車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)，液壓傳動系統(tǒng)的輸入端連接到汽車動力輸出裝置，輸出端連接到中頻永磁發(fā)電機；中頻永磁發(fā)電機的第一輸出端連接到直流充電模塊的第一輸入端，第二輸出端連接到逆變器的第一輸入端；太陽能電池板的輸出端連接到直流充電模塊的第二輸入端；直流充電模塊的輸出端連接到蓄電池組和直流母線，直流母線連接到逆變器的第二輸入端；監(jiān)控模塊分別連接到中頻永磁發(fā)電機、直流充電模塊、逆變器、蓄電池組和直流母線。本實用新型可有效實現(xiàn)駐車和行車自發(fā)電，并顯著提高輸出電能質(zhì)量；采用太陽能電池組成混合發(fā)電系統(tǒng)，可有效降低發(fā)動機的燃油消耗、排放污染和維護費用，滿足綠色環(huán)保的要求。
【專利說明】車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及車載自發(fā)電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著在野外移動作業(yè)的用電設(shè)備對電力的需求越來越大，利用車輛發(fā)動機提供動力，并帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動供電的車載移動自發(fā)電系統(tǒng)在供電領(lǐng)域的獨特作用日益受到重視，它在工程搶險、石油探測以及軍事裝備等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。
[0003]如圖1所示，現(xiàn)有車載自發(fā)電系統(tǒng)通常采用機械傳動的自發(fā)電技術(shù)，使用取力器或傳動軸帶動傳統(tǒng)勵磁發(fā)電機發(fā)電。當(dāng)車輛駐車時，自發(fā)電系統(tǒng)主要由取力器、傳動軸、勵磁發(fā)電機、速度傳感器、調(diào)速器等構(gòu)成。系統(tǒng)通過取力器輸出動力，經(jīng)傳動軸帶動勵磁發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。當(dāng)負(fù)載突變，例如負(fù)載突然增大時，將出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降；這時速度傳感器檢測到此轉(zhuǎn)速變化并輸出至調(diào)速器，然后由調(diào)速器控制增大油門使發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升至系統(tǒng)設(shè)置值。同樣當(dāng)負(fù)載突然下降時，將出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升；這時速度傳感器檢測到此轉(zhuǎn)速變化并輸出至調(diào)速器，然后由調(diào)速器控制減小油門使發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低至系統(tǒng)設(shè)置值。通過這樣的控制邏輯，發(fā)電系統(tǒng)可保持輸出交流電壓的幅值和頻率穩(wěn)定，發(fā)電質(zhì)量滿足軍標(biāo)II，III級要求。然而當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在600rpnT2400rpm變化，此時勵磁發(fā)電機無法輸出穩(wěn)定幅值與頻率的交流電壓，即無法實現(xiàn)行車發(fā)電。因此目前車載自發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用主要限制在工程、防化、修理等駐車發(fā)電應(yīng)用，而部隊在行進、移動中進行的通信、偵查及相關(guān)方艙設(shè)備需要車輛在行車時持續(xù)發(fā)電，并提供高質(zhì)量的電能。這些自發(fā)電應(yīng)用需求巨大，但目前還沒有很好的解決方案。另外，由于機械傳動系統(tǒng)改裝涉及到車輛結(jié)構(gòu)變化，其改裝難度大，無法實現(xiàn)多種車型零部件的通用化、系列化、組合化。這造成了部隊訂貨、管理、后勤、維修保障等困難較大。而且改裝適用車型受限，其傳動軸、電機等安裝在底盤上,對于抗腐蝕,抗震的要求極高,并造成了極高的維護成本。由于系統(tǒng)使用的是傳統(tǒng)勵磁發(fā)電機，其體積龐大，難以并聯(lián)工作，只適用小功率發(fā)電。