一種車載自發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要

夏夢(mèng)雷，周文君

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

特種車輛的車載發(fā)電系統(tǒng)需要滿足在野外復(fù)雜環(huán)境下的使用需求，確保大電流、長時(shí)間工況下的可靠性、穩(wěn)定性。近年來，隨著車載電子設(shè)備的輕量化、小型化程度的提升，對(duì)車載發(fā)電系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。

傳統(tǒng)特種車輛采用柴油發(fā)電機(jī)作為車載發(fā)電手段，雖然具有功率大、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但是因油耗高、噪聲大、設(shè)備重、野外裝卸不便，產(chǎn)生了很多使用過程中的問題。近年來，車載自發(fā)電技術(shù)日益受到重視。車載自發(fā)電也稱車載取力發(fā)電，是一種利用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的車載發(fā)電技術(shù)。車載自發(fā)電系統(tǒng)主要包括汽車底盤、取力傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速與控制系統(tǒng)以及輸出單元等，能夠以底盤發(fā)動(dòng)機(jī)為原動(dòng)力向用電設(shè)備提供所需的電能。

車載自發(fā)電具有功耗低、噪聲小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)行駛或駐車過程中的穩(wěn)定交流輸出。與柴油發(fā)電機(jī)相比，車載自發(fā)電系統(tǒng)可以直接使用，無須開設(shè)撤收，在野外或行進(jìn)過程中電力供應(yīng)充分，可以保障多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。目前，車載自發(fā)電系統(tǒng)已在車載電站、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，具有很大的發(fā)展?jié)摿1-3]。

1 自發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)某型特種車輛的使用需要，設(shè)計(jì)了一種全新的車載自發(fā)電系統(tǒng)。為保障上裝電子設(shè)備的穩(wěn)定工作，對(duì)該自發(fā)電系統(tǒng)提出了如下性能要求：1)具有不間斷供電能力，保證行進(jìn)中平穩(wěn)供電；2)具有兩路輸出，供電連續(xù)性好；3)可對(duì)輸入電壓/電流、輸出電壓/電流、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控；4)具有過流保護(hù)功能[4]。

新研的自發(fā)電系統(tǒng)由勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、監(jiān)控模塊、電源轉(zhuǎn)換器、結(jié)構(gòu)安裝附件、連接電纜等組成。為了充分確保上述功能的實(shí)現(xiàn)，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)應(yīng)保證可以安裝在此型特種車輛的底盤上，通過底盤發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行取力發(fā)電。該自發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出指標(biāo)如下：1)駐車狀態(tài)額定功率：6 kW×2；2)行車狀態(tài)額定功率：6 kW×2；3)輸出電壓：標(biāo)稱220 V，范圍為197～243 V；4)輸出頻率：50 Hz±2 Hz。

自發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 自發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能指標(biāo)

2 發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)

勵(lì)磁發(fā)電機(jī)安裝在車載底盤上，其外型結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過汽車底盤蓄電池為控制電路供電，產(chǎn)生勵(lì)磁電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組件的線圈繞組旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其磁力線切割定子組件線圈繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電流，將其機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。

圖1 發(fā)電機(jī)工作原理簡圖

皮帶輪是發(fā)電機(jī)的動(dòng)能輸入組件，動(dòng)力輸出主動(dòng)皮帶輪與發(fā)電機(jī)上從動(dòng)皮帶輪、皮帶組成發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力輸入組件。發(fā)電機(jī)端蓋包括前端蓋、后端蓋和防護(hù)罩，是發(fā)電機(jī)組的外殼，起到對(duì)定子組件和傳動(dòng)軸軸承的固定作用，并提供發(fā)電機(jī)的安裝接口。定子組件和轉(zhuǎn)子組件共同組成發(fā)電機(jī)的發(fā)電部件，主動(dòng)輪通過皮帶帶動(dòng)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能輸出[5]。

本方案選用DK7000型三相交流發(fā)電機(jī)，絕緣等級(jí)為H級(jí)，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)在實(shí)際使用時(shí)轉(zhuǎn)速變化很大，因此發(fā)電機(jī)特別采用了棘爪式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。合理選用電磁參數(shù)及高性能的定子磁鋼材料。該系統(tǒng)選用的鐵芯硅鋼材料為DW270牌號(hào)，最小磁感密度Bs為1.68 T，最大鐵損為8 W/kg，達(dá)到高磁密、低損耗的設(shè)計(jì)效果；同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化定子鐵芯槽型，提高定子鐵芯槽滿率達(dá)到81%，有效降低銅損，從而提高發(fā)電機(jī)的效率，保證了發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速情況下輸出電壓的穩(wěn)定性。

