CN204452306U - 一种车载自供电电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种车载自供电电源系统，包括车辆发动机，其特征是：所述车辆发动机连接交流发电机，所述交流发电机连接电气控制装置，所述电气控制装置包括整流滤波逆变单元，所述电气控制装置连接功率补偿单元。本实用新型的输入适应性好，从车辆发动机的怠速到发动机的最高转速系统均能正常工作，即车辆无论处于驻车状态下还是在各种路况行驶状态下均能实现满功率不间断输出，且性能指标不受发动机转速的影响，即输出电压和频率将不会受发动机转速的瞬间变化或持续变化的影响。系统采用加装方式安装在车辆上，不影响车辆的整体状态和性能，假如系统出现问题时车辆还可以正常行驶。

Description

一种车载自供电电源系统

技术领域

本实用新型涉及车载自供电领域，具体地讲，涉及一种车载自供电电源系统。

背景技术

目前，现有的汽车车载电源大多采用汽车本身所带蓄电池或另加所蓄电池做为输入源，然后通过DC/AC逆变器为车载设备提供电能。这种方案存在的主要问题是电能功率受蓄电池容量的限制，所能提供的电能最大功率一般情况下只有1～3kW，而且额定负载时，电能的供电维持的时间也较短，无法为额定负载长时间运行提供充足的电能；另一种方案是使用一台外型尺寸相近的较大功率发电机(功率约为2kW～4kW)替代原有车辆自带的发电机。这种方案中，车辆必需的耗电单元(如车灯、空调、循环水泵、液压油泵等)所消耗的能量，占到了发电机功率的40％以上，剩余的电能无法满足其他车载电子设备的用电需求，特别是随着各种专业车辆(如大型冷藏运输车、军用通讯指挥车等)的日益增多，用电需求问题更加突出。

同时，汽车变速过程中，如果发电机取力器安装在变速箱后端发电机的取力会暂时中断，造成变流控制器输出暂时中断；如果发电机取力是在变速箱前端取力，由于发动机附近零部件较多，空间有限，安装取力器及发电机必然改变整车的原有结构，整车的性能会受到一定的影响。为了解决这一问题，现有的车载电源系统，一般不采用变速箱后端的取力方式，而直接采用变速箱前端取力的方式，并通过采用提高发动机怠速保证发电机的正常输出，解决变流控制器输入暂时中断并停止输出的问题。

现有技术就是在原有车辆自带发电机的位置上，重新安装一台跟原有车辆自带发电机外型尺寸相同的高效大功率的发电机，通过车载自发电系统所用的变流控制器，输出恒压、恒频交流电，来满足专业车辆的作业需求。这种方式依然采用原有车辆自带发电机的安装方式及动力传递方式，受限于此，更换后的发电机，比原有车辆自带发电机功率的增幅有限，大多数情况下不能满足专业车辆的作业需求。此外，现有车载电源技术还需要增加蓄电池等储能器件，不仅占用空间，而且无法长时间持续输出额定功率，无法满足车上相关电子设备对电量的需求，特别是专业车辆需要车载电源的功率很大的情况下。

现有技术中，为提高车载自发电系统的功率而增大发电机的功率，如果发电机取力在变速箱前端，受安装空间的影响，容易导致发电机取力方式和安装位置发生改变，进而引起整车的原有结构和整车性能的改变；而如果发电机取力在变速箱后端，虽然有足够的安装空间，而且不改变原有整车结构，但是存在汽车变速的过程中导致车辆发动机转速低于怠速，使发电机转速急剧下降，从而导致的变流控制器暂时中断并停止输出的问题。

实用新型内容：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种载自供电电源系统，同时具有交流电压和直流电压输出功能，可以充分满足车载设备对电源的需求，能量消耗低、能源利用率高、维护简单、经济性好、不污染环境。

本实用新型采用如下技术手段实现实用新型目的：

一种车载自供电电源系统，包括车辆发动机，其特征是：所述车辆发动机连接交流发电机，所述交流发电机连接电气控制装置，所述电气控制装置包括整流滤波逆变单元，所述电气控制装置连接功率补偿单元。