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的是提供一種車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案如下:一種車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)，液壓傳動系統(tǒng)的輸入端連接到汽車動力輸出裝置，輸出端連接到中頻永磁發(fā)電機；中頻永磁發(fā)電機的第一輸出端連接到直流充電模塊的第一輸入端，第二輸出端連接到逆變器的第一輸入端；太陽能電池板的輸出端連接到直流充電模塊的第二輸入端；直流充電模塊的輸出端連接到蓄電池組和直流母線，直流母線連接到逆變器的第二輸入端；監(jiān)控模塊分別連接到中頻永磁發(fā)電機、直流充電模塊、逆變器、蓄電池組和直流母線。
[0006]其中，所述液壓傳動系統(tǒng)包括液壓泵和液壓馬達，液壓泵的輸入端構(gòu)成液壓傳動系統(tǒng)的輸入端，液壓泵的輸出端連接到液壓馬達的輸入端，液壓馬達的輸出端構(gòu)成液壓傳動系統(tǒng)的輸入端；還包括液壓控制系統(tǒng)，其輸入端連接到液壓馬達，輸出端連接到液壓泵。所述汽車動力輸出裝置為汽車發(fā)動機或取力器。
[0007]進一步地，所述太陽能電池板為4X250W的太陽能電池板，所述逆變器為功率15KW的220V交流電壓單相逆變器或380V交流電壓三相逆變器。
[0008]本實用新型的有益效果是，可有效實現(xiàn)汽車在駐車和行車自發(fā)電，并顯著提高輸出電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)可靠性及通用性；當(dāng)用電設(shè)備用電量加大時，可通過多機并聯(lián)增大輸出功率。由于液壓傳動系統(tǒng)安裝靈活，不需對底盤進行改裝，這也大大降低了其系統(tǒng)成本及安裝難度，可滿足軍用及民用的各種應(yīng)用需求。由于系統(tǒng)采用太陽能電池組成混合發(fā)電系統(tǒng)，可有效降低發(fā)動機的燃油消耗、排放污染和維護費用，滿足綠色環(huán)保的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中采用機械傳動的車載自發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖2是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0011]圖3是液壓傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及與汽車部件的連接關(guān)系示意圖。
[0012]圖4是本實用新型中220V交流電壓單相逆變器電路原理圖。
[0013]圖5是本實用新型中380V交流電壓三相逆變器電路原理圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖2所示，液壓傳動系統(tǒng)的輸入端連接到汽車動力輸出裝置，輸出端連接到中頻永磁發(fā)電機；中頻永磁發(fā)電機的第一輸出端連接到直流充電模塊的第一輸入端，第二輸出端連接到逆變器的第一輸入端；太陽能電池板的輸出端連接到直流充電模塊的第二輸入端；直流充電模塊的輸出端連接到蓄電池組和直流母線，直流母線連接到逆變器的第二輸入端；監(jiān)控模塊分別連接到中頻永磁發(fā)電機、直流充電模塊、逆變器、蓄電池組和直流母線。圖3示出了液壓傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及與汽車部件的連接關(guān)系。液壓傳動系統(tǒng)包括液壓泵和液壓馬達，液壓泵的輸入端構(gòu)成液壓傳動系統(tǒng)的輸入端，液壓泵的輸出端連接到液壓馬達的輸入端，液壓馬達的輸出端構(gòu)成液壓傳動系統(tǒng)的輸入端；還包括液壓控制系統(tǒng)，其輸入端連接到液壓馬達，輸出端連接到液壓泵。汽車動力輸出裝置為汽車發(fā)動機或取力器。太陽能電池板為4X250W的太陽能電池板，逆變器為功率15KW的220V交流電壓單相逆變器或380V交流電壓三相逆變器。CN201210321056.8及CN201230421715.6公開了中頻永磁發(fā)電機。