3 電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

電源轉(zhuǎn)換器是將直流電源轉(zhuǎn)化為交流輸出的電源設(shè)備。電源轉(zhuǎn)換器把發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率和電壓波動(dòng)較大的三相電壓經(jīng)過三相整流控制單元進(jìn)行整流，并經(jīng)過電容濾波，使之成為脈動(dòng)很小的直流電壓。

電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)模式有多種，本產(chǎn)品采用單相橋式逆變電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。逆變器主電路開關(guān)管采用高頻場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET(FDA59N30)。由于采用高頻開關(guān)逆變電路，相較于普通的工頻變壓器逆變電源，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)電路簡單、系統(tǒng)效率高、體積小、重量輕的特點(diǎn)。原理框圖如圖2所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換器原理框圖

DC 72 V經(jīng)過PWM控制逆變升壓電路，電壓升到約AC 270 V/20 kHz交流高頻電壓，再經(jīng)過整流濾波電路得到直流DC 380 V左右高頻電壓，380 V電壓經(jīng)過二級(jí)SPWM控制降頻、電壓、電流檢測(cè)控制電路降壓、穩(wěn)壓及LC濾波電路，得到AC 230 V/50 Hz純正弦波電壓。

前級(jí)拓?fù)渖龎弘娐凡捎猛仆祀娐吩O(shè)計(jì)，后級(jí)拓?fù)浞€(wěn)壓電路采用全橋電路設(shè)計(jì)。在功率變換電路中，使用2對(duì)IGBT管實(shí)現(xiàn)全橋逆變，把直流電逆變?yōu)樵O(shè)計(jì)頻率的交流電。然后再通過濾波電路，消除了頻率、波形的不穩(wěn)定性，成為220 V/50 Hz的正弦波交流電，輸出到負(fù)載。

DSP處理電路主要進(jìn)行系統(tǒng)的控制與保護(hù)。采用DSP分別產(chǎn)生正弦SPWM波和方波信號(hào)，控制IGBT、晶閘管的通斷時(shí)序。DPCU(數(shù)字功率控制單元)用數(shù)字信號(hào)程序持續(xù)監(jiān)控發(fā)電機(jī)輸出并與勵(lì)磁能量相比較，利用閉環(huán)式勵(lì)磁控制系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以應(yīng)對(duì)最終負(fù)載變化。當(dāng)檢測(cè)到過流或過熱時(shí)，DSP的定時(shí)器和比較器停止工作，驅(qū)動(dòng)波形停止輸出，保護(hù)了功率電路[6-8]。

4 其他

監(jiān)控模塊(見圖3)是自發(fā)電設(shè)備的一個(gè)操作單元，用于自發(fā)電系統(tǒng)的檢測(cè)和控制。內(nèi)部的采樣電路單元可檢測(cè)電壓、電流、頻率等參數(shù)，并在液晶屏上顯示出來；內(nèi)部具有繼電器，可控制每一路輸出的通斷：如“開關(guān)”按鍵負(fù)責(zé)監(jiān)控模塊電源的通斷；“勵(lì)磁”按鍵用來啟動(dòng)或停止發(fā)電機(jī)的運(yùn)行；使用“上翻”“下翻”按鍵查閱故障信息等[9-10]。

圖3 監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)示意圖

為充分保證電源轉(zhuǎn)換器的抗振動(dòng)沖擊性能，將2臺(tái)電源轉(zhuǎn)換器安裝在由無縫矩形鋼管焊接而成的固定架中，電源轉(zhuǎn)換器與固定架之間采用了6組高性能鋼絲繩減震器連接，充分隔絕車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊。

該系統(tǒng)在研發(fā)過程中通過了裝機(jī)試驗(yàn)、行駛試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)等嚴(yán)格的考核。結(jié)果表明，該自發(fā)電系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，能夠提供長時(shí)間的大功率輸出。

5 結(jié)語

本文提出一種自發(fā)電設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，配備于相應(yīng)的特種車輛。在自發(fā)電系統(tǒng)中具有自發(fā)電機(jī)、電源轉(zhuǎn)換器等，可實(shí)現(xiàn)高效率的功率變換、信號(hào)控制等。實(shí)踐表明，該自發(fā)電系統(tǒng)綜合性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出控制、參數(shù)檢測(cè)等，自動(dòng)化程度高，充分滿足了不同運(yùn)用場(chǎng)景的需要，在智能制造、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。