作为对本技术方案的进一步限定，所述交流发电机包括永磁发电机和电励磁发电机，所述整流滤波逆变单元包括永磁整流滤波逆变电路和电励磁整流滤波逆变电路。

作为对本技术方案的进一步限定，所述永磁整流滤波逆变电路包括三相电压输入端，所述三相电压输入端连接稳压电路，所述稳压电路两端并接有电容C1，所述电容C1连接功率模块IGBTQ1，所述功率模块IGBTQ1连接储能电感L1，所述电容C1和功率模块IGBTQ1输出端连接二极管D7，所述储能电感L1和二极管D7两端并接有功率模块IGBTQ2，所述功率模块IGBTQ2连接有二极管D8，所述二极管D8和功率模块IGBTQ2两端并接有电容C2，所述电容C2两端还连接直流电压输出端V和所述功率补偿单元的输出端ab，所述电容C2两端并接有三相四桥臂电路，所述三相四桥臂电路的零线输出端连接滤波电感L2’,所述三相四桥臂电路的A桥输出端连接滤波电感L3’,所述三相四桥臂电路B桥输出端连接滤波电感L4’,所述三相四桥臂电路的C桥输出端连接滤波电感L5’,所述滤波电感L3’、滤波电感L4’和滤波电感L5’分别通过电容C3’、C4’和C5’连接零线滤波电感L2’,所述滤波电感L3’和电容C3’之间、滤波电感L4’和电容C4’之间、滤波电感L5’和电容C5’之间分别设置有交流电压输出端。

作为对本技术方案的进一步限定，所述电励磁整流滤波逆变电路包括三相电压输入端，所述三相电压输入端连接稳压电路，所述稳压电路两端并接有电容C1和电容C2，所述电容C2两端还连接直流电压输出端V和所述功率补偿单元的输出端ab，所述电容C2两端并接有三相四桥臂电路，所述三相四桥臂电路的零线输出端连接滤波电感L2,所述三相四桥臂电路的A桥输出端连接滤波电感L3,所述三相四桥臂电路B桥输出端连接滤波电感L4,所述三相四桥臂电路的C桥输出端连接滤波电感L5,所述滤波电感L3、滤波电感L4和滤波电感L5分别通过电容C3、C4和C5连接零线滤波电感L2,所述滤波电感L3和电容C3之间、滤波电感L4和电容C4之间、滤波电感L5和电容C5之间分别设置有电压输出端。

作为对本技术方案的进一步限定，所述功率补偿单元包括直流电压输入端、充电检测保护电路和升压稳压电路，所述直流电压输入端连接变阻器R3，所述变阻器R3连接功率模块IGBTQ3,所述功率模块IGBTQ3连接电感L11，所述电感L11连接充电电流检测器N1，所述充电电流检测器N1连接蓄电池正端，所述蓄电池正端通过电感L12连接放电电流检测器N2，所述放电电流检测器N2还连接功率模块IGBTQ4和二极管D2，所述功率模块IGBTQ4和二极管D2两端并接有电容C1,所述二极管D2连接继电器开关K1,所述继电器开关K1通过二极管D5连接功率补偿单元输出端，所述蓄电池正端还通过电阻R5和电阻R4连接运算放大器UIA的负端，所述运算放大器UIA的正端通过变阻器P1接地，所述运算放大器UIA的输出端通过电阻R6连接三极管Q33的基极，所述三极管Q33集电极通过并接的二极管D6和继电器开关K3连接12V电源，所述继电器开关K3连接继电器K1，所述继电器K1与继电器开关K3配合使用。

作为对本技术方案的进一步限定，所述三相电压输入端输入电压为AC100-AC800。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的输入适应性好，从车辆发动机的怠速到发动机的最高转速系统均能正常工作，即车辆无论处于驻车状态下还是在各种路况行驶状态下均能实现满功率不间断输出，且性能指标不受发动机转速的影响，即输出电压和频率将不会受发动机转速的瞬间变化或持续变化的影响。系统采用加装方式安装在车辆上，不影响车辆的整体状态和性能，假如系统出现问题时车辆还可以正常行驶。系统同时具有交流电压和直流电压输出功能，可以充分满足车载设备对电源的需求。保护功能全。车载式自供电系统的发电机具有过热保护，变流控制器具有输出过热、过流、短路、过压、欠压保护等多种保护功能，当系统出现异常情况时，发电机、电源控制器会及时做出调整直至切断输出确保系统安全。能源利用率高。车载式自供电系统是借助于车辆发动机机械输出功率而发电的，因此充分高效利用了发动机的能量。该系统与其他车载发电设备相比能量消耗低、能源利用率高、维护简单、经济性好、不污染环境。

附图说明

图1本实用新型的原理方框图。

图2为本本实用新型的电励磁发电机逆变控制电路图。

图3为本实用新型的永磁发电机控制输出电路图。

图4为本实用新型的功率补偿单元电路结构图。

具体实施方式:

下面结合实施例，进一步说明本实用新型。

参见图1-图4，本实用新型包括车辆发动机，其特征是：所述车辆发动机连接交流发电机，所述交流发电机连接电气控制装置，所述电气控制装置包括整流滤波逆变单元，所述电气控制装置连接功率补偿单元。

所述交流发电机包括永磁发电机和电励磁发电机，所述整流滤波逆变单元包括永磁整流滤波逆变电路和电励磁整流滤波逆变电路。

所述永磁整流滤波逆变电路包括三相电压输入端，所述三相电压输入端连接稳压电路，所述稳压电路两端并接有电容C1，所述电容C1连接功率模块IGBTQ1，所述功率模块IGBTQ1连接储能电感L1，所述电容C1和功率模块IGBTQ1输出端连接二极管D7，所述储能电感L1和二极管D7两端并接有功率模块IGBTQ2，所述功率模块IGBTQ2连接有二极管D8，所述二极管D8和功率模块IGBTQ2两端并接有电容C2，所述电容C2两端还连接直流电压输出端V和所述功率补偿单元的输出端ab，所述电容C2两端并接有三相四桥臂电路，所述三相四桥臂电路的零线输出端连接滤波电感L2’,所述三相四桥臂电路的A桥输出端连接滤波电感L3’,所述三相四桥臂电路B桥输出端连接滤波电感L4’,所述三相四桥臂电路的C桥输出端连接滤波电感L5’,所述滤波电感L3’、滤波电感L4’和滤波电感L5’分别通过电容C3’、C4’和C5’连接零线滤波电感L2’,所述滤波电感L3’和电容C3’之间、滤波电感L4’和电容C4’之间、滤波电感L5’和电容C5’之间分别设置有交流电压输出端。

所述电励磁整流滤波逆变电路包括三相电压输入端，所述三相电压输入端连接稳压电路，所述稳压电路两端并接有电容C1和电容C2，所述电容C2两端还连接直流电压输出端V和所述功率补偿单元的输出端ab，所述电容C2两端并接有三相四桥臂电路，所述三相四桥臂电路的零线输出端连接滤波电感L2,所述三相四桥臂电路的A桥输出端连接滤波电感L3,所述三相四桥臂电路B桥输出端连接滤波电感L4,所述三相四桥臂电路的C桥输出端连接滤波电感L5,所述滤波电感L3、滤波电感L4和滤波电感L5分别通过电容C3、C4和C5连接零线滤波电感L2,所述滤波电感L3和电容C3之间、滤波电感L4和电容C4之间、滤波电感L5和电容C5之间分别设置有电压输出端。

对于电励磁发电机的电气控制部分主要功能是对发电机发出的三相交流电进行整流滤波、DC/AC变换电路，逆变部分则采用三相四桥臂电路结构，在传统的三桥臂结构的基础上增加一个了桥臂，用这个桥臂来构成中线，这样通过增加一个桥臂直接控制中性点电压，这就增加了一个自由度，使得三相四桥臂对逆变电源可以产生三个独立的电压，从而使其有能力在不平衡负载下维持三相电压的对称输出，而中线电感可以改善整体滤波效果，抑制中线电流开关纹波，减小三相输出电压的THD值，该电路结构具有电路形式简单、体积小、重量轻、THD值小、电压利用率高、能够适应不平衡负载等特点。

相对电磁方式永磁发电机的电气控制则复杂一些，增加了发电机输出稳压部分电路，从功能上可以分为两大部分，一个是宽范围DC稳压部分，另一个是逆变部分，其中逆变控制电路与电励磁一样，其主要电路原理如图3所示。

稳压部分的工作原理如下：当输入直流电压低于360V时，稳压电路处于升压模式，三极管Q1(以下简称Q1)完全导通，而三极管Q2(以下简称Q2)则处于PWM调制模式，即Q2的占空比D2根据输入电压幅度进行实时自动调节，其输出与输入电压的公式为：

$V_O=V_{\mathrm{IN}}\×\frac{1}{1-D2}$

其中，L1为储能电感，D7为续流二极管，当Q2导通时,能量通过Q2从直流源输入到电感L1里，这时负载的能量由电容C2来提供，当Q2关断时，电感L1通过续流二极管D7为输出端提供能量，同时直流电源也向输出端提供一部分能量。

当输入直流电压高于360V时，稳压电路处于降压模式，这时Q2完全处于关断状态，Q1处于PWM调制状态，其Q1的占空比D1根据输入电压的幅度进行实时自动调节，其输出与输入电压的公式为：

