车载轴带发电系统动力瞬间中断自源补能技术

吴　磊，焦宇飞，白云川，喻　剑，郭　正

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161 )



车载轴带发电系统动力瞬间中断自源补能技术

吴磊1，焦宇飞1，白云川2，喻剑1，郭正1

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161 )

针对车辆轴带发电系统存在的换挡动力中断问题，提出了利用车辆启动蓄电池进行补能的自源补能方案。利用功率等效的原理对自源补能持续运行的临界条件进行了确定，并结合实际情况对其可行性进行了分析。研究表明，补能装置满功率负荷下运行的临界换挡频率为3.64次/min，能够满足日常行车过程中车载轴带发电系统动力瞬间中断时发电系统的不间断供电。

轴带发电系统；自源补能；平均等效功率；平均换挡频率

车载轴带发电系统主要用于为行车中车载用电设备提供不间断的高品质电能。在轴带发电系统的发电过程中，存在着换挡时动力中断问题，即当驾驶员换挡踩下离合器后，轴带自发电系统的动力被切断，轴带发电系统供电品质受到影响，导致用电装备无法正常工作。因此，有必要在轴带自发电系统中设计补能装置，及时补充踩下离合器后负载所需的电能。目前的补能技术主要有UPS式电补能技术和飞轮机械补能技术：UPS式电补能技术需要购置外加蓄电池组，并设计充放电控制电路，其成本较高、占用空间较大；飞轮机械补能技术利用飞轮实现电能和动能的转化，其噪声大、占用空间大，多在紧急情况下使用。鉴于上述两种补能技术存在的缺陷，本文提出一种利用车载启动蓄电池为发电系统动力瞬间中断时进行补能的自源补能技术。

1　车载轴带发电系统结构与原理

1.1车载轴带发电系统结构

该系统主要由取力器、稀土永磁发电机、变流控制器和配电柜等组成(如图1所示)。其中的变流控制器负责将发电机发出的电能转变为所需的电能，主要包括整流模块、DC/DC模块和逆变模块等[1-2]。

图1　轴带发电系统结构组成示意

1.2车载轴带发电系统工作原理

取力器从变速器一轴取出动力，带动稀土永磁发电机发电。变流控制器中的整流与DC/DC等模块将发电机发出的变频变压交流电转化为稳定的直流电，然后经过逆变将直流电转化为相频稳定的三相交流电提供给负载[1-2]。

2　自源补能临界运行条件确定

采用功率平衡的方法来确定自源补能临界运行条件，即匹配启动蓄电池的平均等效输入功率与平均等效输出功率，以确定自源补能装置是否能持续运行。按照等效平均功率[3]计算各车载用电设备的总需求功率。各用电器的在线等效平均功率为

Pe=f·P

(1)

式中：Pe为用电设备的等效功率，W；f为用电设备的使用频率；P为用电设备的额定功率，W。

2.1平均等效输出功率的确定

在自源补能装置运行过程中，启动蓄电池的输出包括原车载用电设备与负载补能两部分，以EQ2102汽车12 kW轴带发电系统为例，进行车载用电设备总等效功率的计算。EQ2102汽车的用电设备参数见表1。由式(1)得车载用电设备典型情况下的总等效功率(见表2)。

表1　EQ2102车载用电设备参数及等效功率

表2　典型情况车载用电设备的总等效功率　kW

负载补能的平均等效功率影响因素较多，与负载功率、补能频率、单次补能持续时间有关，因此综合考虑以上各方面计算负载补能等效功率。

车载轴带发电系统在行车发电过程中的动力中断问题主要由换挡时离合器分离造成，因此，单次补能时间可以近似由换挡时间来确定。换挡时间通常由4部分组成[4]，即

tshift=t1+t2+t3+t4

(2)

式中：tshift为换挡时间，s；t1为换挡开始时离合器分离及减少供油时间，s；t2为空挡持续时间，s；t3为挂新挡时间，s；t4为结合离合器与增加发动机供油时间，s。

实际情况下，换挡时间的确定引用文献[5]中采集的驾驶员换挡时间数据(见表3)。

表3　驾驶员操作特征的部分数据整理结果

注：ts1为由1挡换为空挡再由空档挂入2挡这一过程的时间，ts2、ts3、ts4分别为换入2、3、4挡时的时间；表中所测试的1、2、3驾驶员为熟练驾驶员，4、5、6为一般驾驶员，7、8、9为不熟练驾驶员。

从表3可看出，不同类型的驾驶员换挡时间存在一定差异，但是一般都不会超过0.7 s，因此，取单次换挡持续时间tshift为0.7 s进行估算。

由此，便可确定给定负载功率PL与给定换挡频率fshift(单位：次/min)情况下的负载补能等效功率PeL为

PeL=PL·tshift·fshift/60

(3)

式中：PeL为负载补能等效功率，kW；PL为负载功率，kW；tshift为换挡时间，s；fshift为换挡频率，次/min。

考虑电能转化效率η为90%，蓄电池的平均等效输出功率Peo为

Peo=(PL+Pez)/η

(4)

式中：Peo为蓄电池的平均等效输出功率，kW；Pez为车载用电设备总等效功率，kW；η为电能转化效率，η=0．9。

2.2平均等效输入功率的确定

EQ2102车辆装配的发电机型号为JFW2621，输出电压为28 V，输出电流为45 A，额定输出功率为1 260 W。启动蓄电池的电能补充完全由该发电机提供，因此蓄电池的电能补充功率由发电机的发电功率直接决定。考虑实际发电效率为0.9，实际电能转换效率为0.9，则行车时蓄电池的电能补充功率为1.02 kW，因此取启动蓄电池的平均等效输入功率为1 kW。

