CN106043174A - 内燃机车辆电气系统及其供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机车辆电气系统及其供电方法，本发明内燃机车辆电气系统采用组合式超级电池提供电能，包括功率单元和能量单元，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，能量单元输出端供电连接车载耗电装置，功率单元输出端供电连接启动电机，当功率型用电单元需要供电时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接，只采用功率单元为启动电机供电，在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前，功率单元在隔离充电单元的控制下充电。本发明通过仅采用组合式超级电池中的功率单元为启动电机供电，解决了目前采用蓄电池为功率型用电单元供电导致蓄电池“超量配置”，对蓄电池电流冲击大，造成蓄电池寿命降低的问题。

Description

内燃机车辆电气系统及其供电方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机车辆电气系统及其供电方法，属于电路系统应用技术领域。
背景技术
各种内燃机车辆已经成为人们日常的交通、运输及生产工具，如载人的轿车和客车、运输货物的卡车及各种专用车辆、生产用农用机械、工程机械以及舰船、飞机、发电机等。供电系统是以内燃机为动力的运载工具或发电设备等必不可少的一部分，传统供电系统如图1所示，主要由车载发电机、电压调节器、蓄电池等构成，用电设备根据功率特性主要分为需要瞬态大功率的启动电机和持续小功率的其它耗电装置。
蓄电池是供电系统必不可少的电源之一，在内燃发动机启动时向启动电机供电；发动机不工作或发动机在不高的转速下工作时，蓄电池向耗电装置供电；在耗电装置功率超过发电装置功率时，蓄电池同发电机联合向耗电装置供电，如图1所示。目前，内燃机车辆电气系统，绝大部分采用电瓶(一组或数组铅酸蓄电池)，其既要负责提供其它耗电装置(如仪表显示、程序自检、信号灯的闪亮、音响短时工作等小功率器件)的能量，又要负责提供发动机启动瞬间大功率的能量，在应用实践中，这种方案暴露出很大的问题。启动系统和其它耗电装置不同用电特性对蓄电池性能要求差异很大：启动系统要求蓄电池放电倍率性能优异，而其它耗电装置则要求蓄电池具备一定容量即可、倍率性能要求不高，这种情况导致蓄电池为满足发动机冷启动所需的瞬态大功率，不得不“超量配置”，使电池又大又笨重，造成资源浪费，而且也不经济。
为此，有人提出在蓄电池两端并联超级电容的方式来共同为启动电机供电，虽然这种方案在一定程度上延长了蓄电池的使用寿命，但是蓄电池还是要承担功率型用电单元的启动任务，并没有从根本上解决蓄电池为功率型用电单元供电导致对蓄电池电流冲击大，造成蓄电池寿命降低等问题；而且由于蓄电池与功率型用电单元电压“箝位”问题，这种改进对内燃机启动问题的改善也很有限。
发明内容
本发明的目的是一种内燃机车辆电气系统及其供电方法，以解决目前采用能量单元来为内燃机启动电机供电所导致对能量单元功率要求较高，内燃机启动效果差，能量单元“超量配置”以及易受到大电流冲击影响寿命等问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种内燃机车辆电气系统，包括启动电机、车载发电机和车载耗电装置，该电气系统还包括组合式超级电池，组合式超级电池包括能量单元和功率单元，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，能量单元输出端供电连接车载耗电装置，功率单元输出端供电连接启动电机，所述隔离充电单元用于在功率单元电量不足时或启动电机工作前为其充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。
所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
所述的AC-DC-AC-DC开关电路包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，所述输入整流滤波电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元。
所述的AC-DC开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，该开关电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
所述的DC-AC-DC开关电路包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路， 高频变压器的一侧用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
所述的DC-DC开关电路包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，电压变换电路输入端用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
所述的功率单元为超级电容器单体、通过超级电容器单体串并联组成的模块或者电容器阵列。
