量管理方法的流程图。

图3为交流配电设备配电线路示意图。

图4为直流配电设备配电线路示意图。

图5为蓄电池组内阻随SOC变化的关系示意图。

图6为柴油机的负荷特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种直流配电方式下的车载柴油发电系统包括由车载柴油发电机、柴油发电机控制器、AC/DC整流器、交流配电设备、DC/DC变换器、直流配电设备和蓄电池组构成的整个车载供配电系统的硬件基础上，设计了一套完整的用于车载供配电系统能量管理的硬件和软件系统，以下简称为车载能量管理系统；

车载能量管理包括一块安装在交流配电设备内的交流电量测量及控制电路板以下简称为交流测控板)、一块安装在直流配电设备内的直流电量测量及控制电路板(以下简称为直流测控板)和一块安装在主控制单元(箱)内的用于系统级控制的主控制电路板(以下简称为主测控板)，并在主控制单元(箱)面板上配置了触屏人机交互界面。

交流测控板、直流测控板、柴油发电机控制器、人机交互界面和主测控板均通过CAN总线互联，构成一个完整的测控网络。

在上述能量管理系统各测控板硬件资源设置的基础上，针对车载供配电系统的具体配置和功能需求开发了与之配套的管理和控制软件。通过软、硬件的配合，实现专利所述的提高车载柴油发电机系统的燃油利用效率，延长供配电系统持续供电时间的目的。

结合附图1，对一种直流配电方式下的车载柴油发电系统做详细说明。

(1)附图1中，虚线表示CAN总线通信连接线，实线表示硬件系统之间的电气硬件连接，包括模拟量采集、I/O控制信号和功率线路连接，双向箭头表示能量或信号(信息)是双向传递的。

(2)车载供配电系统的电功率传输路径是这样的：柴油发电机发出的交流电U_ac1经交流配电设备后U_ac2送至AC/DC整流器，转换为直流电U_dc1，再经DC/DC变换器降压后变为低压(24V)直流电U_dc2，U_dc2被送至直流配电设备按功率等及用途等原则进行直流配电，直流配电设备的出线端接车载直流负载。蓄电池组也挂接在直流配电设备的输出端。出于系统安全性考虑，DC/DC变换器可采用高频变压器隔离的降压型直流变换器。

(3)交流测控板通过与其配套的HALL电压传感器，如附图3中所示的VS1和VS2，电流传感器，如附图3中所示的CSA、CSB和CSC，检测柴油发电机发出交流电的频率、电压幅值、电流幅值、判断是否有交流过压/欠压或交流过流故障，并计算交流进线的功率。通过CAN总线一方面接收主测控板发出的控制命令，控制交流配电设备中交流配电开关的通断，如附图3中所示的K1开关驱动电路，其原理如附图3中右侧虚线框所示。图中，Q1为NPN型三极管，JM1为直流15V信号继电器J1的控制线圈，D1为与JM1并联的续流二极管，KM1为交流配电开关K1的控制线圈，当交流测控板相应I/O通道输出信号S1为高电平时，Q1导通，JM1流过驱动电流而使得J1闭合，从而使KM1在Ua和Ub作用下流过驱动电流而使得K1闭合(导通)。若S1为低电平，则可控制K1断开，其原理与上述过程相似。另一方面，在接收到主测控板定时器发出的数据查询命令后，将采样到的交流电压和电流模拟量数据及相关状态通过CAN总线发送给主测控板。

(4)直流测控板通过与其配套的HALL电压传感器，如附图4中的VS1，和电流传感器，如附图4中的CS1、CS211～CS21N、CS221～CS22N、CS2N1～CS2NN，检测DC/DC变换器的输出电压、流过直流配电设备中各配电开关的直流电流，判断是否有直流过压或直流过流故障，并计算各直流配电支路的直流负载的功率；通过CAN总线一方面接收主测控板发出的控制命令，控制直流配电设备中直流配电开关的通断，如附图4中所示的K1开关驱动电路，如图4中的K1、K21～K2N、K211～K21N、K221～K22N、K2N1～K2NN，其原理如附图4中右下虚线框所示。图中，Q1为NPN型三极管，JM1为直流15V信号继电器J1的控制线圈，D1为与JM1并联的续流二极管，KM1为交流配电开关K1的控制线圈，当交流测控板相应I/O通道输出信号S1为高电平时，Q1导通，JM1流过启动电流而使得J1闭合，从而使KM1在24V+和24V-作用下流过驱动电流而使得K1闭合(导通)。若S1为低电平，则可控制K1断开，其原理与上述过程相似；另一方面，在接收到主测控板定时器发出的数据查询命令后，将采样到的直流电流模拟量数据及相关状态发送给主测控板；

