CN216872920U - 一种小型油电混合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型油电混合发电系统，其包括备用电池、母线接口、充电模块、中央控制器和至少一组发电单元；发电单元包括发电机、发动机和启发一体电子调速器，发动机设有油门舵机，发电机与发动机同轴连接，启发一体电子调速器的三相电机连接端与发电机电性连接，启发一体电子调速器的直流连接端通过充电模块与备用电池电性连接，启发一体电子调速器的直流连接端和备用电池的电源输出端均通过母线与母线接口连接；中央控制器分别与备用电池、充电模块、启发一体电子调速器和油门舵机连接通信。本实用新型的集成度更高，更可靠。

Description

一种小型油电混合发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种小型油电混合发电系统。

背景技术

对于类似多轴无人机这种对体积和重量有较高要求的中小功率移动设备，一般采用锂电池做能源供给，而电池的能量密度较低，一般续航时间只在半个小时左右。所以出现了以小型油电混合发电系统的方案，靠燃油(或乙醇)发动机带动发电机，然后通过整流电路输出所需电压，提供整机工作。采用油电混合方案的多轴无人机，续航时间可以提高到3～5个小时，满足大部分行业需求。

传统的油电混合发电系统采用多个控制和功率模块，彼此独立工作，系统集成度不高。比如启动发动机的时候需要电调(电子调速器)驱动发电机带动发动机启动，在发动机启动后，带动发电机进入发电阶段时，采用整流电路做整流，而且整流电路一般采用二极管整流，功耗较大，发电效率较低，如图3所示为现有的设置有整流电路的电路图。

可见，对于电调和整流电路模块，现有的小型油电混动方案一般是电机启动电调和发电阶段的二极管整流模块分开。然而，电调本身是具备整流功能的，如果能把电调复用做整流模块并且实现同步整流，那就可以把单独的二极管整流模块去掉，节省了体积和成本，同时还可以提高整流效率。

另外，各个模块之间需要做统一控制和管理，这样也方便扩展多个发动机并联，提高功率等级。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种小型油电混合发电系统，其集成度更高，更可靠。

解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种小型油电混合发电系统，其包括备用电池、母线接口和充电模块，其特征在于：包括中央控制器和至少一组发电单元；发电单元包括发电机、发动机和启发一体电子调速器，发动机设有用于控制其油门开度的油门舵机，发电机与发动机同轴连接，启发一体电子调速器的三相电机连接端与发电机电性连接，启发一体电子调速器的直流连接端通过充电模块与备用电池电性连接，启发一体电子调速器的直流连接端和备用电池的电源输出端均通过母线与母线接口连接；启发一体电子调速器的直流连接端输入的电流经其逆变为三相电从三相电机连接端输出，启发一体电子调速器的三相电机连接端输入的电流经其整流为直流电从直流连接端输出；中央控制器分别与备用电池、充电模块、启发一体电子调速器和油门舵机连接通信。

进一步的，小型油电混合发电系统还包括二极管电路，备用电池的电源输出端通过二极管电路后与母线连接。

进一步的，小型油电混合发电系统还包括用于与外部设备连接通信的通信接口，通信接口与中央控制器的通信端电性连接。

进一步的，备用电池中设有BMS模块，BMS模块与中央控制器连接通信。

进一步的，小型油电混合发电系统还包括显示模块，显示模块与中央控制器连接通信。

进一步的，小型油电混合发电系统还包括启动开关，启动开关与中央控制器的开关信号接收端电性连接。

启发一体电子调速器的一个优选的技术方案为：启发一体电子调速器包括MCU、门极驱动模块、电压采样电路、电流采样电路和同时用作逆变及整流的三相全桥电路，MCU通过门极驱动模块与三相全桥电路的控制端连接，三相全桥电路的一端为三相电机连接端、另一端为直流连接端，三相电机连接端输入的电压经三相全桥电路整流后由母线接口输出，电压采样电路和电流采样电路分别采样三相全桥电路的三相电机连接端输入的电压和电流信息，电压采样电路和电流采样电路的信号输出端分别与MCU连接。