[0015]當(dāng)車輛處于駐車或勻速行駛狀態(tài)時，由汽車動力輸出裝置驅(qū)動液壓傳動系統(tǒng)，液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動動中頻永磁交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。由于中頻永磁交流發(fā)電機的輸出電壓為400Hz左右的中頻電壓，此交流電壓對很多用電設(shè)備而言無法直接使用。故此電壓經(jīng)逆變器通過交-直-交變換，將此中頻交流電壓變換為50Hz的220V/380V工頻交流電壓供用電設(shè)備使用。汽車動力輸出裝置可以使用汽車發(fā)動機飛輪殼或風(fēng)扇皮帶輪，或者使用其它專用取力器。液壓傳動系統(tǒng)包括液壓泵和液壓馬達，汽車動力輸出裝置驅(qū)動液壓泵帶動高速液壓馬達轉(zhuǎn)動在設(shè)定轉(zhuǎn)速，再由液壓馬達驅(qū)動中頻永磁發(fā)電機。
[0016]由于液壓傳動系統(tǒng)不需額外增加傳動軸，其液壓泵和液壓馬達體積較小，在車身安裝位置靈活。因此本液壓系統(tǒng)可以適用于不同的車型，可較易實現(xiàn)相關(guān)零部件的通用化、系列化、組合化，降低部隊的后勤、維修保障成本，并最終提升整個系統(tǒng)的可靠性和平均故障時間，對提升我軍戰(zhàn)斗力有重要意義。
[0017]當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)且車速變化劇烈時，液壓控制系統(tǒng)將通過控制液壓泵的壓力使液壓馬達的轉(zhuǎn)速盡可能穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速附近。通常，液壓傳動系統(tǒng)可通過PID控制及其它控制方式，在行車時始終維持液壓馬達輸出轉(zhuǎn)速的近似恒定。但由于控制誤差的存在，液壓馬達的轉(zhuǎn)速將出現(xiàn)一定程度的偏差，此時發(fā)電機輸出電壓的幅值和頻率也將出現(xiàn)較大變化。實際工作中，車輛行駛時發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化劇烈，其轉(zhuǎn)速在600rpnT2400rpm—個較大變化的范圍內(nèi)波動。液壓控制系統(tǒng)常常只能穩(wěn)定液壓馬達的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)，如2500±100rpm。這將使得勵磁發(fā)電機輸出電壓和頻率產(chǎn)生一定的波動，并引起供電質(zhì)量的下降。此外系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較差，當(dāng)負(fù)載突變時，無法滿足國軍標(biāo)2級、3級的要求。如果采用非常精準(zhǔn)的液壓調(diào)速控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)成本將大大上升，其體積重量也將大幅增大。這也是目前液壓傳動方案在車載自發(fā)電系統(tǒng)中沒有得到應(yīng)用的主要原因。在本方案中，我們通過在中頻永磁發(fā)電機后增加大功率逆變器來解決這個難題。由于逆變器首先將輸入的交流電壓整流為直流，然后再逆變?yōu)楣ゎl交流電壓，即其可輸入近乎任意頻率和一定幅值波動范圍的交流電壓。故發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化，及其所引起的液壓馬達轉(zhuǎn)速及發(fā)電機輸出電壓的頻率變化，不會引起逆變器輸出電壓的任何變化。最終，自發(fā)電系統(tǒng)將始終輸出穩(wěn)定的工頻電壓。由于逆變器工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，在負(fù)載突變時其輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)較快，輸出電壓的失真度較低。因此相比傳統(tǒng)勵磁發(fā)電機而言，逆變器的輸出電能質(zhì)量有很大提高。另夕卜，由于逆變器并聯(lián)技術(shù)成熟、可靠，在需要更大功率輸出時，可將多臺車輛的逆變器并聯(lián)，構(gòu)建小型電網(wǎng)輸出。
[0018]如圖4、圖5所示，分別為輸出單相220V和三相380V的逆變電路。采用逆變器輸出的交流電壓，不隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而波動，電壓精度高，瞬態(tài)響應(yīng)好，輸出電能質(zhì)量高，系統(tǒng)效率高、可靠性強，滿足國家軍標(biāo)2級、3級電源的要求。
