CN108556643B - 一种用于车载储能单元的快速充电装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车载储能单元的快速充电装置，车辆发动机的发动机轴连接主发电机的主发电机轴的一端，主发电机轴的另一端通过变速箱连接辅助发电机；主发电机的电压输出端通过整流电路连接储能单元；传感器单元采集主发电机和储能单元的温度信号，以及整流电路输出的电压电流信号，并将采集到的信号输出至励磁调节器；励磁调节器的两个控制信号输出端分别连接主发电机和辅助发电机的控制信号输入端。本发明还公开了一种用于车载储能单元的快速充电方法。本发明提供驻车和行驶条件下的不同充电模式，在保证充电功率和电能品质的基础上，实现发电机系统的励磁调节和电机温度监测，有助于充电过程控制。

Description

一种用于车载储能单元的快速充电装置和方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种用于车载储能单元的快速充电装置及其控制方法。

背景技术

近年来，随着经济社会的发展，车载储能单元的快速充电装置开始广泛应用在抢险救灾、移动通讯保障及维修、野外科学考察等实际情况中，能有效支援国家经济建设和民生保障。

针对快速充电装置动力源方面，目前，电动汽车的充电桩已有大量研究并已经开始投入商业应用，但充电桩并不具备机动性，在特殊的自然环境或者遭遇自然灾害的地域，其将失去充电作用。王豫川等人在其专利中提到了一种车载式内燃机发电机组自动充电装置，其通过汽车发动机带动发电机向储能装置充电，但其并未带有发电机励磁调节装置，其输出电压电流不稳定，谐波较大。清华泰豪科技股份有限公司的黄芳等人研发了一种车载充电系统，在驻车状态下，切换到取力轴带动发电机工作，达到为储能单元充电的目的，但其只能工作在驻车状态下，在行驶时并不能带动发电机供电。龙岩市海德馨汽车有限公司开发了一种移动式充电车，其采用了一台独立的发动机来带动发电机运行充电，这种充电方式虽然能够在驻车和车辆行驶时都达到充电的目的，但是其增加了一台发电机组，车辆复杂程度增加、故障率增加，车辆可靠性降低，同时车辆经济性大大降低，功率密度也变小。根据柴油发动机外特性曲线，在车辆行驶过程中，如果在保证车辆正常运行的情况下，将车辆柴油发动机工作在最佳燃油经济状态下，将多余的功率向储能装置充电，便能够大大增加能源利用效率，提高经济性。

针对充电装置的拓扑结构而言，已有大量学者开展了广泛研究，2014年华北电力大学范永强等人针对车载超级电容提出了一种单三相桥式全控型整流器加DC/DC变换器充电拓扑结构，这种方法相较于不控整流能够获得较小的电流谐波和较高的电能品质，但是其控制方式相对复杂、功率等级不高、充电时间较慢、经济成本较高，在极端应用场合可靠性较低。2017年浙江大学吕征宇等人提出了一种电流型变拓扑多脉波整流器作为充电装置的功率电路拓扑结构，其需要在不同拓扑模式中切换，而且其充电过程控制复杂，功率等级也不够高。目前，大部分文献资料中采用的充电模式都比较单一，没有根据不同的应用场合进行充电模式切换，使得充电过程与车辆运行状态和储能单元状态适应性不强。

从以上文献资料分析可以看出，目前的车载储能单元的快速充电装置还存在许多不足，研发一种控制方式简单、充电速度快、功率等级高快速充电装置对于国民经济的发展具有重要意义。

发明内容：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种用于车载储能单元的快速充电装置和方法，提供驻车和行驶条件下的不同充电模式，在保证充电功率和电能品质的基础上，实现发电机系统的励磁调节和电机温度监测，有助于充电过程控制。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种用于车载储能单元的快速充电装置，车辆发动机的发动机轴连接主发电机的主发电机轴的一端，主发电机轴的另一端通过变速箱连接辅助发电机；主发电机的电压输出端通过整流电路连接储能单元；传感器单元采集主发电机和储能单元的温度信号，以及整流电路输出的电压电流信号，并将采集到的信号输出至励磁调节器；励磁调节器的信号输出端AVR-a连接主发电机的控制信号输入端，AVR-b连接辅助发电机的控制信号输入端。

