CN106411200B - 一种行进中自发电功率补偿设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种行进中自发电功率补偿设备，利用转速传感器测量发动机转速，进而计算出发电机在发动机带动下的瞬时输出功率；电源选择控制电路连接发电机、蓄能单元和若干组稳压与均流电路；当发电机输出功率大于后级负载的需求时，电源选择控制电路通过若干组稳压与均流电路为后级负载供电，同时为蓄能单元进行充电；当发电机输出功率不能满足后级负载的需求时，发电机和蓄能单元同时为后级负载供电。本发明能够保证整个行驶过程中后级设备不间断平稳供电，极大地降低了备用电源使用时间，提高了备用电源使用寿命。

Description

一种行进中自发电功率补偿设备
技术领域
本发明涉及自发电领域，尤其是一种自发电输出功率的补偿设备。
背景技术
特种车辆改装时，车内需要加装各类仪器及设备，既有交流供电设备，也有直流供电设备，且所需功率较大，汽车原有供电系统无法满足用电要求。此时可在汽车发动机后端加装发电机，利用汽车发动机过剩动能转化为电能，为用电设备供电，这种供电方式称为汽车取力发电技术，即汽车自发电。
当前，汽车自发电通常按使用工况分为驻车自发电与行进中自发电两种。驻车自发电一般在汽车驻车时，将通过离合器将发动机与汽车传动系统脱离(即置空档)，调节发动机转速达到发电机额定转速，发电机即可提供平稳供电输出，该类技术相对较为成熟；行进中自发电是在汽车行驶过程中，利用汽车本身的部分动力和所加装的发电机及其他系统实现对用电设备的持续平稳供电，由于行进中自发电可解决该类问题。汽车在行使过程中，发动机工作状态不稳定，转速波动范围较大，导致汽车发电机输出的电压、功率参数稳定性差。可通过改进发电机控制策略，保证对外恒压输出，提高输出电压稳定性。但输出功率受发动机转速影响较大(图1中是某型号发电机转速/功率对应关系图)，从图中可以看出，发电机的额定功率为4.5kW，转速为750rpm时输出功率约为2kW，转速为1000rpm时输出功率约为3.5kW，转速为1100rpm时输出功率约为4.5kW，转速为大于1400rpm时输出功率4.5kW几乎不变。在低转速情况下输出远小于额定功率，难以保障用电设备满载工作，也无法应对发动机短暂熄火时不间断供电要求，依然是行业难点之一。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种成本较低的汽车行进中自发电方式功率补偿设备电路，汽车行驶过程中，在发电机输出电压稳定的情况下对输出功率进行智能补偿，维持供电功率平稳可靠，从而保证整个行驶过程中后级设备不间断平稳供电。本发明通过智能调度发电机输出与蓄电池输出供电比例，保证输出功率稳定的同时，极大地降低了备用电源使用时间，提高了备用电源使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种行进中自发电功率补偿设备，包括转速传感器、蓄能单元、电源选择控制电路和稳压与均流电路；所述的转速传感器测量发动机转速，进而计算出发电机在发动机带动下的瞬时输出功率f；所述的电源选择控制电路连接发电机、蓄能单元和若干组稳压与均流电路；当发电机输出功率大于后级负载的需求时，电源选择控制电路通过若干组稳压与均流电路为后级负载供电，同时为蓄能单元进行充电；当发电机输出功率不能满足后级负载的需求时，发电机和蓄能单元同时为后级负载供电，其中，后级负载所需功率F＝kN，其中k为稳压与均流电路数量，N为每组稳压与均流电路的输出功率，则发电机输出功率f和通过发电机供电的稳压与均流电路数量i满足iN≤f＜(i+1)N，0≤i≤k。
各组稳压与均流电路的输出电流相等，误差小于2％。
所述的蓄能单元采用蓄电池或超级电容。
所述的电源选择控制电路采用若干功率开关器件构成开关矩阵，每一组稳压与均流电路由一个功率开关器件控制，每一组稳压与均流电路采用常闭触点选通蓄能单元供电，通过接通与常闭触点互斥的常开触点选通发电机供电，进行电源切换。
本发明的有益效果是：通过对发电机进行功率补偿供电，能够在汽车行驶过程中的低转速或怠速的情况下为后级设备提供输出功率稳定的电源，保证后级用电设备可以在无特殊要求的情况下正常使用。
另一方面，由于降低了转速功率输出要求，能够适当降低发电机额定输出功率，从而降低发电机采购成本。同时，由于汽车在正常行驶时通常转速均达到或超过发电机额定转速，后备电源使用率较低，因此能够极大提高后备电源使用寿命。
同时，能够在发动机转速变化时快速做出电源供电策略切换，保证行驶过程中供配电平稳，即便遇到汽车熄火等行驶中的意外情况，也能提供短时不间断供电，为后级用电设备采取应对措施提供一定保障时间。
另外，由于发动机减速后，输出功率降低，但后级用电设备所需功率并未减少，会对发动机产生瞬时冲击，影响汽车驾驶，而本发明通过强制分流功率，能够减少此类影响。
附图说明
图1为某型发电机功率-转速变化曲线图；
图2为行进中自发电功率补偿设备组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供的行进中自发电功率补偿设备由转速传感器、蓄能单元、电源选择控制电路、稳压与均流电路组成。系统组成框图参见图2。
行进中自发电功率补偿设备工作原理如下：
系统具有两种供电电源，一种为由汽车发动机提供动能的发电机供电，另一种为蓄能单元。通过传感器对发动机转速进行测量，间接计算出发电机瞬时输出功率，并根据计算结果，采用多电源供电通道组合方式，动态调整发电机与蓄能单元的输出比例或工作状态，从而达到输出功率稳定的效果。供电通道将后级负载输入源分为若干组，每组具有独立输入，并可选择不同输入源，经稳压、均流处理后合并输出。改变各通道输入，即可改变输入源对后级供电的比例。其中，后级负载所需功率F＝kN，其中k为稳压与均流电路数量，N为每组稳压与均流电路的输出功率，则发电机输出功率f和通过发电机供电的稳压与均流电路数量i之间的关系满足iN≤f＜(i+1)N，0≤i≤k。例如系统共有6组供电通道，其中2组通道使用蓄能单元供电，另外4组使用发电机供电，带载时经过后级均流后，各模块输出电流大致相等，则蓄能单元为后级提供能量约为总能量的1/3，而发电机为后级提供的能量约为总能量的2/3，在发动机供电能力较弱时，改变蓄能单元与发电机供电的通道数量，即可控制蓄能单元按指定比例为发电机补充供电。
行进中自发电功率补偿设备各组成部分功能如下：
蓄能单元可采用可存储电能的元器件(如蓄电池、超级电容)，在发电机输出功率足够满足车内输出要求且依然有足够输出功率余量时，可对其进行充电，在发电机输出功率不能满足后级用电设备使用要求时，为后级设备补充供电，在发动机熄火或其异常状态时，短时后备供电。
系统含有多组稳压与均流电路构成的若干电源供电通道，各通道输入相互独立，可各自选择输入源，电路内部对不同输入源进行稳压，得到统一电气性质的输出电源后并联输出，并对各供电通道进行输出均流，保证各通道电流相差<2％，以平衡各通道带载状态。
电源选择控制电路用于接收转速传感器信号，计算出发动机转速，根据转速与输出功率的对应关系，决定输出控制策略。同时电源选择电路采用多个功率开关器件构成开关矩阵，用于切断或接通指定供电电源，从而进行供电电源选择与切换，各供电通道输入电源由开关进行选择。单供电通道采用“常闭”触点在系统默认状态选通蓄能单元供电，系统工作时，首先采用蓄能单元供电，等待转速稳定后，通过接通与之互斥的“常开”触点选通发电机供电，进行电源切换。蓄能单元与发电机供电同一时刻只能有一路接通，无控制信号时使用蓄能单元供电。
如图2所示，汽车发动机通过传动装置带动发电机发电，转速传感器对汽车发动机转速进行监控，并送电源选择控制电路。电源选择控制电路跟据转速情况，确定各稳压与均流电路输入情况，稳压与均流电路对输入电源稳压均流后并联输出。
图2中转速传感器在实际设计中可使用光电或电磁增量式旋转编码器，增量式旋转编码器输出为脉冲信号，脉冲频率与转速成正比，即可测得被测物转速。旋转编码器与发动机通过柔性连轴器连接，发动机带动编码器转动。旋转编码器与电源选择控制电路通过通信电缆连接，电源选择控制电路跟据单位时间内的脉冲数可计算发动机转速。
电源选择与控制电路主要由运算处理电路与功率开关矩阵两部分组成。运算处理电路可采用实时性较高的MCU处理器及外围电路构成，如ARM处理器，DSP处理器、FPGA处理器等。采用与旋转编码器对应的通信接口(常用的有CAN总线、RS422、并口总线等)与编码器进行信号交互，通过通用GPIO口控制功率矩阵开关。功率矩阵开关常用的核心开关部件为电磁继电器、固态继电器、接触器、MOSFET功率器件等。
稳压与均流电路需要具有宽范围输入的DC/DC电路将不同电压大小的各电源通道稳压为统一的电压输出，输出级进行并联提高总带载能力。

