一種以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法，其步驟為：（1）建立以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站：發(fā)電機組由發(fā)動機驅動永磁同步發(fā)電機產生三相或六相交流電，經(jīng)過全波整流濾波后輸出直流電Udcg；發(fā)電機組與車載動力電池組并聯(lián)組成車載供電站；（2）車載供電站采用三種供電模式：（2.1）發(fā)電機組和車載動力電池組并聯(lián)供電，發(fā)動機工作在高效能耗區(qū)；（2.2）由發(fā)電機組單獨供電，發(fā)動機工作在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)；（2.3）由車載動力電池組單獨供電，發(fā)動機停機。本發(fā)明具有原理簡單、控制方便、能有效節(jié)約燃料消耗的等優(yōu)點。
【專利說明】—種以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到車載供電站的供電方法領域，特指一種以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法，即指一種發(fā)動機和永磁同步發(fā)電機組成發(fā)電機組、采用全波不控整流輸出、與車載動力電池組成的車載式供電站，為客車(或船)的電驅動系統(tǒng)供電、滿足整車的動力需求。
【背景技術】
[0002]在電傳動車輛和船舶中，為了降低客車(或船)的能源消耗，驅動系統(tǒng)一般采用交流變頻調速傳動系統(tǒng)，交流變頻調速傳動系統(tǒng)由車載供電站提供直流電。由于車載供電站的容量有限，直流電壓Udc實際在一個范圍內波動，即工作電壓范圍為Udcmin?Udcmax，交流變頻調速傳動系統(tǒng)在此范圍穩(wěn)定的運行，將電功率轉成機械功率，為整車提供動力。交流調速傳動系統(tǒng)根據(jù)整車動力需求和直流電壓Ud。，采用有效的控制策略降低本身的損耗，以提高驅動系統(tǒng)的效率。如圖1所示的交流變頻調速傳動系統(tǒng)高效動力輸出特性圖譜。如果車載供電站在任何負荷下也能高效率地提供電能，輸出性能完全匹配客車(或船)的電驅動系統(tǒng)，客車(或船)的能源消耗將較低。
[0003]目前，所有的車載供電站，均由發(fā)動機和交流同步發(fā)電機組成發(fā)電機組，發(fā)動機驅動交流發(fā)電機，交流發(fā)電機輸出三相(或六相)交流電，經(jīng)過整流和濾波后對外輸出直流電；在混合動力客車中，常常并聯(lián)動力電池組一起對外輸出，供電策略是保持輸出電壓恒定，即同步發(fā)電機在一個固定轉速下運行，不區(qū)分車載供電站負載的大小，通過調節(jié)勵磁和可控整流調節(jié)輸出電壓，保持電壓恒定?？蛙?或船)設計時，只考慮在額定工況下的負荷功率匹配、發(fā)動機運轉在經(jīng)濟油耗區(qū)。客車(或船)實際運行過程中，由于路況多變引起負荷變化，速度和功率需求經(jīng)常變化，要求電驅動系統(tǒng)調整輸出，導致供電站的負荷經(jīng)常變化。如果在發(fā)電機的功率輸出變化時，要求發(fā)電機的輸出電壓恒定、發(fā)動機在固定轉速運行，從圖2所示的發(fā)動機萬有特性曲線可以看出，輸出變化時發(fā)動機的燃油消耗指標相差很大，尤其是輕載和空載工況，發(fā)動機運轉在耗能區(qū)，發(fā)電機的轉化效率更低，這樣的供電方法不利于客車(或船)節(jié)能降耗。動力電池組的輸出電壓與儲能有關，儲能多端電壓較高，恒壓輸出也不能充分利用動力電池組的儲能。如果充分利用動力電池組的儲能，讓輸出電壓隨儲能波動，調節(jié)發(fā)電機的功率勵磁保持整流輸出電壓和動力電池組輸出電壓一致，在滿足電功率輸出的同時，使發(fā)動機運轉在經(jīng)濟能耗區(qū)，有利于客車(或船)節(jié)能降耗。這種供電方式，需要調節(jié)發(fā)動機的工作轉速和勵磁，實際運行中額定轉速以下的工作區(qū)段，發(fā)電機的勵磁調節(jié)非常繁瑣，發(fā)動機滿負荷輸出時發(fā)電機內部磁場常處在高飽和狀態(tài)，發(fā)電機組的能量轉換效率低。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題就在于:針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種原理簡單、控制方便、能有效節(jié)約燃料消耗的以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法，在車載電站輸出較低電功率時，同樣能夠降低發(fā)動機的燃料消耗，從而克服了現(xiàn)有車載供電站在不同的負載下、發(fā)動機不是完全運行在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)的問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0006]一種以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法，其步驟為:
[0007](I)建立以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站:發(fā)電機組由發(fā)動機驅動永磁同步發(fā)電機產生三相或六相交流電，經(jīng)過全波整流濾波后輸出直流電Udcg;發(fā)電機組與車載動力電池組并聯(lián)組成車載供電站；
[0008](2)車載供電站采用三種供電模式:
[0009](2.1)發(fā)電機組和車載動力電池組并聯(lián)供電，發(fā)動機工作在高效能耗區(qū)；
[0010](2.2)由發(fā)電機組單獨供電，發(fā)動機工作在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)；
[0011](2.3)由車載動力電池組單獨供電，發(fā)動機停機。
[0012]作為本發(fā)明方法的進一步改進:在所述供電模式下，當車載動力電池組的輸出電壓Udcb大于電驅動系統(tǒng)Udc2的時就可將車載動力電池組并入供電。
[0013]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0014]1、本發(fā)明在具體應用后，發(fā)電機組的輸出電壓不恒定，能夠覆蓋范圍Utkmin?Udcmax,以滿足電驅動系統(tǒng)輸入電壓要求；
[0015]2、本發(fā)明在具體應用后,發(fā)電機組的輸出電壓范圍和車載動力電池組的輸出電壓范圍匹配。
[0016]3、本發(fā)明在具體應用后，客車(或船)的動力需求決定電驅動系統(tǒng)最小輸入電壓，動力電池的儲能狀況決定電驅動系統(tǒng)輸入電壓和發(fā)電機組的工作轉速，在發(fā)動機的工作轉速范圍Iiniin?n_內。
[0017]4、本發(fā)明在具體應用后，發(fā)電機組的輸出電壓與發(fā)電機的勵磁解除耦合，幅值由客車(或船)的動力需求確定，通過調節(jié)發(fā)動機的轉速實施。
[0018]5、本發(fā)明在具體應用后，發(fā)電機組的輸出功率與發(fā)電機的勵磁解除耦合，幅值由客車(或船)的動力需求和動力電池的儲能狀況決定，通過調節(jié)發(fā)動機的轉速實施；
[0019]6、本發(fā)明在具體應用后，發(fā)動機經(jīng)常運行在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是現(xiàn)有技術中交流變頻調速傳動系統(tǒng)高效動力輸出特性圖譜。
[0021]圖2是發(fā)動機萬有特性曲線示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明方法的流程示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明在具體應用時永磁同步發(fā)電機的輸出特性圖譜。
[0024]圖5是本發(fā)明在具體應用時發(fā)電機組各部件的輸出特性示意圖。
【具體實施方式】
[0025]以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0026]以圖1所示的一臺電動客車電驅動系統(tǒng)的高效動力輸出特性圖譜為例，從圖中可以看出:在輸入電壓范圍(Utkmin?Utkmax)內，存在不同的輸入電壓(ud。)下電傳動系統(tǒng)高效率輸出的包絡曲線簇，滿足客車(或船)的動力需求。以這些曲線簇為邊緣，電驅動系統(tǒng)的電能轉換機械能的效率高。根據(jù)上述圖1，與之匹配的發(fā)電機組的電輸出特性圖譜(如圖4所不)，比較這兩組圖譜:發(fā)電機組的輸出電壓范圍覆蓋范圍Utkmin?Udemax、發(fā)電機組電功率輸出能力完全滿足電驅動系統(tǒng)。在發(fā)動機的工作轉速范圍(nmin?nmax)，發(fā)電機完全把發(fā)動機的機械能轉化為電能，如附圖5所示。由客車(或船)動力需求轉化來電驅動系統(tǒng)的任一工作點(例如圖1中點①)，確定最小輸入電壓(UdJ，再和動力電池的端電壓(Udd3)比較確定供電模式，使發(fā)動機工作在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)。