较佳地，主发电机通过第一断路器连接整流电路，辅助发电机通过第二断路器连接励磁调节器和/或其他用电单元。

较佳地，传感器单元包括设置在整流电路输出端的电压传感器和电流传感器，用于采集整流电路输出的电压电流信号。

较佳地，传感器单元还包括设置在主发电机的第一温度传感器，用于采集主发电机的温度信号；传感器单元还包括设置在储能单元的第二温度传感器，用于采集储能单元的温度信号。

较佳地，第一断路器和第二断路器的控制端连接励磁调节器的控制信号输出端。

较佳地，励磁调节器的信号输出端AVR-a连接主发电机的控制端，AVR-b连接辅助发电机的控制端，励磁调节器的信号输入端还连接有上级控制器的信号输出端。

本发明还提供一种用于车载储能单元的快速充电方法，包括：

当励磁调节器接收到上级控制器发送的充电信号之后，励磁调节器获取储能单元的储能温度值信号，判断储能温度值是否在预设储能温度阈值范围之内，若是，则由励磁调节器控制第一断路器闭合，主发电机对储能单元进行充电；励磁调节器获取整流电路输出的电压电流信号和主发电机温度值信号，判断主发电机温度值是否在预设发电温度阈值范围之内，若是，主发电机继续对储能单元进行充电，若否，则励磁调节器发出信号使主发电机对储能单元停止充电；当励磁调节器接收到上级控制器发送过来的停止充电信号时，励磁调节器发出信号使主发电机对储能单元停止充电。

较佳地，主发电机对储能单元进行充电，包括：主发电机依据励磁调节器发送过来的充电模式信号对储能单元进行充电，充电模式包括在驻车模式下进行数档恒流充电模式，以及在行车模式下进行的数档恒功率充电模式。

较佳地，主发电机对储能单元进行充电的过程中：励磁调节器通过传感器单元获取整流电路输出端的电压电流信号值，并判断电压电流信号值是否符合对应充电模式和档位的预设电压电流限值，若电压电流信号值高于预设电压电流限值，则由励磁调节器降低主发电机的磁场强度，若电压电流信号值低于预设电压电流限值，则由励磁调节器增大主发电机的磁场强度，若电压电流信号值位于预设电压电流限值范围内，则励磁调节器保持主发电机的磁场强度不变。

较佳地，励磁调节器发出信号使主发电机对储能单元停止充电包括：励磁调节器执行励磁调节算法进行灭磁降压，并发出控制信号断开第一断路器中断主发电机对储能单元的充电过程。

本发明的有益效果在于：能同时在驻车和行驶条件下实现充电功能，车辆发动机带动发电机供电，经整流后提供给储能系统，这种车载集中式快速充电装置机动性较高、功率密度较大。提供驻车和行驶条件下的不同充电模式，在保证充电功率和电能品质的基础上，实现发电机系统的励磁调节和电机温度监测，有助于充电过程控制可同时实现在驻车和行驶条件下的充电功能，可以根据车辆的不同运行状态、充电时间选择不同充电模式，提高发动机和充电过程的匹配性；整流电路采用四组两两串联三相桥式整流拓扑结构，直流输出电压增大一倍，充电时间减少；励磁调节器通过检测输出电压电流和电机温度，根据所选择的不同运行模式，进行相应的励磁调节，保证电机安全运行的条件下正常充电输出；通过轴带发电机将车辆发动机能量转换为电能进行整流输出，和车辆进行一体化设计，系统集成化程度增大，克服了固定充电桩不能机动的缺点，能有效应用于抢险救灾、后勤支援保障等场合。

