一種車載自發電系統設計概要

夏夢雷，周文君

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

特種車輛的車載發電系統需要滿足在野外復雜環境下的使用需求，確保大電流、長時間工況下的可靠性、穩定性。近年來，隨著車載電子設備的輕量化、小型化程度的提升，對車載發電系統的性能提出了更高的要求。

傳統特種車輛采用柴油發電機作為車載發電手段，雖然具有功率大、輸出穩定等優點,但是因油耗高、噪聲大、設備重、野外裝卸不便，產生了很多使用過程中的問題。近年來，車載自發電技術日益受到重視。車載自發電也稱車載取力發電，是一種利用車輛發動機作為動力源的車載發電技術。車載自發電系統主要包括汽車底盤、取力傳動系統、發電機、調速與控制系統以及輸出單元等，能夠以底盤發動機為原動力向用電設備提供所需的電能。

車載自發電具有功耗低、噪聲小、機動性強的優點，可以實現行駛或駐車過程中的穩定交流輸出。與柴油發電機相比，車載自發電系統可以直接使用，無須開設撤收，在野外或行進過程中電力供應充分，可以保障多種應用場景的需求。目前，車載自發電系統已在車載電站、電動汽車等領域中得到了廣泛的應用，具有很大的發展潛力[1-3]。

1 自發電系統設計

根據某型特種車輛的使用需要，設計了一種全新的車載自發電系統。為保障上裝電子設備的穩定工作，對該自發電系統提出了如下性能要求：1)具有不間斷供電能力，保證行進中平穩供電；2)具有兩路輸出，供電連續性好；3)可對輸入電壓/電流、輸出電壓/電流、運行狀態等進行監控；4)具有過流保護功能[4]。

新研的自發電系統由勵磁發電機、監控模塊、電源轉換器、結構安裝附件、連接電纜等組成。為了充分確保上述功能的實現，勵磁發電機應保證可以安裝在此型特種車輛的底盤上，通過底盤發動機曲軸進行取力發電。該自發電系統設計輸出指標如下：1)駐車狀態額定功率：6 kW×2；2)行車狀態額定功率：6 kW×2；3)輸出電壓：標稱220 V，范圍為197～243 V；4)輸出頻率：50 Hz±2 Hz。

自發電系統的發電性能指標參數見表1。

表1 自發電系統發電性能指標

2 發電機組設計

勵磁發電機安裝在車載底盤上，其外型結構如圖1所示。通過汽車底盤蓄電池為控制電路供電，產生勵磁電流。當發電機轉子組件的線圈繞組旋轉時，勵磁線圈產生旋轉磁場，其磁力線切割定子組件線圈繞組，產生感應電流，將其機械動能轉換成電能。

圖1 發電機工作原理簡圖

皮帶輪是發電機的動能輸入組件，動力輸出主動皮帶輪與發電機上從動皮帶輪、皮帶組成發電機組的動力輸入組件。發電機端蓋包括前端蓋、后端蓋和防護罩，是發電機組的外殼，起到對定子組件和傳動軸軸承的固定作用，并提供發電機的安裝接口。定子組件和轉子組件共同組成發電機的發電部件，主動輪通過皮帶帶動從動輪，從動輪通過傳動軸帶動轉子旋轉，將動能轉換為電能輸出[5]。

本方案選用DK7000型三相交流發電機，絕緣等級為H級，其主要技術參數見表2。

表2 發電機主要技術參數

發電機在實際使用時轉速變化很大，因此發電機特別采用了棘爪式轉子結構。合理選用電磁參數及高性能的定子磁鋼材料。該系統選用的鐵芯硅鋼材料為DW270牌號，最小磁感密度Bs為1.68 T，最大鐵損為8 W/kg，達到高磁密、低損耗的設計效果；同時在設計時優化定子鐵芯槽型，提高定子鐵芯槽滿率達到81%，有效降低銅損，從而提高發電機的效率，保證了發電機在不同轉速情況下輸出電壓的穩定性。

3 電源轉換器設計

電源轉換器是將直流電源轉化為交流輸出的電源設備。電源轉換器把發電機發出的頻率和電壓波動較大的三相電壓經過三相整流控制單元進行整流，并經過電容濾波，使之成為脈動很小的直流電壓。

電源轉換器的設計模式有多種，本產品采用單相橋式逆變電路進行設計。逆變器主電路開關管采用高頻場效應管MOSFET(FDA59N30)。由于采用高頻開關逆變電路，相較于普通的工頻變壓器逆變電源，具有開關頻率高、驅動電路簡單、系統效率高、體積小、重量輕的特點。原理框圖如圖2所示。

圖2 電源轉換器原理框圖

DC 72 V經過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電壓經過二級SPWM控制降頻、電壓、電流檢測控制電路降壓、穩壓及LC濾波電路，得到AC 230 V/50 Hz純正弦波電壓。

前級拓撲升壓電路采用推挽電路設計，后級拓撲穩壓電路采用全橋電路設計。在功率變換電路中，使用2對IGBT管實現全橋逆變，把直流電逆變為設計頻率的交流電。然后再通過濾波電路，消除了頻率、波形的不穩定性，成為220 V/50 Hz的正弦波交流電，輸出到負載。

DSP處理電路主要進行系統的控制與保護。采用DSP分別產生正弦SPWM波和方波信號，控制IGBT、晶閘管的通斷時序。DPCU(數字功率控制單元)用數字信號程序持續監控發電機輸出并與勵磁能量相比較，利用閉環式勵磁控制系統控制發電機勵磁電流以應對最終負載變化。當檢測到過流或過熱時，DSP的定時器和比較器停止工作，驅動波形停止輸出，保護了功率電路[6-8]。

4 其他

監控模塊(見圖3)是自發電設備的一個操作單元，用于自發電系統的檢測和控制。內部的采樣電路單元可檢測電壓、電流、頻率等參數，并在液晶屏上顯示出來；內部具有繼電器，可控制每一路輸出的通斷：如“開關”按鍵負責監控模塊電源的通斷；“勵磁”按鍵用來啟動或停止發電機的運行；使用“上翻”“下翻”按鍵查閱故障信息等[9-10]。

圖3 監控模塊結構示意圖

為充分保證電源轉換器的抗振動沖擊性能，將2臺電源轉換器安裝在由無縫矩形鋼管焊接而成的固定架中，電源轉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生的振動沖擊。

該系統在研發過程中通過了裝機試驗、行駛試驗、高低溫試驗等嚴格的考核。結果表明，該自發電系統可靠、穩定，能夠提供長時間的大功率輸出。

5 結語

本文提出一種自發電設備優化設計方案，配備于相應的特種車輛。在自發電系統中具有自發電機、電源轉換器等，可實現高效率的功率變換、信號控制等。實踐表明，該自發電系統綜合性強、穩定性高，實現了輸入輸出控制、參數檢測等，自動化程度高，充分滿足了不同運用場景的需要，在智能制造、工業自動化領域具有廣泛的應用潛力。