[0027]如圖3所示，本發(fā)明的一種以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法，其步驟為:
[0028](I)建立以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站:發(fā)電機組由發(fā)動機驅動永磁同步發(fā)電機產生三相或六相交流電，經(jīng)過全波整流濾波后輸出直流電Utkg，參見圖5在發(fā)動機的工作區(qū)域(nmin?nmax)永磁同步發(fā)電機把機械能完全轉換成電能。發(fā)電機組與車載動力電池組并聯(lián)組成車載供電站。由上可知，發(fā)電機組的輸出電壓范圍覆蓋范圍(Udc;min?Udcmax)，能夠滿足電驅動系統(tǒng)，車載動力電池組的工作電壓與之匹配。
[0029](2)按照負載動力需求和此刻動力電池組的儲能狀況，車載供電站采用三種供電模式:
[0030](2.1)發(fā)電機組和車載動力電池組并聯(lián)供電，發(fā)動機工作在高效能耗區(qū)；
[0031](2.2)由發(fā)電機組單獨供電，發(fā)動機工作在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)；
[0032](2.3)由車載動力電池組單獨供電,發(fā)動機停機。
[0033]上述車載供電站的負載對象為客車(或船)，其采用交流變頻調速傳動系統(tǒng)作為驅動系統(tǒng)，由車載供電站供電。這種方式下，采用非恒定電壓輸出方式滿足電驅動系統(tǒng)的輸入要求，同時發(fā)動機經(jīng)常工作在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)。
[0034]上述供電模式下，當車載動力電池組的輸出電壓Udcb大于電驅動系統(tǒng)Udc2的時，即可將車載動力電池組并入供電。
[0035]和常規(guī)的電勵磁同步發(fā)電機比較，本發(fā)明中永磁同步發(fā)電機由永磁體勵磁驅動，在不同的轉速運行下可以得到不同的電壓幅值和頻率的交流電，整流濾波后輸出電壓幅值和發(fā)電機轉速以及輸出的電功率直接相關，和車載動力電池組的非恒定電壓輸出匹配。采用永磁同步發(fā)電機和發(fā)動機組成發(fā)電機組的車載供電站，解除了輸出電壓和勵磁的耦合，在不同的負載情況下，通過調節(jié)發(fā)動機的轉速，采用不同供電模式，在滿足電驅動系統(tǒng)的電功率需求的前提下，維持發(fā)動機經(jīng)常運轉在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)，可以降低客車(或船)的能量消耗指標。
[0036]由上可知，本發(fā)明的車載供電站由發(fā)動機和永磁同步發(fā)電機組成發(fā)電機組,經(jīng)過不控全波整流后和車載動力電池組并聯(lián)，采用非恒定電壓供電，為客車(或船)的電驅動系統(tǒng)提供直流電。在車載供電站的工作電壓范圍(Utkmin?Utkmax)內，按客車(或船)的續(xù)駛里程設置發(fā)電機組和動力電池的功率輸出比例；根據(jù)客車(或船)的動力需求和動力電池儲能狀況，采用不同的供電模式；電驅動系統(tǒng)制動回饋的能量由動力電池吸收。在本發(fā)明中，基于永磁同步發(fā)電機的特點，永磁體勵磁在固定的轉速下，隨著輸出電流增加，由于受到電樞反應的影響，氣隙磁場發(fā)生變化，輸出電壓將降低，而輸出功率開始增加，但達到一個最大值后下降。對于每一轉速，發(fā)電機組都對應一條輸出特性曲線(P2-Udc)，如圖4所示。連接不同轉速下最大輸出功率點，得到一條車載發(fā)電機組的輸出功率限制曲線。在圖4中，輸出功率限制曲線與直流電壓范圍Utkmin~Utkmax間圍成發(fā)電機組的工作區(qū)域。同時，圖4實際為實施本發(fā)明方法后提供的發(fā)電機組的電輸出能力圖譜，按發(fā)動機的轉速(η)為參量的發(fā)電機組輸出特性曲線簇，如圖4中所示，方便客車(或船舶)的設計者全工況下對供電站輸出能力的校核和部件選配。
[0037]本發(fā)明在一個具體應用實例中，以一種城市公交客車的車載供電站為例。本發(fā)明方法是由車載發(fā)動機和永磁同步發(fā)電機組成發(fā)電機組，全波整流濾波后并聯(lián)車載動力電池組供應直流電。客車的制動回饋能量由動力電池組吸收。電壓輸出采用非恒定方式，區(qū)域為dcmin ^dcmax ?