附图说明

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的整流电路结构示意图；

图3为本发明实施例一励磁调节器与主发电机、整流电路的连接关系示意图；

图4为本发明实施例二的流程图。

图中：

1-车辆发动机，2-主发电机，3-变速箱，4-辅助发电机，5-整流电路，6-储能单元，7-传感器单元，8-励磁调节器，9-其他用电单元，10-第一断路器，11-第二断路器，12-上级控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例一

一种用于车载储能单元6的快速充电装置，如图1所示，车辆发动机1的发动机轴连接主发电机2的主发电机2轴的一端，主发电机2轴的另一端通过变速箱3连接辅助发电机4；主发电机2的电压输出端通过整流电路5连接储能单元6；传感器单元7采集主发电机2和储能单元6的温度信号，以及整流电路5输出的电压电流信号，并将采集到的信号输出至励磁调节器8；励磁调节器8的两个控制信号输出端分别连接主发电机2和辅助发电机4的控制信号输入端。

主发电机2通过第一断路器10连接整流电路5，辅助发电机4通过第二断路器11连接励磁调节器8和/或其他用电单元9。

传感器单元7包括设置在整流电路5输出端的电压传感器和电流传感器，用于采集整流电路5输出的电压电流信号。

传感器单元7还包括设置在主发电机2的第一温度传感器，用于采集主发电机2的温度信号；传感器单元7还包括设置在储能单元6的第二温度传感器，用于采集储能单元6的温度信号。

第一断路器10和第二断路器11的控制端连接励磁调节器8的控制信号输出端。

励磁调节器8的信号输出端AVR-a连接主发电机2的控制端，AVR-b连接辅助发电机4的控制端，励磁调节器8的信号输入端还连接有上级控制器12的信号输出端。

本实施例中，包括两个第一断路器10Ka和Kb，两个储能单元6，储能单元6a和储能单元6b，包括三个第二断路器11，分别记为Kan、Kbn和Kcn。

车辆发动机1单元采用通用直缸式发动机，由气缸、曲轴和曲柄连杆机构组成，在车辆驻车时，发动机油门控制切换为电子油门控制，有利于稳定发动机转速，从而有助于发电机稳频、稳压。主发电机2为轴带发电机，其通过传动轴分别与车辆发动机1和车辆变速箱3连接。辅助发电机4为轴带发电机，与车辆变速箱3取力轴连接，输出一路三相四线制380V/50HZ电源，电源输出端通连接第二断路器11，第二断路器11Kan、Kbn、Kcn为220VAC交流空气开关。

主发电机2采用2Y接法，包含两套相同输出绕组，两个第二断路器11均为三相交流断路器，主发电机2的两套输出绕组分别通过两个相互独立的三相交流断路器Ka、Kb与整流电路5的输入端连接，主发电机2上的温度传感器将主发电机2的温度信号发送到励磁调节器8，监测电机运行状态。如图2所示，整流电路5包含多个二极管，电阻与电容串联再与二极管并联，快速熔断器串联在主电路中起保护作用，其主电路由四组三相桥式整流构成，两两串联构成一组整流输出，输出电压高，充电功率大，并能同时向两组储能单元6充电。两组整流输出端分别装有电压电流传感器A₁、A₂、V₁、V₂，电压电流反馈信号发送到励磁调节器8进行调节控制。

如图3所示，励磁调节器8对主发电机2进行励磁调节、对辅助发电机4进行励磁调节，励磁调节器8接收传感器检测的电压、电流、温度信号并将其上传至上级控制台，其接收上级控制台发出的充电和停止充电信号，控制发电机励磁输出，稳定输出电压电流，监控发电机温度变化，励磁调节器8还可以根据不同的充电模式进行励磁调节输出。

实施例二

本发明还提供一种用于车载储能单元6的快速充电方法，包括：当励磁调节器8接收到上级控制器12发送的充电信号之后，励磁调节器8获取储能单元6的储能温度值信号，判断储能温度值是否在预设储能温度阈值范围之内，若是，则由励磁调节器8控制第一断路器10闭合，主发电机2对储能单元6进行充电；励磁调节器8获取整流电路5输出的电压电流信号和主发电机温度值信号，判断主发电机温度值是否在预设发电温度阈值范围之内，若是，主发电机2继续对储能单元6进行充电，若否，则励磁调节器8发出信号使主发电机2对储能单元6停止充电；当励磁调节器8接收到上级控制器12发送过来的停止充电信号时，励磁调节器8发出信号使主发电机2对储能单元6停止充电。