本发明还提供了一种内燃机车辆电气系统的供电方法，该方法将内燃机车辆的用电设备根据功率特性进行区分，分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元由功率单元供电，非功率型用电单元由能量单元供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元隔离，当功率型用电单元需要供电时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接，只采用功率单元为功率型用电单元供电，在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前，功率单元在隔离充电单元的控制下由能量单元或者外接电源充电，所述的能量单元为储能器件，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。
所述的隔离充电单元具有防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电。
所述隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
本发明的有益效果是:本发明内燃机车辆电气系统采用组合式超级电池提供电能，组合式超级电池包括功率单元和能量单元，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，能量单元输出端供电连接车载耗电装置，功率单元输出端供电连接启动电机，当启动电机需要供电时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接，只采用功率单元为功率型用电单元供电，在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前，功率单元在隔离充电单元的控制下充 电。本发明通过仅采用组合式超级电池中的功率单元为启动电机供电，解决了目前采用蓄电池为功率型用电单元供电导致蓄电池“超量配置”，对蓄电池电流冲击大，造成蓄电池寿命降低、其它用电单元供电不稳等问题，防止因蓄电池过度放电导致启动电机不能启动，影响内燃机正常工作，同时利用功率单元承担瞬态大功率作业任务，能够提高启动电机的工作性能。
本发明内燃机车辆电气系统所采用的组合式超级电池中的能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，只负责小功率负载的持续供能，不受大电流冲击损坏，寿命更长，避免能量单元被“过早”判废，造成浪费，且在选型配置上可以“瘦身”，实现小型化、轻量化和车辆总体布置的便捷化；仅依靠功率单元进行启动，使内燃机的启动性更好，尤其是在低温启动性。
附图说明
图1是传统内燃机车辆电气系统结构框图；
图2-a是本发明内燃机车辆电气系统系统结构框图；
图2-b是本发明内燃机车辆电气系统结构框图；
图3-a是本发明实施例中采用AC-DC-AC-DC开关电路的结构示意图；
图3-b是本发明实施例中采用AC-DC开关电路的结构示意图；
图4-a是本发明实施例中采用DC-AC-DC开关电路的结构示意图；
图4-b是本发明实施例中采用DC-DC开关电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明的一种内燃机车辆电气系统的实施例。
内燃机车辆已经成为人们日常的交通、运输及生产工具，如载人的轿车和客车、运输货物的卡车及各种专用车辆。内燃机车辆在启动过程中，一般需要启动电机的带动，启动电机作为功率型用电单元，在启动时需要瞬态大功率，本发明采用功率单元为其供电。在同一电气系统中，功率型用电单元与非功率型用电单 元是相对的概念，功率型用电单元具备持续用电时间短(小于10秒)、大功率(额定电流一般在几十安培以上)的用电特征，如内燃机启动电机等；非功率型用电单元具备持续用电时间可长可短、小功率(额定电流一般在几十安培以下)的用电特征，如车载各种灯类、点烟器、空调、喇叭、雨刮、车窗升降、电子仪表盘等。
下面以一种具体的内燃机车辆电气系统为例来进行说明。本实施例中的内燃机车辆电气系统，如图2-a和2-b所示，包括车载发电机7、启动电机1、车载耗电装置6和组合式超级电池，由组合式超级电池为启动电机1和车载耗电装置6供电，组合式超级电池包括功率单元4和能量单元5，功率单元4的输出端和能量单元5的输出端之间连接有隔离充电单元3，功率单元4的输出端通过启动开关2供电连接启动电机1，能量单元5的输出端供电连接车载耗电装置6，用于为车载耗电装置6提供电能，车载发电机7的电压由电压调节器8调节，用于实现车载发电机7电压的稳定输出。当内燃机启动前，能量单元5或外接电源首先给功率单元4充电；当内燃机启动时，功率单元4与能量单元5之间的电流通路已经通过隔离充电单元3断开，闭合启动开关2，仅由功率单元4为启动电机2供电，由启动电机启动车辆内燃机；当内燃机启动完成后，断开启动开关2，隔离充电单元3判断功率单元4电量是否充足，若不足，则车载发电机通过隔离充电单元3为功率单元4充电，若电量充足，则不充电。同时隔离充电单3元具备防反充功能，禁止功率单元4向能量单元5放电。
功率单元4可以是超级电容器单体、由超级电容器单体通过串并联组成的模块，或者传统电容器阵列，如图2-a所示。功率单元也可采用倍率性能及低温性能优异的储能器件，如图2-b所示，储能器件可为具备高倍率放电特性蓄电池，比如锂离子电池(磷酸铁锂系、三元系、锰酸锂系、钛酸锂系等)和卷绕式高倍率铅酸电池，也可以是低温高倍率锂电池和低温高倍率铅酸电池。能量单元可以 是铅酸电池，也可以是镍氢电池，还可以是锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元电池、钛酸锂电池等其中的任意一种。
