CN203580675U - 车载液压传动混合能源变频自发电系统 - Google Patents

Abstract

一种车载液压传动混合能源变频自发电系统，液压传动系统的输入端连接到汽车动力输出装置，输出端连接到中频永磁发电机；中频永磁发电机的第一输出端连接到直流充电模块的第一输入端，第二输出端连接到逆变器的第一输入端；太阳能电池板的输出端连接到直流充电模块的第二输入端；直流充电模块的输出端连接到蓄电池组和直流母线，直流母线连接到逆变器的第二输入端；监控模块分别连接到中频永磁发电机、直流充电模块、逆变器、蓄电池组和直流母线。本实用新型可有效实现驻车和行车自发电，并显著提高输出电能质量；采用太阳能电池组成混合发电系统，可有效降低发动机的燃油消耗、排放污染和维护费用，满足绿色环保的要求。

Description

车载液压传动混合能源变频自发电系统

技术领域

本实用新型涉及车载自发电系统技术领域，特别是一种车载液压传动混合能源变频自发电系统。

背景技术

随着在野外移动作业的用电设备对电力的需求越来越大，利用车辆发动机提供动力，并带动发电机转动供电的车载移动自发电系统在供电领域的独特作用日益受到重视，它在工程抢险、石油探测以及军事装备等领域应用日益广泛。

如图1所示，现有车载自发电系统通常采用机械传动的自发电技术，使用取力器或传动轴带动传统励磁发电机发电。当车辆驻车时，自发电系统主要由取力器、传动轴、励磁发电机、速度传感器、调速器等构成。系统通过取力器输出动力，经传动轴带动励磁发电机旋转发电。当负载突变，例如负载突然增大时，将出现发动机转速下降；这时速度传感器检测到此转速变化并输出至调速器，然后由调速器控制增大油门使发动机转速提升至系统设置值。同样当负载突然下降时，将出现发动机转速上升；这时速度传感器检测到此转速变化并输出至调速器，然后由调速器控制减小油门使发动机转速降低至系统设置值。通过这样的控制逻辑，发电系统可保持输出交流电压的幅值和频率稳定，发电质量满足军标II，III级要求。然而当车辆处于行驶状态时，发动机转速在600rpm~2400rpm变化，此时励磁发电机无法输出稳定幅值与频率的交流电压，即无法实现行车发电。因此目前车载自发电系统的应用主要限制在工程、防化、修理等驻车发电应用，而部队在行进、移动中进行的通信、侦查及相关方舱设备需要车辆在行车时持续发电，并提供高质量的电能。这些自发电应用需求巨大，但目前还没有很好的解决方案。另外，由于机械传动系统改装涉及到车辆结构变化，其改装难度大，无法实现多种车型零部件的通用化、系列化、组合化。这造成了部队订货、管理、后勤、维修保障等困难较大。而且改装适用车型受限，其传动轴、电机等安装在底盘上，对于抗腐蚀，抗震的要求极高，并造成了极高的维护成本。由于系统使用的是传统励磁发电机，其体积庞大，难以并联工作，只适用小功率发电。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种车载液压传动混合能源变频自发电系统。

本实用新型的技术方案如下：一种车载液压传动混合能源变频自发电系统，液压传动系统的输入端连接到汽车动力输出装置，输出端连接到中频永磁发电机；中频永磁发电机的第一输出端连接到直流充电模块的第一输入端，第二输出端连接到逆变器的第一输入端；太阳能电池板的输出端连接到直流充电模块的第二输入端；直流充电模块的输出端连接到蓄电池组和直流母线，直流母线连接到逆变器的第二输入端；监控模块分别连接到中频永磁发电机、直流充电模块、逆变器、蓄电池组和直流母线。

其中，所述液压传动系统包括液压泵和液压马达，液压泵的输入端构成液压传动系统的输入端，液压泵的输出端连接到液压马达的输入端，液压马达的输出端构成液压传动系统的输入端；还包括液压控制系统，其输入端连接到液压马达，输出端连接到液压泵。所述汽车动力输出装置为汽车发动机或取力器。