主发电机2对储能单元6进行充电，包括：主发电机2依据励磁选择发送过来的充电模式信号对储能单元6进行充电，充电模式包括在驻车模式下进行数档恒流充电模式，以及在行车模式下进行的数档恒功率充电模式。

主发电机2对储能单元6进行充电的过程中：励磁调节器8通过传感器单元7获取整流电路5输出端的电压电流信号值，并判断电压电流信号值是否符合对应充电模式和档位的预设电压电流限值，若电压电流信号值高于预设电压电流限值，则由励磁调节器8降低主发电机2的磁场强度，若电压电流信号值低于预设电压电流限值，则由励磁调节器8增大主发电机2的磁场强度，若电压电流信号值位于预设电压电流限值范围内，则励磁调节器8保持主发电机2的磁场强度不变。

励磁调节器8发出信号使主发电机2对储能单元6停止充电包括：励磁调节器8执行励磁调节算法进行灭磁降压，并发出控制信号断开第一断路器10中断主发电机2对储能单元6的充电过程。

本实施例的车载储能单元6的快速充电装置控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1，当收到充电信号后，首先检测储能单元6的温度、电压是否满足其设定阈值条件当储能单元6a满足阈值条件时，第一断路器10Ka闭合，当储能单元6b满足阈值条件时，第一断路器10Kb闭合。

步骤2，可以选择不同的充电模式，当车辆驻车时，充电模式可以选择模式1、模式2、模式3、模式4；当车辆行驶时，充电模式可以选择模式5、模式6；

模式1：恒流充电，0＜U≤1600V,I＝60A；

模式2：恒流充电，1600V＜U≤1800V,I＝45A；

模式3：恒流充电，1800V＜U≤2000V,I＝40A；

模式4：恒流充电，2000V＜U≤2200V,I＝30A；

当车辆在驻车状态时，设置四组不同充电模式，有利于发动机的平稳运行，依据不同的充电电压和充电时间需求，切换不同的充电电流，充电电流越大，充电时间越短，但较大的充电电流对储能单元6寿命及发动机均有不同程度的影响，需根据不同需求作出权衡；

模式5：恒功率充电，0＜V≤30km/h,P＝20kW；

模式6：恒功率充电，30km/h＜V≤60km/h,P＝10kW；

当车辆在行驶状态时，发动机根据车辆运行速度和行驶充电模式实时调整输出功率；

式中，U为驻车充电电压,I为驻车充电电流；P为行车充电功率，V为车辆行驶速度。

步骤3，发电机开始建压，判断整流电路5输出端电压电流是否符合充电模式，根据输出端电压电流反馈信号，当电压电流超过对应模式的限定值时，励磁调节器8降低主发电机2单元的磁场强度，当电压电流低于对应模式的限定值时，励磁调节器8增大主发电机2单元的磁场强度，从而达到励磁调节的效果。

步骤4，判断发电机温度是否正常，当发电机温度超过警戒温度时，执行励磁调节算法灭磁降压，中断充电过程；当发电机温度在正常范围时，正常充电。

步骤5，判断是否接收到停止充电信号，若未接收到停止充电信号，则继续充电；当接收到停止充电信号，执行励磁调节算法灭磁降压。

步骤6，交流断路器Ka、Kb断开，充电过程结束。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于车载储能单元的快速充电装置，其特征在于：车辆发动机(1)的发动机轴连接主发电机(2)的主发电机(2)轴的一端，所述主发电机(2)轴的另一端通过变速箱(3)连接辅助发电机(4)；所述主发电机(2)的电压输出端通过整流电路(5)连接储能单元(6)；传感器单元(7)采集所述主发电机(2)和所述储能单元(6)的温度信号，以及所述整流电路(5)输出的电压电流信号，并将采集到的信号输出至励磁调节器(8)；所述励磁调节器(8)的两个控制信号输出端分别连接所述主发电机和所述辅助发电机(4)的控制信号输入端；