(5)主测控板通过HALL电压和电流传感器检测蓄电池组的端电压和充(放)电电流，在线估算蓄电池组的剩余容量，将此作为执行供配电系统电能管理的重要依据；主测控板通过CAN总线与交流配电设备中的交流测控板、直流配电设备中的直流测控板以及柴油发电机控制器互联，除用于向交流测控板、直流测控板以及柴油发电机控制器发送控制命令外，还将它们检测到的车载供配电系统的运行数据和状态信息发送到人机交互界面用于显示。

(6)在车载能量管理系统中，主控制单元的主测控板通过CAN总线与柴油发电机控制器通信，发送的控制命令用于控制柴油发电机启动或者停止。

(7)在车载能量管理系统中，主控制单元的主测控板通过CAN总线与交流配电设备中的交流测控板、直流配电设备中的直流测控板通信，发送的控制命令用于控制交流配电设备和直流配电设备中配电开关的通断。

下面对一种基于直流配电方式下的车载柴油发电系统的能量管理方法做详细说明，如图2所示。

(1)首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软、硬件初始化工作，重要的是置程序中与能量管理密切相关的关键控制变量BATCHG＝FALSE，该变量用于指示蓄电池组的工装状态，BATCHG＝FALSE表示蓄电池组处于放电状态，BATCHG＝TRUE表示蓄电池组处于充电状态，系统上电初始，默认蓄电池组为放电状态。

(2)完成初始化操作之后，可分别利用如附图4中所示的电流传感器CS2和电压传感器VS1检测流经蓄电池组的充(放)电电流及电池端电压，通过系统中设置的软件算法在线估计(检测)电池组的剩余容量SOC。

(3)如果检测出的蓄电池组SOC与系统中预设的SOC_min之间的差值SOC-SOC_min>△₁(>0)，且在BATCHG＝FALSE的情况下，则表示蓄电池组还具备一定的容量，可以独立供给负载，此时柴油发电机和DC/DC变换器均应处于关闭状态。否则，如果|SOC-SOC_min|≤△₁且BATCHG＝FALSE，则置BATCHG＝TRUE，表示蓄电池组需要充电，系统进入由柴油发电机发电通过DC/DC变换器供给负载，并为蓄电池组充电的运行模式，此后只要控制系统中的充放电软件标志BATCHG＝TRUE，且不满足|SOC-SOC_max|≤△₂，则蓄电池组一直处于充电状态，直至|SOC-SOC_max|≤△₂为止。

(4)在满足|SOC-SOC_max|≤△₂条件，且充放电软件标志BATCHG＝TRUE的情况下，可置蓄电池组充放电软件标志BATCHG＝FALSE，这意味着蓄电池组充电过程的结束，此时应关闭柴油发电机和DC/DC变换器，系统恢复到蓄电池组独立供电的模式，特别是在轻载运行情况下，如此操作可以简介提高燃油的利用效率，达到节能的目的。

(5)在(2)～(4)的过程中，在处理完对蓄电池组的充放电控制后，能量管理系统可正常响应通过人机交互界面的负载投切控制指令、对系统相关模拟量进行采样、进行各硬件模块间的通信和信息显示等。特别是，在系统运行一定时间之后，燃油处于耗尽状态时，能量管理系统可根据系统控制软件中预置的负载优先级管理模式，通过控制将如图4所示相应标号为K2XX(X为可变序号)的配电开关断开，从而将不重要的一般性负载切除，达到延长对重要负载持续供电的目的。

(6)在没有得到停机指令的情况下，系统重复执行(2)～(5)步骤，否则退出运行状态。

以下对能量管理系统的实施要点和策略进行说明。

1、蓄电池组剩余容量门限的确定

工作模式的切换及整个供配电系统的能量管理策略是基于蓄电池组剩余容量SOC的。涉及到放电下限容量SOC_min(可在该点进入充电过程)和充电上限SOC_max(可在该点进入发电过程)，SOC_min和SOC_max的选择与充放电效率密切相关，应根据蓄电池组生产厂家提供的蓄电池组充放电特性来确定，一般而言，应保证在SOC_min<SOC<SOC_max的区间内，充放电效率不低于85％，即所谓的充放电高效区间，其本质是在此区间蓄电池组的内阻R_s较小，充放电时蓄电池组发热损耗低，如附图5所示。对于一般的蓄电池组SOC_min在0.35左右，SOC_max在0.85左右。