进一步地，所述太阳能电池板为4×250W的太阳能电池板，所述逆变器为功率15KW的220V交流电压单相逆变器或380V交流电压三相逆变器。

本实用新型的有益效果是，可有效实现汽车在驻车和行车自发电，并显著提高输出电能质量，提高系统可靠性及通用性；当用电设备用电量加大时，可通过多机并联增大输出功率。由于液压传动系统安装灵活，不需对底盘进行改装，这也大大降低了其系统成本及安装难度，可满足军用及民用的各种应用需求。由于系统采用太阳能电池组成混合发电系统，可有效降低发动机的燃油消耗、排放污染和维护费用，满足绿色环保的要求。

附图说明

图1是现有技术中采用机械传动的车载自发电系统的系统结构图。

图2是本实用新型的系统结构图。

图3是液压传动系统的结构及与汽车部件的连接关系示意图。

图4是本实用新型中220V交流电压单相逆变器电路原理图。

图5是本实用新型中380V交流电压三相逆变器电路原理图。

具体实施方式

如图2所示，液压传动系统的输入端连接到汽车动力输出装置，输出端连接到中频永磁发电机；中频永磁发电机的第一输出端连接到直流充电模块的第一输入端，第二输出端连接到逆变器的第一输入端；太阳能电池板的输出端连接到直流充电模块的第二输入端；直流充电模块的输出端连接到蓄电池组和直流母线，直流母线连接到逆变器的第二输入端；监控模块分别连接到中频永磁发电机、直流充电模块、逆变器、蓄电池组和直流母线。图3示出了液压传动系统的结构及与汽车部件的连接关系。液压传动系统包括液压泵和液压马达，液压泵的输入端构成液压传动系统的输入端，液压泵的输出端连接到液压马达的输入端，液压马达的输出端构成液压传动系统的输入端；还包括液压控制系统，其输入端连接到液压马达，输出端连接到液压泵。汽车动力输出装置为汽车发动机或取力器。太阳能电池板为4×250W的太阳能电池板，逆变器为功率15KW的220V交流电压单相逆变器或380V交流电压三相逆变器。CN201210321056.8及CN201230421715.6公开了中频永磁发电机。

当车辆处于驻车或匀速行驶状态时，由汽车动力输出装置驱动液压传动系统，液压传动系统驱动动中频永磁交流发电机旋转发电。由于中频永磁交流发电机的输出电压为400Hz左右的中频电压，此交流电压对很多用电设备而言无法直接使用。故此电压经逆变器通过交-直-交变换，将此中频交流电压变换为50Hz的220V/380V工频交流电压供用电设备使用。汽车动力输出装置可以使用汽车发动机飞轮壳或风扇皮带轮，或者使用其它专用取力器。液压传动系统包括液压泵和液压马达，汽车动力输出装置驱动液压泵带动高速液压马达转动在设定转速，再由液压马达驱动中频永磁发电机。

由于液压传动系统不需额外增加传动轴，其液压泵和液压马达体积较小，在车身安装位置灵活。因此本液压系统可以适用于不同的车型，可较易实现相关零部件的通用化、系列化、组合化，降低部队的后勤、维修保障成本，并最终提升整个系统的可靠性和平均故障时间，对提升我军战斗力有重要意义。