所述主发电机(2)通过第一断路器(10)连接所述整流电路(5)，所述辅助发电机(4)通过第二断路器(11)连接励磁调节器(8)和/或其他用电单元(9)。

2.根据权利要求1所述的一种用于车载储能单元的快速充电装置，其特征在于：所述传感器单元(7)包括设置在所述整流电路(5)输出端的电压传感器和电流传感器，用于采集所述整流电路(5)输出的电压电流信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于车载储能单元的快速充电装置，其特征在于：所述传感器单元(7)还包括设置在主发电机(2)的第一温度传感器，用于采集所述主发电机(2)的温度信号；所述传感器单元(7)还包括设置在储能单元(6)的第二温度传感器，用于采集所述储能单元(6)的温度信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于车载储能单元的快速充电装置，其特征在于：所述第一断路器(10)和所述第二断路器(11)的控制端连接所述励磁调节器(8)的控制信号输出端。

5.根据权利要求1所述的一种用于车载储能单元的快速充电装置，其特征在于：所述励磁调节器(8)的信号输出端连接所述主发电机(2)和所述辅助发电机(4)的控制端，所述励磁调节器(8)的信号输入端还连接有上级控制器(12)的信号输出端。

6.一种利用如权利要求1所述装置进行的用于车载储能单元的快速充电方法，其特征在于，包括：

当所述励磁调节器(8)接收到上级控制器(12)发送的充电信号之后，所述励磁调节器(8)获取所述储能单元(6)的储能温度值信号，判断所述储能温度值是否在预设储能温度阈值范围之内，若是，则由励磁调节器(8)控制第一断路器(10)闭合，主发电机(2)对所述储能单元(6)进行充电；所述励磁调节器(8)获取所述整流电路(5)输出的电压电流信号和所述主发电机(2)温度值信号，判断所述主发电机(2)温度值是否在预设发电温度阈值范围之内，若是，主发电机(2)继续对储能单元(6)进行充电，若否，则励磁调节器(8)发出信号使主发电机(2)对储能单元(6)停止充电；当所述励磁调节器(8)接收到所述上级控制器(12)发送过来的停止充电信号时，励磁调节器(8)发出信号使主发电机(2)对储能单元(6)停止充电。

7.根据权利要求6所述的一种用于车载储能单元的快速充电方法，其特征在于，所述主发电机(2)对所述储能单元(6)进行充电，包括：

所述主发电机(2)依据所述励磁调节器(8)发送过来的充电模式信号对所述储能单元(6)进行充电，所述充电模式包括在驻车模式下进行数档恒流充电模式，以及在行车模式下进行的数档恒功率充电模式。

8.根据权利要求7所述的一种用于车载储能单元的快速充电方法，其特征在于，所述主发电机(2)对所述储能单元(6)进行充电的过程中：

所述励磁调节器(8)通过传感器单元(7)获取整流电路(5)输出端的电压电流信号值，并判断所述电压电流信号值是否符合对应充电模式和档位的预设电压电流限值，若所述电压电流信号值高于所述预设电压电流限值，则由励磁调节器(8)降低主发电机(2)的磁场强度，若所述电压电流信号值低于所述预设电压电流限值，则由励磁调节器(8)增大主发电机(2)的磁场强度，若所述电压电流信号值位于所述预设电压电流限值范围内，则励磁调节器(8)保持主发电机(2)的磁场强度不变。

9.根据权利要求6所述的一种用于车载储能单元的快速充电方法，其特征在于，所述励磁调节器(8)发出信号使主发电机(2)对储能单元(6)停止充电包括：所述励磁调节器(8)执行励磁调节算法进行灭磁降压，并发出控制信号断开所述第一断路器(10)中断主发电机(2)对储能单元(6)的充电过程。

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