CN107171494B - 一种压缩空气涡轮直流发电机系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种压缩空气涡轮直流发电机系统，包括：空气动力涡轮发动机；直流发电机，用于以所述空气动力涡轮发动机的动力输出作为驱动输入产生直流电流；控制单元，用于控制所述空气动力涡轮发动机的转速以产生所述动力输出，并调节所述直流发电机的输出电流和/或输出电压。本公开具有小型化高度集成特征，有效克服了内燃机发电系统功率密度低、振动噪声高等缺点而具高度产业利用价值。本公开可以作为电动汽车在开发过程中的辅助电源，有效的解决纯电动车里程焦虑问题。

Description

一种压缩空气涡轮直流发电机系统
技术领域
本公开涉及电气技术领域，尤其涉及一种压缩空气涡轮直流发电机系统。
背景技术
目前，世界上纯电动车使用的各种辅助电源都是采用传统活塞式燃油/燃气发动机作为动力进行发电的。发动机技术成熟、产品多样化。但是这种发动机始终无法克服燃油效率低、振动和噪声高、冷却系统复杂的基本问题。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种压缩空气涡轮直流发电机系统，包括：
空气动力涡轮发动机；
直流发电机，用于以所述空气动力涡轮发动机的动力输出作为驱动输入产生直流电流；
控制单元，用于控制所述空气动力涡轮发动机的转速以产生所述动力输出，并调节所述直流发电机的输出电流和/或输出电压。
在一种可能的实现方式中，所述空气动力涡轮发动机包括涡轮室、涡轮、动力输出轴、进气调节阀、进气口和排气口，其中，
所述进气口和所述排气口分别与所述涡轮室连通；
所述进气调节阀设置于所述进气口；
所述涡轮设置于所述涡轮室内；
所述涡轮与所述动力输出轴连接。
在一种可能的实现方式中，所述控制单元，还用于向所述进气调节阀发送控制信号；
所述进气调节阀，用于在收到所述控制信号的情况下，根据所述控制信号的开关以及动态调节所述进气口进气的流速，将高压空气从所述进气口引入所述涡轮室中膨胀做功，以推动所述涡轮旋转，进而调节所述动力输出轴的转速和扭矩。
在一种可能的实现方式中，所述动力输出轴同时作为所述直流发电机的转子轴，所述转子轴上的两个高速轴承分别位于所述空气动力涡轮发动机的动力输出端和所述直流发电机的后端。
在一种可能的实现方式中，所述空气动力涡轮发动机的壳体与所述直流发电机的壳体为一体结构，所述直流发电机的定子与所述空气动力涡轮发动机的壳体固定在一起。
在一种可能的实现方式中，所述空气动力涡轮发动机的涡轮还可以是两级涡轮结构，包括一级涡轮和二级涡轮。所述一级涡轮和所述二级涡轮位于同一个驱动轴上，所述一级涡轮将排出的低压空气输出传送至所述二级涡轮。
在一种可能的实现方式中，所述控制单元，还用于从CAN总线接收启动发电命令，所述启动发电命令用于指示所述控制单元控制所述进气调节阀开闭，并确定所述系统的发电模式，所述发电模式包括恒流发电模式、恒压发电模式、恒功率发电模式、降功率发电模式中的至少一种。
在一种可能的实现方式中，所述控制单元，还用于在所述系统进入所述降功率发电模式的情况下，根据降功率的比例，确定所述空气动力涡轮发动机的工作状态；其中，在发电功率小于额定功率的30％时进入怠速状态；在发电功率低于额定功率50％时，进入低转速状态；其他情况进入额定功率状态。
在一种可能的实现方式中，所述控制单元，还用于对所述直流发电机进行励磁控制。
在一种可能的实现方式中，该系统还包括：
外部励磁单元，与所述直流发电机连接，用于对所述直流发电机进行励磁控制。
在一种可能的实现方式中，所述直流发电机，还用于将发电输出通过整流直接连接在直流动力总线上，并将输出电流和/或输出电压反馈回所述控制单元。
本公开具有小型化高度集成特征，有效克服了内燃机发电系统功率密度低、振动噪声高等缺点而具高度产业利用价值。本公开可以作为电动汽车在开发过程中的辅助电源，有效的解决纯电动车里程焦虑问题。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的压缩空气涡轮直流发电机系统的结构图。