Claims (4)

1.一种行进中自发电功率补偿设备，包括转速传感器、蓄能单元、电源选择控制电路和稳压与均流电路，其特征在于：所述的转速传感器测量发动机转速，进而计算出发电机在发动机带动下的瞬时输出功率f；所述的电源选择控制电路连接发电机、蓄能单元和若干组稳压与均流电路；当发电机输出功率大于后级负载的需求时，电源选择控制电路通过若干组稳压与均流电路为后级负载供电，同时为蓄能单元进行充电；当发电机输出功率不能满足后级负载的需求时，发电机和蓄能单元同时为后级负载供电，其中，后级负载所需功率F＝kN，其中k为稳压与均流电路数量，N为每组稳压与均流电路的输出功率，则发电机输出功率f和通过发电机供电的稳压与均流电路数量i满足iN≤f＜(i+1)N，0≤i≤k。
2.根据权利要求1所述的行进中自发电功率补偿设备，其特征在于：各组稳压与均流电路的输出电流相等，误差小于2％。
3.根据权利要求1所述的行进中自发电功率补偿设备，其特征在于：所述的蓄能单元采用蓄电池或超级电容。
4.根据权利要求1所述的行进中自发电功率补偿设备，其特征在于：所述的电源选择控制电路采用若干功率开关器件构成开关矩阵，每一组稳压与均流电路由一个功率开关器件控制，每一组稳压与均流电路采用常闭触点选通蓄能单元供电，通过接通与常闭触点互斥的常开触点选通发电机供电，进行电源切换。
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