V_O＝V_IN×D1

其中，L1为储能电感，D8为整流二极管，当Q1导通时，经过整流的直流源经过Q1把能量存入储能电感L1，同时有一部分能量传递给输出端，当Q1关断时，电感L1存储的能量通过二极管D8传递输出端。

通过上述电路分析与相关样机试验说明该电路可以将输入变化范围比较大的电压稳定在其某一合理的值上。系统的直流电压输出，是经过采用模块化的形式将相对稳定的高压直流电压转换成符合车载设备要求的低压直流电压。

所述功率补偿单元包括直流电压输入端、充电检测保护电路和升压稳压电路，所述直流电压输入端连接变阻器R3，所述变阻器R3连接功率模块IGBTQ3,所述功率模块IGBTQ3连接电感L11，所述电感L11连接充电电流检测器N1，所述充电电流检测器N1连接蓄电池正端，所述蓄电池正端通过电感L12连接放电电流检测器N2，所述放电电流检测器N2还连接功率模块IGBTQ4和二极管D2，所述功率模块IGBTQ4和二极管D2两端并接有电容C1,所述二极管D2连接继电器开关K1,所述继电器开关K1通过二极管D5连接功率补偿单元输出端，所述蓄电池正端还通过电阻R5和电阻R4连接运算放大器UIA的负端，所述运算放大器UIA的正端通过变阻器P1接地，所述运算放大器UIA的输出端通过电阻R6连接三极管Q33的基极，所述三极管Q33集电极通过并接的二极管D6和继电器开关K3连接12V电源，所述继电器开关K3连接继电器K1，所述继电器K1与继电器开关K3配合使用。

所述功率补偿单元包括降压充电电路和升压放电电路，降压充电电路采用降压PWM调制波形来控制功率模块IGBTQ3实现，原理与功率模块IGBTQ1的降压原理相同，在此不再赘述，降压充电电路将稳定的直流电压降到DC168V，给储能电池组充电使其始终保持在DC168V状态下，车辆正常行驶状态下实现自我能量的补充。升压放电电路采用升压PWM调制波形来控制功率模块IGBTQ4实现，原理与功率模块IGBTQ2的升压原理相同，在此不再赘述，当车辆发动机转速低于正常怠速时，交流发电机的输出电压会急剧下降，这时升压放电电路就会自动放电保持系统始终能够输出额定功率，实现车载式交/直流自供电源系统不间断持续额定功率输出，满足车辆在特殊状况下如车辆转弯、刹车等能够输出额定功率。

本实用新型的车载自供电方法，包括如下步骤：

(1)车辆发动机做为动力输入源，经过传动装置带动交流发电机进行发电，发电机包括电励磁发电机和永磁发电机；

(2)电气控制单元将电励磁发电机发出的交流电进行整流滤波、逆变的电路变换最终使系统输出符合要求的交流电和直流电；或者电气控制单元将永磁发电机发出的交流电进行整流滤波、稳压、逆变的电路变换最终使系统输出符合要求的交流电和直流电；

(3)车辆正常行驶状态下，补偿单元能够实现自我能量的补充，当车辆发动机转速低于正常怠速时，交流发电机的输出电压会急剧下降，这时功率补偿单元就会自动放电保持系统始终能够输出额定功率。

所述步骤(2)将电气控制单元将永磁发电机发出的交流电进行整流滤波、稳压、逆变的电路变换的具体步骤为：

(2.1)当输入直流电压低于360V时，稳压电路处于升压模式，功率模块Q1(以下简称Q1)完全导通，而功率模块Q2(以下简称Q2)则处于PWM调制模式，即Q2的占空比D2根据输入电压幅度进行实时自动调节，其输出与输入电压的公式为：

$V_O=V_{\mathrm{IN}}\×\frac{1}{1-D2}$

其中，L1为储能电感，D7为续流二极管，当Q2导通时能量通过Q2从直流源输入到电感里，这时负载的能量由电容C2来提供，当Q2关断时，电感通过续流二极管D7为输出端提供能量，同时直流电源也向输出端提供一部分能量。

(2.2)当输入直流电压高于360V时，稳压电路处于降压模式，这时Q2完全处于关断状态，Q1处于PWM调制状态，其Q1的占空比D1根据输入电压的幅度进行实时自动调节，其输出与输入电压的公式为：

V_O＝V_IN×D1

其中，L1为储能电感，D8为整流二极管，当Q1导通时，直流源经过Q1把能量存入储能电感，同时有一部分能量传递给输出端，当Q1关断时，电感存储的能量通过二极管传递输出端。