图2示出根据本公开一实施例的压缩空气涡轮直流发电机系统的电路原理框图。
图3示出根据本公开一实施例的压缩空气涡轮直流发电机系统的主控制软件流程图。
附图标记列表
1、涡轮室；2、双凸极发电机；3、发电/系统控制单元；4、涡轮；
5、出气口；6、进气口；7、动力输出轴；8、进气调节阀。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
随着汽车发动机涡轮增压技术的不断完善，涡轮机的技术不断进步使得转换效率显著提高。本公开提出了一种全新的采用压缩空气动力通过涡轮机形成空气动力涡轮发动机驱动直流发电机的方案。这种发电系统可使用车载高压空气储器瓶输出的恒压压缩空气作为动力，为涡轮发动机提供动力进而推动双凸极直流发电机进行发电。涡轮机转换效率高。涡轮机超高转速使得功率密度高、体积小、振动及噪音低，尾气为空气无排放(零排放)，非常适合在纯电动车上作为辅助电源使用。尤其是压缩空气膨胀产生的低温使得整个涡轮机和发电机无需任何外部冷却。涡轮机也没有润滑问题。发动机的高速轴承也无需任何外部冷却系统。因此，整套系统结构简洁，可靠性高。
实施例1
图1示出根据本公开一实施例的压缩空气涡轮直流发电机系统的结构图。如图1所示，该压缩空气涡轮直流发电机系统可以包括：空气动力涡轮发动机(可简称为涡轮发动机、发动机)；直流发电机(可简称发电机)，用于以所述空气动力涡轮发动机的动力输出作为驱动输入产生直流电流；控制单元，用于控制所述空气动力涡轮发动机的转速以产生所述动力输出，并调节所述直流发电机的输出电流和/或输出电压。
例如，双凸极发电机的输入轴与涡轮发动机输出轴直接连接，用于产生直流电流，输出直流恒流电力或恒压电力。发电/系统控制单元3与双凸极发电机2直接电气连接，可以通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网)总线接收发电命令，对双凸极发电机2的输出电流或电压动力调节。发电/系统控制单元3能够对空气动力涡轮发动机的转速进行管理和控制，同时对双凸极发电机2的输出电流或电压进行连续调节。
在一种可能的实现方式中，空气动力涡轮发动机可以包括涡轮室1、涡轮4(也可以称为涡轮机)、排气口5(或称为出气口)、进气口6、动力输出轴7和进气调节阀8。直流发电机可以为双凸极发电机2(或称为双凸极直流发电机)。控制单元也可以称为发电/系统控制单元3。
其中，所述进气口6和所述排气口5分别与所述涡轮室1连通。所述进气调节阀8设置于所述进气口6。所述涡轮4设置于所述涡轮室1内。所述涡轮4与所述动力输出轴7连接。
在一种可能的实现方式中，所述控制单元，还用于向所述进气调节阀发送控制信号。所述进气调节阀，用于在收到所述控制信号的情况下，根据所述控制信号的开关以及动态调节所述进气口进气的流速，将高压空气从所述进气口引入所述涡轮室中膨胀做功，以推动所述涡轮旋转，进而调节所述动力输出轴的转速和扭矩。
具体地，空气动力涡轮发动机可以将高压空气直接引入涡轮机中膨胀做功，推动涡轮旋转，释放的低压空气由排气口排出。进气调节阀接收来自发电/系统控制单元的控制信号对进气的流速进行调节，进而调节涡轮发动机输出轴的转速和扭矩。所述发电/系统控制单元控制涡轮发动机的进气调节阀调节发动机进气流量和流速，可以在发电机在直流负载例如驱动电机控制器、动力电阻等，变化时保持恒定的转速，同时可以闭环控制进行恒流发电或者恒压发电。
以提高压缩空气转换效率为目标，所述空气动力涡轮发动机可以增加二级涡轮。在一种可能的实现方式中，所述空气动力涡轮发动机的涡轮可以是两级涡轮结构，包括一级涡轮和二级涡轮。所述一级涡轮和所述二级涡轮位于同一个驱动轴上，所述一级涡轮将排出的低压空气输出传送至所述二级涡轮。采用二级涡轮结构，可以将第一级剩余的低压空气中的能量进一步转换为动力输出。这使得涡轮机的转换效率得到进一步提高、可显著提高系统发电输出功率。
实施例2
本实施例与上述实施例的不同之处在于，所述控制单元，还用于对所述直流发电机进行励磁控制。所述直流发电机，还用于将发电输出通过整流直接连接在直流动力总线上，并将输出电流和/或输出电压反馈回所述控制单元。