进一步的，启发一体电子调速器还包括降压电源电路，降压电源电路的电源输入端与母线接口电性连接，降压电源电路用于将电压降压后输出。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型的启动及发电模块设置启发一体电子调速器做功率变换，即从启发一体电子调速器的直流连接端输入的电流能经其逆变为三相电从三相电机连接端输出，从启发一体电子调速器的三相电机连接端输入的电流能经其整流为直流电从直流连接端输出，不需要单独再设置整流电路模块，从而使得整体集成度更高，更可靠。

本实用新型为了让各个模块集中控制和管理，采用了中央控制器连接备用电池、充电模块、启发一体电子调速器和油门舵机，能实现对整个系统的工作状态的统一控制和监控，方便并联多组发电单元，也容易实现让每组发电单元输出电流均衡，让系统工作更加可靠和完备。

2、相较于传统方案，本实用新型可以让系统集成度更高，减少体积重量和成本，采用启发一体电子调速器作启动和发电整流，降低了损耗、提高了效率。采用中央控制器，可以让各个模块协同工作，降低故障率，同时在不改变每个模块参数的前提下，可以快速使用多台发电单元并联来提升输出功率，应用更加广泛。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理示意图；

图2是本实用新型的小型油电混合发电系的启发一体电子调速器的电路原理示意图；

图3是现有的设置有整流电路的油电混合发电系统的电路原理简图。

图中附图标记含义：

1-母线；31-开关管；32-开关管的控制端；33-滤波电容；34-降压电源电路的电源输入端；35-直流连接端；36-母线接口的输出端；37-三相电机连接端；38-三相全桥电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进一步描述。

如图1所示为本实施例的小型油电混合发电系统，其包括备用电池、母线接口、充电模块、中央控制器、二极管电路、通信接口和至少一组发电单元，发电单元的数量可以根据需求的输出功率进行设定，本实施例的图中示意了两组发电单元，为发电单元1和发电单元2。

其中，发电单元包括发电机、发动机和启发一体电子调速器，发动机设有油门舵机，油门舵机与发动机配合连接，用于控制发动机油门开度，发电机与发动机同轴连接，发电机可带动发动机转动启动，发动机也可以带动发电机转动发电。启发一体电子调速器的三相电机连接端37与发电机电性连接，启发一体电子调速器的直流连接端35通过充电模块与备用电池电性连接，从而能为备用电池充电，只有在发电机发电阶段，并且备用电池需要充电的时候，充电模块才被允许工作，启发一体电子调速器的直流连接端35通过母线1与母线接口连接，从而能将发电机产出的经启发一体电子调速器整流后的直流电输出至充电模块和母线接口。

备用电池的电源输出端通过二极管电路后与母线连接，使得备用电池的电源输出端可以输出电源至母线接口和启发一体电子调速器的直流连接端，从而使得备用电池能为外部设备供电，和为启发一体电子调速器的启动阶段供电。二极管电路可以防止发电单元输出电压直接倒灌到备用电池，形成大电流损坏器件。

在启动阶段，从启发一体电子调速器的直流连接端输入35的电流经其逆变为三相电从三相电机连接端37输出，从而能在启动阶段驱动发电机转动，以带动发动机启动；在发电机发电时，从启发一体电子调速器的三相电机连接端37输入的电流经其整流为直流电从直流连接端35输出。

本实施例的备用电池中设有BMS模块，中央控制器分别与BMS模块、充电模块、启发一体电子调速器和油门舵机连接通信，通信接口与中央控制器的通信端电性连接，通信接口用于与外部设备连接通信。

具体为：中央控制器通过通信总线1连接对外的通信接口，实现对外设备通信；通过通信总线2连接备用电池的BMS模块，以及连接充电模块，获取电池状态信息，以及控制充电模块工作；通过通信总线3连接启发一体电子调速器，控制发电单元的启动和发电整流，以及获取发电单元的状态信息。中央控制器输出PWM信号控制发动机的油门舵机，控制发动机油门开度，实时调节发动机转速，让发电单元输出平稳的电压和电流。