隔离充电单元具备隔离和充电的作用，能够将功率单元4和能量单元5在电气上隔离开来，也能对功率单元4进行充电，该隔离充电单元可以通过能量单元或发电机对功率单元充电，也可以通过外接交流或直流电源对功率单元充电，根据充电输入类型的不同，隔离充电单元的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
当采用交流输入时，例如市电网，隔离充电单元采用AC-DC-AC-DC开关电路，具体结构如图3-a所示，包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，该开关电路有相应控制电路，交流输入经该开关电路接入功率单元。处理过程如下：交流输入通过整流滤波电路进行整流滤波处理后变换为直流，然后进入到高频变压器进行逆变和高频变换处理，输出频率变换后的交流电，最后进入到输出整流滤波电路，由输出整流滤波电路对变换后的交流电进行整流、滤波处理，得到与功率单元相适配的直流电，为功率单元充电。该开关电路的充电过程由控制电路根据电压环路和电流环路采集到开关电路的信号通过驱动电路进行控制。同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
当隔离充电单元采用AC-DC开关电路时，其具体电路如图3-b所示，该开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，交流电源经该开关电路接入功率单元。该开关电路的处理过程如下：交流电源通过变压器变压后，进入到整流滤波电路对变压后的交流电进行整流和滤波，通过稳压及限流电路输入到功率单元，实现对功率单元的充电。该开关电路的控制可通过在开关电路上设置开关来实现，同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
当隔离充电单元采用DC-AC-DC开关电路时，其具体电路结构如图4-a所示，包 括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，以及相应的控制电路，直流输入经该开关电路接入功率单元。该开关电路的处理过程如下：高频变压器将直流输入进行逆变和频率变换，并将得到变频后的交流电输入到输出整流滤波电路，经输出整流滤波电路对变频后的交流电进行整流和滤波，得到与功率单元相适配的直流电，为功率单元充电。整个开关电路由控制电路控制，控制电路根据电压环路和电流环路采集到开关电路的信号通过驱动电路进行控制。同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
当隔离充电单元采用DC-DC开关电路时，其具体电路结构如图4-b所示，包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，直流输入经该开关电路接入功率单元进行充电。该开关电路的处理过程如下：直流输入通过电压变换电路变压后，进入稳压及限流电路，经稳压及限流电路得到与功率单元相适配的直流电，输入到功率单元，从而实现对功率单元的充电。该开关电路的控制可通过在开关电路上设置开关来实现，同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。
隔离充电单元可根据充电输入类型的不同选择不同的充电结构，当充电输入类型既有交流输入又有直流输入时，可将直流输入对应的开关电路和交流输入对应的开关电路进行组合。
此外，根据需要，本发明所采用的组合式超级电池还包括相应的外围电路，该外围电路包括检测电路、保护及均衡电路和管理及显示模块，通过检测电路实时检测功率单元的电量，通过保护及均衡电路实现功率单元的均衡保护、充电保护、放电保护、过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护和短路保护功能等，通过管理及显示模块实现对功率单元的管理和参数显示。检测电路、保护及均衡电路和管理及显示模块可根据需要实现的功能进行设计，各功能电路的实现对本领域的技术人员而言属于常规技术手段，这里不再给出具体的电路说明。
本发明的内燃机车辆电气系统的供电方法的实施例
本实施例中的供电方法针对的是内燃机车辆电气系统，该方法将内燃机车辆的用电设备根据功率特性进行区分，分为功率型用电单元和非功率型用电单元，本实施例中功率型用电单元指的是启动电机，非功率型用电单元指的是除启动电机之外的其它车载用电装置，该电气系统采用由功率单元、隔离充电单元和能量单元构成的组合式超级电池供电，功率型用电单元(启动电机)由功率单元供电，当内燃机启动时，功率单元与能量单元的电气连接通过隔离充电单元断开，只采用功率单元为启动电机供电；非功率型用电单元(其他车载用电装置)由与瞬态动力功率补偿器并联的能量单元或车载发电机供电；隔离充电单元具备防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电，实现了能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡。隔离充电单元包括充电电路，充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路，各开关电路的具体实现方式已在供电系统的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