2、系统上电初始化及自检

上电初始，能量管理系统主测控板，交流测控板和直流测控板均各自进行自身软硬件的初始化设置，在此基础上，由主测控板按照通信协议，通过CAN总线向交流测控板和直流测控板发送规定的通信测试指令，检测各板通信连接是否正常，若不正常则主测控板通过人机交互界面报警。其中对于主测控板的控制程序，一个重要的逻辑控制变量是BATCHG，此变量用于指示蓄电池组的充放电状态，系统上电初始还未进入正常的工作模式，置BATCHG＝FALSE，即此时蓄电池组未充电。

3、蓄电池组的剩余容量SOC检测

由于在本专利中，整个供配电系统的工作模式的切换及能量管理策略均是基于对蓄电池组剩余容量SOC的判断的。因此，较准确的检测蓄电池组的剩余容量SOC是很重要的，常用的检测SOC的方法有安时积分法、Kalman滤波器法、模型估计法及人工神经网(ANN)法等。这些方法已有大量的文献进行论述，在此不再赘述。在本专利中，蓄电池组的剩余容量检测采用Kalman滤波器法，该算法由主测控板完成。

4、运行模式分类与判断

在本专利中，整个供配电系统的运行模式分为两种，一种是蓄电池组独立供电模式，另一种是柴油发电机组发电通过DC/DC变换器供给负载并为蓄电池组充电的供电模式。两种供电模式的切换是基于蓄电池组SOC的。

(1)若SOC-SOC_min>△₁，并且在BATCHG＝FALSE情况下，是由蓄电池组独立供电的。△₁(大于0)为预置的门限参数，表示在蓄电池组使用过程中，其当前的SOC接近于放电下限容量SOC_min的程度，实际应用时该参数可设置在额定容量的5％左右。

(2)若|SOC-SOC_min|≤△₁，即当前的蓄电池组剩余容量与SOC_min非常接近，甚至可能已经低于SOC_min，此时应停止蓄电池组独立供电模式，转而进入由柴油发电机组发电，并通过DC/DC变换器供给负载并为蓄电池组充电的供电模式。此时置BATCHG＝TRUE，即蓄电池组进入充电模式。

(3)在蓄电池组进入充电模式以后，若检测到|SOC-SOC_max|≥△₂，即当前的蓄电池组剩余容量与充电上限SOC_max非常接近，甚至可能已经大于SOC_max，此时可关闭柴油发电机和DC/DC变换器，重新转入蓄电池组独立供电模式，置BATCHG＝FALSE。△₂(大于0)为预置的门限参数，表示在蓄电池组充电过程中，其当前的SOC接近于充电上限容量SOC_max的程度。实际应用时该参数可设置在额定容量的5％左右。

5、基于蓄电池组充电的柴油发电机组调载策略

对照附图6。研究柴油发电组的负荷特性表明，在一定的转速下，燃油做功比b(如附图6的曲线①所示)在某个特定功率下可取得最小值(如附图6的曲线①的A点)，即在此点，消耗一定的燃油可获得最多的能量输出，具有最大的运行效率。在偏离A点的E和C点，柴油机运行效率都降低，功率越小或越大，效率都显著的降低(b值增大)。

单位时间燃油消耗量B(燃油消耗率)与功率的关系如附图6中的曲线②所示，在最大效率点A左侧及附近，该曲线近似线性，可用直线方程

B＝K×P+L (1)

来表示，式中的K为斜率，P为功率，L为特定柴油机的空载损耗，如附图6中的曲线③所示。

基于上述分析，在由柴油发电机组发电并通过DC/DC变换器供给负载，并为蓄电池组充电的供电模式下，通过在一定的范围内调整DC/DC变换器输出端电压的大小，从而使蓄电池组充电电流和充电功率大小发生变化，增加电压即可增加充电电流和充电功率。如此，在柴油发电机轻载时，可通过增加蓄电池组的充电功率将柴油发电机的工作点拉向最佳效率点A。