[0019]本實用新型配合太陽能電池時的工作原理為:在白天的有效日光照射下，太陽能電池板發(fā)電并通過直流充電模塊為蓄電池組和直流母線供電。直流母線電壓通過逆變器輸出交流電壓供交流負(fù)載使用，或由直流母線直接輸出直流供電直流負(fù)載。當(dāng)負(fù)載較小如空載或小于5%滿載時，汽車發(fā)動機不啟動，僅由太陽能電池供電。當(dāng)負(fù)載增大超過太陽能供應(yīng)的電量，但電池電量充足時，汽車發(fā)動機不啟動，由太陽能及蓄電池能量為負(fù)載供電。當(dāng)電池電量下降至系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，監(jiān)控模塊提示電池需充電，此時啟動汽車發(fā)動機工作。汽車發(fā)動機啟動后即進入滿載狀態(tài)，帶動中頻永磁發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。中頻永磁發(fā)電機的輸出電壓經(jīng)直流充電模塊變換為直流后一方面為蓄電池充電，一方面由逆變器輸出為交流負(fù)載供電。即此時發(fā)電機的滿載輸出功率及太陽能發(fā)電功率由兩部分負(fù)載分擔(dān)構(gòu)成:負(fù)載功率和蓄電池充電功率。當(dāng)蓄電池充滿電量后，汽車發(fā)動機停機，繼續(xù)由太陽能及蓄電池組供電。系統(tǒng)如此循環(huán)工作，汽車發(fā)動機始終處于滿載、間歇工作狀態(tài)。當(dāng)夜間無陽光照射下，系統(tǒng)工作狀態(tài)相仿，不同之處在于沒有太陽能功率輸出。任意多臺混合能源模塊的直流及交流輸出端可以并聯(lián)以輸出更大功率。
[0020]使汽車發(fā)動機間歇、滿載工作的原因在于:1、汽車發(fā)動機滿載工作下，燃油充分燃燒、其系統(tǒng)效率最高、燃油消耗率最小，單位功率輸出下，排放最小。舉例而言，常用的IKW電機滿載燃油消耗為420g/KW小時，但輕載如10%負(fù)載下，其耗油量上升為滿載的3.8倍達約160g/KW小時。因此保證汽車發(fā)動機始終處于滿載輸出狀態(tài)下，始終處于最高效率狀態(tài)，燃油消耗最少，且系統(tǒng)排放最少、綠色環(huán)保。2、發(fā)動機長期的輕載運行，可導(dǎo)致噴油嘴、火花塞的積碳并引起發(fā)動機壽命的縮短。而間歇式的滿載運行，除了可以使得發(fā)動機充分燃燒，避免積碳現(xiàn)象外，還可有效降低發(fā)動機溫度，保障汽車發(fā)動機長時間可靠運行。提高汽車發(fā)動機運行的平均無故障時間，降低后勤保障的壓力。3、當(dāng)存在緊急狀態(tài)，為減輕系統(tǒng)體積、重量，可取消太陽能板及蓄電池組時(此時系統(tǒng)重量降低為約15Kg)，系統(tǒng)控制汽車發(fā)動機仍然工作于變頻狀態(tài)。即負(fù)載滿載時，汽車發(fā)動機工作在最高轉(zhuǎn)速以輸出滿載功率；當(dāng)負(fù)載較輕時，汽車發(fā)動機變頻降速工作以降低油耗；當(dāng)系統(tǒng)空載時，發(fā)動機怠速工作時系統(tǒng)油耗降為最低。
[0021]使用蓄電池組的原因在于:1、如前所述，使發(fā)動機始終工作在滿載狀態(tài)，降低油耗。2、本系統(tǒng)選用高效的動力電池(>160Wh/kg)，5Kg電池可提供800Wh以上電量。3、使太陽能供電系統(tǒng)可以存儲能量，為系統(tǒng)提供應(yīng)急能源。4、在野戰(zhàn)的緊急狀態(tài)下，可在一定時間內(nèi)關(guān)閉發(fā)動機，由蓄電池供電，以保持部隊的紅外輻射靜默和噪音靜默，提高我軍電子對抗的能力。
[0022]綜上所述，針對傳統(tǒng)自發(fā)電方案只能駐車發(fā)電，且系統(tǒng)可靠性差，能耗高、效率低的缺點，車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計采用了高效節(jié)能、體積重量小的中頻永磁發(fā)電機和液壓傳動系統(tǒng)，結(jié)合了先進的單/三相逆變電路，使得車輛行車時發(fā)動機在600?2400rpm的全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，自發(fā)電系統(tǒng)都可以輸出高質(zhì)量的交流電壓?？蓾M足部隊野外作戰(zhàn)對高性能、高可靠性、高效率供電系統(tǒng)的要求，滿足國家對節(jié)能、綠色、環(huán)保供電系統(tǒng)的要求。針對部隊中大功率發(fā)電系統(tǒng)的需求,中頻永磁發(fā)電機僅重21公斤，15KW逆變器重約30公斤，合重約50公斤；相比傳統(tǒng)15KW工頻勵磁發(fā)電機動輒120Kg的巨大重量，本方案體積小、重量輕、效率高。