例如：所述双凸极发电机2接受来自发电/系统控制单元3(例如其发电驱动单元)的励磁控制，将输出的电压或电流整流后输送至直流动力总线上，并将发电电流和直流电压反馈回发电/系统控制单元3。本实施例中双凸极发电机2的三相高频动力输出经整流后直接输出直流电流。
本实施例中，涡轮4与发电机同轴。在一种可能的实现方式中，所述动力输出轴同时作为所述直流发电机的转子轴，所述转子轴上的两个高速轴承分别位于所述空气动力涡轮发动机的动力输出端和所述直流发电机的后端。所述直流发电机的后端是指靠近发电/系统控制单元3的一端。
实施例3
本实施例与上述实施例的不同之处在于，本实施例中整个发电系统是一个整体集成模块，参考图1，可以整体安装和拆卸。所述压缩空气涡轮直流发电机系统由于无振动部件因此安装时无需考虑减振结构，方便整车集成机械安装和设计。
在一种可能的实现方式中，所述空气动力涡轮发动机的壳体与所述直流发电机的壳体为一体结构。所述直流发电机的定子与所述空气动力涡轮发动机的壳体固定在一起。所述空气动力涡轮发动机在高压空气膨胀过程中吸收热量，通过发电机壳体直接为发电机定子提供冷却。因此发电机无需加散热结构，减小了发电机整机体积和重量。此外，所述双凸极直流发电机由于转子转动惯量低，适合匹配空气动力涡轮发动机的超高输出转速进行发电，发电效率高，可实现高体积功率密度。
实施例4
本实施例与上述实施例的不同之处在于，该发电系统还可以包括外部励磁单元，与所述直流发电机连接，用于对所述直流发电机进行励磁控制。所述直流发电机，还用于将发电输出通过整流直接连接在直流动力总线上，并将输出电流和/或输出电压反馈回所述控制单元。
例如，本实施例中所述发电/系统控制单元3内置于双凸极发电机2，以外部动力电池的动力输出作为励磁源进行励磁控制，可根据动力需求直接动态主动调节发电电流(也可以称为输出电流、直流电流等)或者发电电压(也可以称为输出电压、直流电压等)。
实施例5
本实施例与上述实施例的不同之处在于，发电/系统控制单元3的控制模式包括恒流发电、恒压发电、恒功率发电等。
在一种可能的实现方式中，所述控制单元，还用于从CAN总线接收启动发电命令，所述启动发电命令用于指示所述控制单元控制所述进气调节阀开闭，并确定所述系统的发电模式，所述发电模式包括恒流发电模式、恒压发电模式、恒功率发电模式、降功率发电模式中的至少一种。
在一种可能的实现方式中，所述控制单元，还用于在所述系统进入所述降功率发电模式的情况下，根据降功率的比例，确定所述空气动力涡轮发动机的工作状态。其中，在发电功率小于额定功率的30％时进入怠速状态；在发电功率低于额定功率50％时，进入低转速状态；其他情况进入额定功率状态。
所述发电/系统控制单元可以闭环控制进行恒流发电或者恒压发电。例如，发电控制过程可以是一个PID(Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)闭环控制过程。在恒流发电控制模式下，PID控制由发电电流外环和励磁电流内环控制组成，以接收的来自于CAN总线的CAN命令的目标发电电流为控制目标，随着系统输出电压变化和电流变化，快速调节实际发电电流。在恒压发电控制模式下，PID控制由发电电压外环和励磁电流内环控制组成，以来自于CAN命令的目标发电电压为控制目标，随着直流电流变化和电压的变化，快速调节实际发电电压。在恒功率发电控制模式下，PID控制由发电功率外环和励磁电流内环控制组成，以来自于CAN命令的目标发电功率为控制目标，随着直流电压的变化和电流变化，快速调节实际发电功率。
如上所述，本公开提供的一种压缩空气涡轮直流发电机系统，其具有小型化高度集成特征。因此，使得纯电动汽车可以在开发过程中选择本系统作为辅助电源，有效的解决纯电动车里程焦虑问题。本公开有效克服了内燃机发电系统功率密度低、振动噪声高等缺点而具高度产业利用价值。
参考图3，本公开主控软件的一种工作流程示例如下：
首先，系统上电后即检查CAN命令状态，判断是否有启动发电命令(301)。如果没有启动发电命令，关闭励磁，关闭节气阀(也可以称为压缩空气调节阀、进气调节阀、调节阀等)(303)，使系统处于待机模式。