其中，小型油电混合发电系统还可设置显示模块，显示模块与中央控制器连接通信，用于显示状态信息，显示模块可以是LED或者LCD显示模块。

小型油电混合发电系统还可设置启动开关，启动开关与中央控制器的开关信号接收端电性连接，用于一键启动小型油电混合发电系统。小型油电混合发电系统整体通过母线连接母线接口，母线接口用于与外部设备的电源端连接，实现对外供电。

更具体的方案为：中央控制器主要由微控制器MCU组成，其通信总线1、2、3可以是CAN/RS485/UART/I2C等通信类型，中央控制器可以独立做成一个模块，通过连接器引出信号线。

备用电池可以是智能电池，通过BMS模块与中央控制器通信，提供电池信息，中央控制器决定充电模块是否对电池进行充电。其中，充电模块和二极管电路可以组成一个模块，二极管电路可以是理想二极管电路，以便降低功耗。

本小型油电混合发电系统可以设置一组发电单元，也可以是设置两组或者两组以上发电单元并联，本小型油电混合发电系统输出功率范围涵盖5KW～30KW。

本实施例的小型油电混合发电系统的使用过程为：在启动时，备用电池提供直流电给启发一体电子调速器，经启发一体电子调速器逆变为三相电，从三相电机连接端输出至发电机，发电机转动，同时带动发动机启动，在发动机启动后，反回来带动发电机转动发电，发电机产生的电流从三相电机连接端输入至启发一体电子调速器经启发一体电子调速整流变为直流电输出，输出的直流电可以通过充电模块为备用电池充电，也可以从母线接口输出。

其中，启发一体电子调速器的具体结构可以为：

启发一体电子调速器包括MCU、门极驱动模块、降压电源电路、电压采样电路、电流采样电路和三相全桥电路38，其中，三相全桥电路38同时用作逆变及整流。

MCU通过门极驱动模块与三相全桥电路38的控制端连接，MCU通过门极驱动模块驱动三相全桥电路38，从而驱动三相全桥电路38动作，以实现逆变及整流。三相全桥电路38的三相电机连接端37与发电机连接，三相全桥电路38的直流连接端35和降压电源电路的电源输入端34均与母线接口的输出端36连接，母线接口的输出端36通过滤波电容33与地连接，实现滤波。

降压电源电路从母线获取电压电流，其包含多路电源转换器，用于将输入的电压进行降压，输出多个不同大小电压，为电调内部电路提供电源。如图2所示，降压电源电路输出3.3V、5V、12V三个电压。

电压采样电路和电流采样电路分别采样三相全桥电路38的三相电机连接端输入的电压和电流信息，电压采样电路和电流采样电路的信号输出端分别与MCU连接。本实施例包括三个电流采样电路和三个电压采样电路，三个电流采样电路分别采样三相全桥电路的三相电流，三个电压采样电路分别采样三相全桥电路的三相电压。电压采样电路和电流采样电路作为启动阶段和发电阶段的电机同步信号采样。

在图2中，只示意出了一个电压采样电路和一个电流采样电路。本实施例的三相全桥电路包括六组开关管31，六组开关管31的控制端32分别与门极驱动模块的六个驱动端连接。六组开关管31两两连接，三相全桥电路38的三相电机连接端37的三相分别与两组开关管之间的连接端连接，两两连接后的源极分别通过电阻R1、R2、R3后接地，两两连接后的漏极均与三相全桥电路的直流连接端连接。图2中所示，其中一个电流采样电路的两个采样连接端分别与电阻R1的两端连接，未示意出的另外两个电流采样电路的采样连接端分别与电阻R2、R3的两端连接。电压采样电路包括电阻R4和电阻R5，电阻R4和电阻R5相互串联，三相全桥电路的三相电机连接端的其中一相通过电阻R4和电阻R5的串联电路后接地，电阻R4和电阻R5之间的连接点作为信号输出端与MCU连接。未示意出的另外两个电压采样电路，均通过同样的电路采样另外的两相。

为了与外部连接通信，本启发一体电子调速器还设置接口电路和信号接口，MCU通过接口电路与信号接口连接。接口电路作为通信总线的转换器，提供例如CAN、RS485、PWM等对外通信信号，连接信号接口。