[0023]相對傳統(tǒng)方案，本實用新型可有效實現(xiàn)車載駐車和行車自發(fā)電，并顯著提高輸出電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)可靠性及通用性；當(dāng)用電設(shè)備用電量加大時，可通過多機并聯(lián)增大輸出功率。由于液壓傳動系統(tǒng)安裝靈活，不需對底盤進行改裝，這也大大降低了其系統(tǒng)成本及安裝難度，可滿足軍用及民用的各種應(yīng)用需求。本液壓傳動自發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用易用實現(xiàn)產(chǎn)品的歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、制式化，可滿足我軍后勤野營供電和不同專業(yè)兵種(總參軍訓(xùn)和兵種部、總裝陸裝科訂局、通訊裝備保障部和空軍裝備部)用電的需求，降低后勤保障的難度
[0024]當(dāng)加裝了混合能源工作部件后，系統(tǒng)可進一步降低燃油消耗，提高系統(tǒng)效率，運行維護費用更加節(jié)省，使得燃料和維護保養(yǎng)方面大幅減少了保障能力。當(dāng)關(guān)閉發(fā)動機后，系統(tǒng)由蓄電池組和太陽能供電，其紅外輻射和噪聲可大幅下降接近于零，實行紅外靜默和噪音靜默。
[0025]另外多個車載自發(fā)電單元可并聯(lián)形成較大的供電網(wǎng)絡(luò)，在野戰(zhàn)中不怕個別損壞或敵襲造成的破壞；車載自發(fā)電系統(tǒng)機動性強，可迅速靈活的移動到新的作戰(zhàn)位置，將各模塊重新組合形成供電系統(tǒng)并及時為用電設(shè)備供電。
[0026]因此，本方案可有效降低發(fā)動機的燃油消耗、排放污染和維護費用，滿足綠色環(huán)保的要求，并可大大提高軍隊作戰(zhàn)能力，具備較高的軍事價值、經(jīng)濟效益及重要的戰(zhàn)略意義。
【權(quán)利要求】
1.一種車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，液壓傳動系統(tǒng)的輸入端連接到汽車動力輸出裝置，輸出端連接到中頻永磁發(fā)電機；中頻永磁發(fā)電機的第一輸出端連接到直流充電模塊的第一輸入端，第二輸出端連接到逆變器的第一輸入端；太陽能電池板的輸出端連接到直流充電模塊的第二輸入端；直流充電模塊的輸出端連接到蓄電池組和直流母線，直流母線連接到逆變器的第二輸入端；監(jiān)控模塊分別連接到中頻永磁發(fā)電機、直流充電模塊、逆變器、蓄電池組和直流母線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓傳動系統(tǒng)包括液壓泵和液壓馬達，液壓泵的輸入端構(gòu)成液壓傳動系統(tǒng)的輸入端，液壓泵的輸出端連接到液壓馬達的輸入端，液壓馬達的輸出端構(gòu)成液壓傳動系統(tǒng)的輸入端；還包括液壓控制系統(tǒng)，其輸入端連接到液壓馬達，輸出端連接到液壓泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述汽車動力輸出裝置為汽車發(fā)動機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述汽車動力輸出裝置為取力器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的一種車載液壓傳動混合能源變頻自發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽能電池板為4X250W的太陽能電池板，所述逆變器為功率15KW的220V交流電壓單相逆變器或380V交流電壓三相逆變器。
【文檔編號】F02B63/04GK203580675SQ201320817847
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月7日
【發(fā)明者】沈忠亭 申請人:成都乾威科技有限公司