该方法针对系统实施例中电气系统的供电过程如下：当内燃机启动前，能量单元5或外接电源首先给功率单元4充电；当内燃机启动时，功率单元4与能量单元5之间的电流通路已经通过隔离充电单元3断开，闭合启动开关2，仅由功率单元4为启动电机1供电，由启动电机启动车辆内燃机；当内燃机启动完成后，断开启动开关2，隔离充电单元3判断功率单元4电量是否充足，若不足，则车载发电机7通过隔离充电单元3为功率单元4充电，若电量充足，则不充电；启动完成后，车载发电机7开始向车载用电装置6供电，并且给能量单元5充电以及在功率单元4电量不足时给其充电，在车载发电机无法满足车载用电装置时，由能量单元与车载发电机一起为车载用电装置供电；当车载发电机7停止工作时，控制隔离充电单元断开功率单元4与能量单元5之间的电气连接，若车载用电装置6继续工作，则此时所需电能完全由能量单元5提供；隔离充电单元具备防反 充功能，任何时候功率单元4都不能向能量单元5放电，从而保证功率单元4能够进行后续的启动。
本发明的内燃机车辆电气系统采用组合式超级电池供电，利用组合式超级电池的功率单元为启动电机提供电能，使能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，能量单元(蓄电池)只负责小功率负载的持续供能，避免了能量单元受大电流冲击，可有效提高其使用寿命。同时，在能量单元选型配置上可以“瘦身”，实现小型化、轻量化。此外，功率单元仅用于为启动电机供电，隔离充电单元具备防反充功能，任何时候功率单元都不能向能量单元放电，对功率单元有一定的保护作用。同时依靠本发明的瞬态动力功率补偿器进行启动，内燃机启动性更好，尤其是低温启动性更好，能量单元不会出现瞬时较大电压降的情况，保证内燃机车辆电气系统能够稳定工作，减少非功率型用电单元因电能质量不稳造成的损坏。
本发明将内燃机车辆用电设备分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元仅由瞬态动力功率补偿器中的功率单元供电，非功率型用电单元由与瞬态动力功率补偿器并联的能量单元或发电机供电，达到能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡，使内燃机车辆供电系统得到优化，延长寿命，提高性能，减少资源浪费和系统维护工作量，并通过轻量化和更高效率的功率单元的采用，实现节能减排。

Claims (10)

1.一种内燃机车辆电气系统，包括启动电机、车载发电机和车载耗电装置，其特征在于，该电气系统还包括组合式超级电池，组合式超级电池包括能量单元和功率单元，能量单元和功率单元输出端之间连接有隔离充电单元，能量单元输出端供电连接车载耗电装置，功率单元输出端供电连接启动电机，所述隔离充电单元用于功率单元电量不足时或启动电机工作前为其充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。
2.根据权利要求1所述的内燃机车辆电气系统，其特征在于，所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
3.根据权利要求2所述的内燃机车辆电气系统，其特征在于，所述的AC-DC-AC-DC开关电路包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，所述输入整流滤波电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元。
4.根据权利要求2所述的内燃机车辆电气系统，其特征在于，所述的AC-DC开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，该开关电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
5.根据权利要求2所述的内燃机车辆电气系统，其特征在于，所述的DC-AC-DC开关电路包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，高频变压器的一侧用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
6.根据权利要求2所述的内燃机车辆电气系统，其特征在于，所述的DC-DC开关电路包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，电压变换电路输入端用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。
7.根据权利要求1所述的内燃机车辆电气系统，其特征在于，所述的功率单元为超级电容器单体、通过超级电容器单体串并联组成的模块或者电容器阵列。
8.一种内燃机车辆电气系统的供电方法，其特征在于，该方法将内燃机车辆的用电设备根据功率特性进行区分，分为功率型用电单元和非功率型用电单元，启动电机作为功率型用电单元由功率单元供电，车载耗电装置作为非功率型用电单元由能量单元供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元隔离，当功率型用电单元需要供电时，由隔离充电单元断开功率单元与能量单元的电气连接，只采用功率单元为功率型用电单元供电，在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前，功率单元在隔离充电单元的控制下充电，所述的能量单元为储能器件，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。
9.根据权利要求8所述的内燃机车辆电气系统的供电方法，其特征在于，所述隔离充电单元具有防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电。
10.根据权利要求8所述的内燃机车辆电气系统的供电方法，其特征在于，所述隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。
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