[0038]參見圖1，為這種城市公交客車的電驅動系統(tǒng)的高效率動力輸出特性圖譜，以輸入端直流電壓Udc為參量，工作區(qū)域Udcmin~Utkmaxtj其中任一的工作點①的工況:最小輸入電壓Utk2、客車(或船)的動力需求——功率P22、運行速度Vp
[0039]參見圖2為這種城市公交客車的發(fā)動機的萬有特性曲線，圖中有數(shù)據(jù)標識的曲線為燃油消耗曲線，圖中的虛線和數(shù)值為發(fā)動機軸輸出的等功率曲線。從圖中可以看到:相同的軸功率輸出，發(fā)動機在低速時燃油消耗值較低。
[0040]參見圖4，為這種城市公交客車應用本發(fā)明后的車載永磁同步發(fā)電機的電輸出特性圖譜，以發(fā)動機的轉速(η)為參量，圖中的直線“EF”表示輸出電壓恒定時，輸出功率隨轉速上升而增加；圖中的直線“PQ”表示輸出功率恒定時，輸出電壓隨轉速上升而增加。
[0041]參見圖5，為這種城市公交客車的車載永磁同步發(fā)電機組各部件的輸出特性，從圖中可以看出:在發(fā)動機的工作轉速范圍(nmin~nmax)內，永磁同步發(fā)電機可以將發(fā)動機的機械功率全部轉換成電功率。
[0042]客車供電站供電策略按以下方式實施:
[0043]在客車的任一工作點，如工作點①，當供電站的輸出電壓滿足≥Udc2及輸出功率≥ P22，建立了電壓和功率平衡，客車就能可靠運行。在客車任一工作點①，如果動力電池組的端電壓(Utkb) ≥Utk2，按客車的續(xù)駛里程要求分配發(fā)電機組和動力電池組輸出功率之比，按圖4調節(jié)發(fā)電機組的運行轉速，如按“EF”線，使發(fā)動機運行在較低轉速的經(jīng)濟燃油消耗區(qū)，控制發(fā)電機組的輸出電壓和輸出功率，即:
[0044]發(fā)電機組的輸出電壓(Udcg)≥Udcb ；
[0045]發(fā)電機組的輸出功率+車載動力電池組輸出功率≥P22O
[0046]如果動力電池組的端電壓(Udd3) < Udc2,切除車載動力電池組，發(fā)電機組單獨供電。按圖4調節(jié)發(fā)電機組的運行轉速，如按“PQ”線，控制發(fā)電機組的輸出電壓和輸出功率，即:
[0047]發(fā)電機組的輸出電壓(Udeg) = Udc2 ；
[0048]發(fā)電機組的輸出功率≥P22。
[0049]在極端的情況，客車空載或者< 10%額定負荷時，此時車載動力電池組的儲能充足，它的端電壓(UdJ ≥80%標稱電壓，關閉發(fā)電機組，車載動力電池組單獨供電。
[0050]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法，其特征在于，步驟為: (1)建立以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站:發(fā)電機組由發(fā)動機驅動永磁同步發(fā)電機產生三相或六相交流電，經(jīng)過全波整流濾波后輸出直流電Utkg ;發(fā)電機組與車載動力電池組并聯(lián)組成車載供電站； (2)車載供電站采用三種供電模式: (2.1)發(fā)電機組和車載動力電池組并聯(lián)供電，發(fā)動機工作在高效能耗區(qū)； (2.2)由發(fā)電機組單獨供電，發(fā)動機工作在經(jīng)濟燃油消耗區(qū)； (2.3)由車載動力電池組單獨供電，發(fā)動機停機。
2.根據(jù)權利要求1所述的以永磁同步發(fā)電機組為主的車載供電站輸出方法，其特征在于，在所述供電模式下，當車載動力電池組的輸出電壓Udcb大于電驅動系統(tǒng)Udc2的時就可將車載動力電池組并入供電。
【文檔編號】B60L11/02GK103538484SQ201310437975
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權日:2013年9月24日
【發(fā)明者】李華湘, 陳致初, 辛本雨, 胡勇峰, 靳廣樂, 楊金霞, 劉春秀, 井?？? 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司