2.3临界工作条件的确定

自源补能装置使用车载启动蓄电池作为供能电源，其不间断运行等价于蓄电池的消耗与补给相平衡。平均等效功率将蓄电池的各项输入与输出平均化，平均等效功率的平衡便体现着蓄电池消耗与补给的平衡，由此可依据式(5)对其临界工作条件进行确定。

Peo=Pei

(5)

式中Pei为蓄电池的平均等效输入功率，kW。

即

(PL·tshift·fshift/60+Pez)/η=Pei

(6)

考虑最苛刻的运行状况，以冬季夜间下雨为行车工况，其总等效功率Pez为0.39 kW。由式(6)便可得不同负载功率PL下的换挡频率fshift(如图2所示)。

图2　负载功率—换挡频率关系曲线

若某一路况下的平均换挡频率大于其在图2中所对应的换挡频率，则蓄电池的平均等效输出功率大于平均等效输入功率，蓄电池输出的电能得不到完全补充，这种情况下自源补能不能持续运行。若某一路况下的平均换挡频率小于其在图2中所对应的换挡频率，则蓄电池的平均等效输出功率小于平均等效输入功率，蓄电池输出的电能总能得到完全补充，这种情况下自源补能可以持续不间断运行。由分析可得出，图2所示曲线便是自源补能持续运行的临界换挡频率关系曲线。

3　自源补能可行性分析

为确定自源补能在实际状况下的可行性，仅需对12 kW功率负载下自源补能的可行性进行分析即可，因此，需对车辆实际运行状况进行分析。本文用实车对不同时间段的平均换挡频率进行采集，试验方法如下：

测试时段选为早6∶00至晚10∶00，其余时段出行车辆较少，路况相对良好，因此略过相应时段以简化试验。以2 h为间隔将测试时段分为8个时间段，出车时刻和目的地临时按需要确定，因此路段的选择是任意的，可以覆盖大部分市内行驶路段。对8个时间段内的行车换挡状况进行记录，每个时间段记录5个数据，行车时间一般为10～30 min，记录的数据见表4。将表4数据进行处理，将相应数据转换为换挡频率，所需数据见表5。

表4　换挡状况试验数据

表5　换挡频率试验数据　次/min

从表5可以看出，上下班高峰期换挡频率相对其他时段较高，最大值3.89次/min出现在18∶00～19∶00。清晨和夜晚的换挡频率相对较低，最小值1.21次/min出现在6∶00～7∶00。可以看出，换挡频率的波动并不大，最大值没有超过4次/min，这是由于换挡频率在车流高峰期时相对较大，虽然这时堵车现象严重，驾驶员频繁地进行换挡操作，但是由于怠速等待的时间也相应增加，总行驶时间相对延长，所以换挡频率的增幅并不显著。从实际数据可以看出，各时间区段的短时最大换挡频率有可能会超过临界值，但持续时间并不长，而且任意时段的平均换挡频率均不超过3次/min，小于12 kW的临界值3.64次/min，即补能装置在任一2 h时段内均可正常运行。

4　结　语

本文对自源补能持续工作的临界条件进行了确定，得出了不同负载下自源补能装置临界运行频率关系曲线，为轴带发电系统负载功率的合理设计提供依据，并为其他车型的相关计算提供借鉴。对日常行车状况进行分段统计，验证了自源补能的实际可行性，为自源补能的应用奠定理论基础。

[1]XIAO Hui，ZHU Shishun．A Research on the power match of moving shaft generator system of special vehicle[C]//IEEE Proceedings： Engineering and Technology，2011：797-800．

[2]XIAO Hui，ZHU Shishun．Modeling and simulation of vehicle driving shaft generation system[C]//IEEE 2011 2nd Asia-Pacific Conference on Wearable Computing System，2011 International Conference on Intelligent Control and Information Technology，2011：202-205．

[3]吴铁庄．发电机、蓄电池与用电器的匹配分析[J]．汽车电器，1988，27(3)：2-5．

[4]杨超，张俊杰，马林娜．AMT换挡性能试验台设计与开发[J]．机电产品开发与创新，2013，26(5)：102-104．

[5]张浩．基于燃油经济性的驾驶员换挡品质研究[D]．长春：吉林大学，2009：20-23．

(编辑：关立哲)

Self-source Recharging Technology in Power Instantaneous Interruption of Vehicle Shaft Generator System

WU Lei1, JIAO Yufei1, BAI Yunchuan2, YU Jian1, GUO Zheng1

(1． Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2． Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In view of the gear-shift interruption problem in vehicle shaft generator system, the paper puts forward a self-source recharging program with starting battery. It determines the critical condition of self-source recharging operation with power equivalence principle, and analyzes its feasibility according to actual situation. The research shows that the operation critical gear-shift frequency of recharging equipment is 3.64 times/min under full power load, which can supply power incessantly while the power is instantaneously interrupted in daily driving.

shaft generator system; self-source recharging; average equivalent power; average gear-shift frequency

2015- 07-15；

2015- 09-01．

吴磊(1991—)，男，硕士研究生.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.02.010

TK426

A

1674-2192(2016)02- 0039- 05