启发一体电子调速器的工作过程为：

1、启动时，引用外部电源从母线接口输入，为电子调速器供电，电子调速器通过三相全桥电路38的逆变，来输出电流使发电机转动，进而启动发动机。当发动机工作后，达到某个转速时，关断电子调速器的三相全桥电路38；

2、当发电机转速达到可以发电的状态时，电子调速器的MCU通过电压采样电路、电流采样电路采样的电压和电流数据，计算发电机输出电压相位，然后同步驱动三相全桥电路38的开关管，来实现同步整流功能，整流后通过滤波电容33进行滤波，得到直流电压输出给母线，进而输出至母线接口对外供电。

其中，电子调速器驱动发电机转动可采用无感FOC算法，具有高启动转矩的优点，带动发动机启动更加容易。开关管一般采用大功率MOSFET、SIC、GaN或者IGBT，每组开关管采用单管或者多管并联方式，发电输出可以做到100A～300A，电压输出50V～120V。电流采样电路作为同步检测的核心，可以采用开关管接地端电流采样，或者电机线电流采样。电子调速器的外壳可采用铝合金材料，散热可以做强制风冷或者水冷的方式，可以有效提高发电输出电流能力。

本实用新型的上述实施例并不是对本实用新型保护范围的限定，本实用新型的实施方式不限于此，凡此种种根据本实用新型的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，对本实用新型上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型油电混合发电系统，其包括备用电池、母线接口和充电模块，其特征在于：包括中央控制器和至少一组发电单元；所述发电单元包括发电机、发动机和启发一体电子调速器，所述发动机设有用于控制其油门开度的油门舵机，所述发电机与发动机同轴连接，所述启发一体电子调速器的三相电机连接端与所述发电机电性连接，所述启发一体电子调速器的直流连接端通过所述充电模块与所述备用电池电性连接，所述启发一体电子调速器的直流连接端和所述备用电池的电源输出端均通过母线与所述母线接口连接；所述启发一体电子调速器的直流连接端输入的电流经其逆变为三相电从所述三相电机连接端输出，所述启发一体电子调速器的三相电机连接端输入的电流经其整流为直流电从所述直流连接端输出；所述中央控制器分别与所述备用电池、充电模块、启发一体电子调速器和油门舵机连接通信。

2.根据权利要求1所述的小型油电混合发电系统，其特征在于：所述小型油电混合发电系统还包括二极管电路，所述备用电池的电源输出端通过所述二极管电路后与所述母线连接。

3.根据权利要求1所述的小型油电混合发电系统，其特征在于：所述小型油电混合发电系统还包括用于与外部设备连接通信的通信接口，所述通信接口与所述中央控制器的通信端电性连接。

4.根据权利要求1所述的小型油电混合发电系统，其特征在于：所述备用电池中设有BMS模块，所述BMS模块与所述中央控制器连接通信。

5.根据权利要求1所述的小型油电混合发电系统，其特征在于：所述小型油电混合发电系统还包括显示模块，所述显示模块与所述中央控制器连接通信。

6.根据权利要求1所述的小型油电混合发电系统，其特征在于：所述小型油电混合发电系统还包括启动开关，所述启动开关与所述中央控制器的开关信号接收端电性连接。

7.根据权利要求1所述的小型油电混合发电系统，其特征在于：所述启发一体电子调速器包括MCU、门极驱动模块、电压采样电路、电流采样电路和同时用作逆变及整流的三相全桥电路，所述MCU通过所述门极驱动模块与所述三相全桥电路的控制端连接，所述三相全桥电路的一端为所述三相电机连接端、另一端为所述直流连接端，所述三相电机连接端输入的电压经所述三相全桥电路整流后由所述母线接口输出，所述电压采样电路和电流采样电路分别采样所述三相全桥电路的三相电机连接端输入的电压和电流信息，所述电压采样电路和电流采样电路的信号输出端分别与所述MCU连接。

8.根据权利要求7所述的小型油电混合发电系统，其特征在于：所述启发一体电子调速器还包括降压电源电路，所述降压电源电路的电源输入端与所述母线接口电性连接，所述降压电源电路用于将电压降压后输出。

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