第二，在收到启动发电命令(可以简称启动命令)后，系统可以立即开启进气调节阀(302)并监控涡轮的转速。判断转速是否达到目标值(305)。如果转速无法达到设定目标，判断是否将进气调节阀开启到最大(306)。在进气调节阀开启到最大的情况下，检查进气压力(307)。如果涡轮机进气压力仍无法满足要求(308)时，说明涡轮室内的压缩空气压力不足，系统进入降功率发电模式(309)。在进气调节阀没有开到最大时，说明进气调节阀故障，可以置调节阀故障标志(310)。这时，系统停止工作进入停机状态。
第三，如果转速达到设定目标，则系统进入正常工作状态。对发电机进行励磁控制(311)。系统根据CAN命令确定发电模式(312)，例如包括恒流发电模式、恒压发电模式和恒功率发电模式。
第四，如果确定系统需要进入降功率发电模式(313)，则根据降功率的比例，确定所述空气动力涡轮发动机的工作状态。例如，在发电功率小于额定功率的例如30％时进入怠速状态。在发电功率低于额定功率例如50％时，系统进入低转速状态；其他情况进入额定功率状态。
本公开可根据应用需要采用压缩空气作为动力通过空气动力涡轮发动机驱动双凸极直流发电机进行发电，包括恒流发电或者恒压发电等，适合作为纯电驱动电动车等的辅助电源。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (4)

1.一种压缩空气涡轮直流发电机系统，其特征在于，包括：
空气动力涡轮发动机；所述空气动力涡轮发动机包括涡轮室、涡轮、动力输出轴、进气调节阀、进气口和排气口，其中，所述进气口和所述排气口分别与所述涡轮室连通；所述进气调节阀设置于所述进气口；所述涡轮设置于所述涡轮室内；所述涡轮与所述动力输出轴连接；所述空气动力涡轮发动机的涡轮是两级涡轮结构，包括一级涡轮和二级涡轮；所述一级涡轮和所述二级涡轮位于同一个驱动轴上，所述一级涡轮将排出的低压空气输出传送至所述二级涡轮；
直流发电机，用于以所述空气动力涡轮发动机的动力输出作为驱动输入产生直流电流；
所述动力输出轴同时作为所述直流发电机的转子轴，所述转子轴上的两个高速轴承分别位于所述空气动力涡轮发动机的动力输出端和所述直流发电机的后端；
所述空气动力涡轮发动机的壳体与所述直流发电机的壳体为一体结构，所述直流发电机的定子与所述空气动力涡轮发动机的壳体固定在一起；
控制单元，用于控制所述空气动力涡轮发动机的转速以产生所述动力输出，并调节所述直流发电机的输出电流和/或输出电压；
所述控制单元，还用于向所述进气调节阀发送控制信号；
所述进气调节阀，用于在收到所述控制信号的情况下，根据所述控制信号的开关以及动态调节所述进气口进气的流速，将高压空气从所述进气口引入所述涡轮室中膨胀做功，以推动所述涡轮旋转，进而调节所述动力输出轴的转速和扭矩；
所述控制单元，还用于从CAN总线接收启动发电命令，所述启动发电命令用于指示所述控制单元控制所述进气调节阀开闭，并确定所述系统的发电模式，所述发电模式包括恒流发电模式、恒压发电模式、恒功率发电模式、降功率发电模式中的至少一种；
所述控制单元，还用于对所述直流发电机进行励磁控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述控制单元，还用于在所述系统进入所述降功率发电模式的情况下，根据降功率的比例，确定所述空气动力涡轮发动机的工作状态；其中，在发电功率小于额定功率的30％时进入怠速状态；在发电功率低于额定功率50％时，进入低转速状态；其他情况进入额定功率状态。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
外部励磁单元，与所述直流发电机连接，用于对所述直流发电机进行励磁控制。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述直流发电机，还用于将发电输出通过整流直接连接在直流动力总线上，并将输出电流和/或输出电压反馈回所述控制单元。
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