当车辆处于行驶状态且车速变化剧烈时，液压控制系统将通过控制液压泵的压力使液压马达的转速尽可能稳定在设定转速附近。通常，液压传动系统可通过PID控制及其它控制方式，在行车时始终维持液压马达输出转速的近似恒定。但由于控制误差的存在，液压马达的转速将出现一定程度的偏差，此时发电机输出电压的幅值和频率也将出现较大变化。实际工作中，车辆行驶时发动机转速变化剧烈，其转速在600rpm~2400rpm一个较大变化的范围内波动。液压控制系统常常只能稳定液压马达的转速在一定范围内，如2500±100rpm。这将使得励磁发电机输出电压和频率产生一定的波动，并引起供电质量的下降。此外系统的动态响应较差，当负载突变时，无法满足国军标2级、3级的要求。如果采用非常精准的液压调速控制系统，其系统成本将大大上升，其体积重量也将大幅增大。这也是目前液压传动方案在车载自发电系统中没有得到应用的主要原因。在本方案中，我们通过在中频永磁发电机后增加大功率逆变器来解决这个难题。由于逆变器首先将输入的交流电压整流为直流，然后再逆变为工频交流电压，即其可输入近乎任意频率和一定幅值波动范围的交流电压。故发动机转速变化，及其所引起的液压马达转速及发电机输出电压的频率变化，不会引起逆变器输出电压的任何变化。最终，自发电系统将始终输出稳定的工频电压。由于逆变器工作在高频开关状态，在负载突变时其输出电压的瞬态响应较快，输出电压的失真度较低。因此相比传统励磁发电机而言，逆变器的输出电能质量有很大提高。另外，由于逆变器并联技术成熟、可靠，在需要更大功率输出时，可将多台车辆的逆变器并联，构建小型电网输出。

如图4、图5所示，分别为输出单相220V和三相380V的逆变电路。采用逆变器输出的交流电压，不随发动机转速变化而波动，电压精度高，瞬态响应好，输出电能质量高，系统效率高、可靠性强，满足国家军标2级、3级电源的要求。

本实用新型配合太阳能电池时的工作原理为：在白天的有效日光照射下，太阳能电池板发电并通过直流充电模块为蓄电池组和直流母线供电。直流母线电压通过逆变器输出交流电压供交流负载使用，或由直流母线直接输出直流供电直流负载。当负载较小如空载或小于5%满载时，汽车发动机不启动，仅由太阳能电池供电。当负载增大超过太阳能供应的电量，但电池电量充足时，汽车发动机不启动，由太阳能及蓄电池能量为负载供电。当电池电量下降至系统预设值，监控模块提示电池需充电，此时启动汽车发动机工作。汽车发动机启动后即进入满载状态，带动中频永磁发电机旋转发电。中频永磁发电机的输出电压经直流充电模块变换为直流后一方面为蓄电池充电，一方面由逆变器输出为交流负载供电。即此时发电机的满载输出功率及太阳能发电功率由两部分负载分担构成:负载功率和蓄电池充电功率。当蓄电池充满电量后，汽车发动机停机，继续由太阳能及蓄电池组供电。系统如此循环工作，汽车发动机始终处于满载、间歇工作状态。当夜间无阳光照射下，系统工作状态相仿，不同之处在于没有太阳能功率输出。任意多台混合能源模块的直流及交流输出端可以并联以输出更大功率。

使汽车发动机间歇、满载工作的原因在于：1、汽车发动机满载工作下，燃油充分燃烧、其系统效率最高、燃油消耗率最小，单位功率输出下，排放最小。举例而言，常用的1KW电机满载燃油消耗为420g/KW小时，但轻载如10%负载下，其耗油量上升为满载的3.8倍达约160g/KW小时。因此保证汽车发动机始终处于满载输出状态下，始终处于最高效率状态，燃油消耗最少，且系统排放最少、绿色环保。2、发动机长期的轻载运行，可导致喷油嘴、火花塞的积碳并引起发动机寿命的缩短。而间歇式的满载运行，除了可以使得发动机充分燃烧，避免积碳现象外，还可有效降低发动机温度，保障汽车发动机长时间可靠运行。提高汽车发动机运行的平均无故障时间，降低后勤保障的压力。3、当存在紧急状态，为减轻系统体积、重量，可取消太阳能板及蓄电池组时（此时系统重量降低为约15Kg），系统控制汽车发动机仍然工作于变频状态。即负载满载时，汽车发动机工作在最高转速以输出满载功率；当负载较轻时，汽车发动机变频降速工作以降低油耗；当系统空载时，发动机怠速工作时系统油耗降为最低。