对于直流输入的电子负载而言，其直流输入电压在一定范围内的低频变化是完全允许的，并且上述对DC/DC变换器输出端电压的调整范围是非常有限的，例如，对于常见的车载24V直流配电系统，蓄电池组在充放电过程中的端电压变化范围一般控制在22V-27.5V之间，在此范围可以满足调载的需要。具体的充电调载过程如下。

(1)主测控板通过CAN总线向柴油发电机控制器发送启动柴油发电机指令，确认柴油发电机启动并输出正常后，主测控板通过CAN总线设置DC/DC变换器的初始输出电压U_dc0，此电压比当前的电池电压U_bat略高(例如略高0.5V)，但该值应≤U_batmax(允许的最高电池充电电压)，以防止瞬间充电过电流，损坏电池或DC/DC变换器。设置完成之后，主测控板通过CAN总线向DC/DC变换器发送允许输出的指令。

(2)此后，在充电过程中不断地检测电池充电电流I_chg、电池电压U_bat和蓄电池组SOC，若满足U_dc<U_batmax且I_chg<I_chgmax(允许的最大充电电流，一般限制在0.3C)且|SOC-SOC_max|>△₂，则由主测控板控制通过CAN总线向DC/DC变换器发送输出电压增加指令，使DC/DC变换器的输出电压U_dc升高，从而增加充电功率。电压可每次递增0.1V，根据实际情况电压增加的时间间隔可调整，例如300ms。

(3)若DC/DC变换器输出电压U_dc达到U_batmax，由于蓄电池组充电将满，使得I_chg<I_chgmin(允许的最小充电电流)且|SOC-SOC_max|<△₂时(此时充电功率已经减小)，则关闭柴油发电机和DC/DC变换器，进入电池独立供电过程。

(4)若在充电过程中电池电流I_chg>I_chgmax，则由主测控板通过CAN总线控制DC/DC变换器的输出电压U_dc递减。

6、负载投切管理

负载投切管理包括两个方面。

(1)通过人机交互界面进行负载投切可以发生在蓄电池组独立供电模式或者柴油发电机供电模式的任意时刻。操作者通过人机交互界面的触屏按钮可以控制交流配电设备和直流配电设备中任意配电开关(继电器或者接触器)的通断，从而达到将负载投入或将其从供配电系统切除的目的。

(2)在专利所述的配电系统中，可以根据实际的使用情况对车载用电设备的优先级进行了划分，分为一般和重要两个优先等级，重要优先等级的负载一般为在供电系统中蓄电池组电能储备告急或柴油发电机故障的情况下还需要工作的负载，一般优先等级的负载一般为在供电系统中蓄电池组电能储备告急或柴油发电机故障的情况下可以切除并且不影响车运行的负载，根据车载设备的具体配置及任务情况，可将空调、辅助视频系统等定义为一般性负载，而将车载通信雷达与定位定向设备等定义为重要负载，在供电系统中蓄电池组电能储备告急或柴油发电机故障的情况下，可将一般性负载切除，从而达到尽量延长对重要负载的供电时间的目的。

Claims

1.一种直流配电方式下的车载柴油发电系统，其特征在于：包括柴油发电机、柴油发电机控制器、交流配电设备、AC/DC整流器、DC/DC变换器、直流配电设备、主控制单元和蓄电池组，

柴油发电机根据接收的柴油发电机控制器发出的启动指令，发出交流电(U_ac1)经交流配电设备后，传送至AC/DC整流器转换为直流电(U_dc1)，再经DC/DC变换器降压后变为低压直流电(U_dc2)，低压直流电(U_dc2)被送至直流配电设备，直流配电设备给车载直流负载和蓄电池配电，

2.一种基于权利要求1所述的直流配电方式下的车载柴油发电系统的能量管理方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤二：检测蓄电池组的剩余容量SOC，

步骤三：重复步骤二，直到收到停机指令。

3.根据权利要求2所述的一种直流配电方式下的车载柴油发电系统的能量管理方法，其特征在于：所述的在柴油发电机发电，通过DC/DC变化器给直流负载供电，并为蓄电池组充电时，进行蓄电池组充电载荷的调节，包括以下步骤：

3.1柴油发电机发电后，设置DC/DC变换器的初始输出电压U_dc0；

4.根据权利要求2或3所述的一种直流配电方式下的车载柴油发电系统的能量管理方法，其特征在于：将车载直流负载分为一般和重要两个优先等级，通过人机交互界面实现车载直流负载的投入或者切除。