车辆正常行驶状态下，功率补偿单元将稳定的直流电压降到DC168V，给储能电池组充电使其始终保持在DC168V状态下，当车辆发动机转速低于正常怠速时，交流发电机的输出电压会急剧下降，功率补偿单元将储能电池组的电压进行升压变换，由DC168V升到DC360V或者DC600V，实现本系统不间断持续额定功率输出。

Claims (6)

1.一种车载自供电电源系统，包括车辆发动机，其特征是：所述车辆发动机连接交流发电机，所述交流发电机连接电气控制装置，所述电气控制装置包括整流滤波逆变单元，所述电气控制装置连接功率补偿单元。

2.根据权利要求1所述的车载自供电电源系统，其特征是：所述交流发电机包括永磁发电机和电励磁发电机，所述整流滤波逆变单元包括永磁整流滤波逆变电路和电励磁整流滤波逆变电路。

3.根据权利要求2所述的车载自供电电源系统，其特征是：所述永磁整流滤波逆变电路包括三相电压输入端，所述三相电压输入端连接稳压电路，所述稳压电路两端并接有电容C1，所述电容C1连接功率模块IGBTQ1，所述功率模块IGBTQ1连接储能电感L1，所述电容C1和功率模块IGBTQ1输出端连接二极管D7，所述储能电感L1和二极管D7两端并接有功率模块IGBTQ2，所述功率模块IGBTQ2连接有二极管D8，所述二极管D8和功率模块IGBTQ2两端并接有电容C2，所述电容C2两端还连接直流电压输出端V和所述功率补偿单元的输出端ab，所述电容C2两端并接有三相四桥臂电路，所述三相四桥臂电路的零线输出端连接滤波电感L2’,所述三相四桥臂电路的A桥输出端连接滤波电感L3’,所述三相四桥臂电路B桥输出端连接滤波电感L4’,所述三相四桥臂电路的C桥输出端连接滤波电感L5’,所述滤波电感L3’、滤波电感L4’和滤波电感L5’分别通过电容C3’、C4’和C5’连接零线滤波电感L2’,所述滤波电感L3’和电容C3’之间、滤波电感L4’和电容C4’之间、滤波电感L5’和电容C5’之间分别设置有交流电压输出端。

4.根据权利要求2所述的车载自供电电源系统，其特征是：所述电励磁整流滤波逆变电路包括三相电压输入端，所述三相电压输入端连接稳压电路，所述稳压电路两端并接有电容C1和电容C2，所述电容C2两端还连接直流电压输出端V和所述功率补偿单元的输出端ab，所述电容C2两端并接有三相四桥臂电路，所述三相四桥臂电路的零线输出端连接滤波电感L2,所述三相四桥臂电路的A桥输出端连接滤波电感L3,所述三相四桥臂电路B桥输出端连接滤波电感L4,所述三相四桥臂电路的C桥输出端连接滤波电感L5,所述滤波电感L3、滤波电感L4和滤波电感L5分别通过电容C3、C4和C5连接零线滤波电感L2,所述滤波电感L3和电容C3之间、滤波电感L4和电容C4之间、滤波电感L5和电容C5之间分别设置有电压输出端。

5.根据权利要求2所述的车载自供电电源系统，其特征是：所述功率补偿单元包括直流电压输入端、充电检测保护电路和升压稳压电路，所述直流电压输入端连接变阻器R3，所述变阻器R3连接功率模块IGBTQ3,所述功率模块IGBTQ3连接电感L11，所述电感L11连接充电电流检测器N1，所述充电电流检测器N1连接蓄电池正端，所述蓄电池正端通过电感L12连接放电电流检测器N2，所述放电电流检测器N2还连接功率模块IGBTQ4和二极管D2，所述功率模块IGBTQ4和二极管D2两端并接有电容C1,所述二极管D2连接继电器开关K1,所述继电器开关K1通过二极管D5连接功率补偿单元输出端，所述蓄电池正端还通过电阻R5和电阻R4连接运算放大器UIA的负端，所述运算放大器UIA的正端通过变阻器P1接地，所述运算放大器UIA的输出端通过电阻R6连接三极管Q33的基极，所述三极管Q33集电极通过并接的二极管D6和继电器开关K3连接12V电源，所述继电器开关K3连接继电器K1，所述继电器K1与继电器开关K3配合使用。

6.根据权利要求3所述的车载自供电电源系统，其特征是：所述三相电压输入端输入电压为AC100-AC800。