使用蓄电池组的原因在于：1、如前所述，使发动机始终工作在满载状态，降低油耗。2、本系统选用高效的动力电池（>160Wh/kg）,5Kg电池可提供800Wh以上电量。3、使太阳能供电系统可以存储能量，为系统提供应急能源。4、在野战的紧急状态下，可在一定时间内关闭发动机，由蓄电池供电，以保持部队的红外辐射静默和噪音静默，提高我军电子对抗的能力。

综上所述，针对传统自发电方案只能驻车发电，且系统可靠性差，能耗高、效率低的缺点，车载液压传动混合能源变频自发电系统设计采用了高效节能、体积重量小的中频永磁发电机和液压传动系统，结合了先进的单/三相逆变电路，使得车辆行车时发动机在600~ 2400rpm的全转速范围内，自发电系统都可以输出高质量的交流电压。可满足部队野外作战对高性能、高可靠性、高效率供电系统的要求，满足国家对节能、绿色、环保供电系统的要求。针对部队中大功率发电系统的需求，中频永磁发电机仅重21公斤，15KW逆变器重约30公斤，合重约50公斤；相比传统15KW工频励磁发电机动辄120Kg的巨大重量，本方案体积小、重量轻、效率高。

相对传统方案，本实用新型可有效实现车载驻车和行车自发电，并显著提高输出电能质量，提高系统可靠性及通用性；当用电设备用电量加大时，可通过多机并联增大输出功率。由于液压传动系统安装灵活，不需对底盘进行改装，这也大大降低了其系统成本及安装难度，可满足军用及民用的各种应用需求。本液压传动自发电系统的应用易用实现产品的归一化、标准化、系列化、制式化，可满足我军后勤野营供电和不同专业兵种（总参军训和兵种部、总装陆装科订局、通讯装备保障部和空军装备部）用电的需求，降低后勤保障的难度

当加装了混合能源工作部件后，系统可进一步降低燃油消耗，提高系统效率，运行维护费用更加节省，使得燃料和维护保养方面大幅减少了保障能力。当关闭发动机后，系统由蓄电池组和太阳能供电，其红外辐射和噪声可大幅下降接近于零，实行红外静默和噪音静默。

另外多个车载自发电单元可并联形成较大的供电网络，在野战中不怕个别损坏或敌袭造成的破坏；车载自发电系统机动性强，可迅速灵活的移动到新的作战位置，将各模块重新组合形成供电系统并及时为用电设备供电。

因此，本方案可有效降低发动机的燃油消耗、排放污染和维护费用，满足绿色环保的要求，并可大大提高军队作战能力，具备较高的军事价值、经济效益及重要的战略意义。

Claims (5)

1.一种车载液压传动混合能源变频自发电系统，其特征在于，液压传动系统的输入端连接到汽车动力输出装置，输出端连接到中频永磁发电机；中频永磁发电机的第一输出端连接到直流充电模块的第一输入端，第二输出端连接到逆变器的第一输入端；太阳能电池板的输出端连接到直流充电模块的第二输入端；直流充电模块的输出端连接到蓄电池组和直流母线，直流母线连接到逆变器的第二输入端；监控模块分别连接到中频永磁发电机、直流充电模块、逆变器、蓄电池组和直流母线。

2.根据权利要求1所述的车载液压传动混合能源变频自发电系统，其特征在于，所述液压传动系统包括液压泵和液压马达，液压泵的输入端构成液压传动系统的输入端，液压泵的输出端连接到液压马达的输入端，液压马达的输出端构成液压传动系统的输入端；还包括液压控制系统，其输入端连接到液压马达，输出端连接到液压泵。

3.根据权利要求1所述的车载液压传动混合能源变频自发电系统，其特征在于，所述汽车动力输出装置为汽车发动机。

4.根据权利要求1所述的车载液压传动混合能源变频自发电系统，其特征在于，所述汽车动力输出装置为取力器。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种车载液压传动混合能源变频自发电系统，其特征在于，所述太阳能电池板为4×250W的太阳能电池板，所述逆变器为功率15KW的220V交流电压单相逆变器或380V交流电压三相逆变器。

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