一种车载自发电系统设计概要

夏梦雷，周文君

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210007)

特种车辆的车载发电系统需要满足在野外复杂环境下的使用需求，确保大电流、长时间工况下的可靠性、稳定性。近年来，随着车载电子设备的轻量化、小型化程度的提升，对车载发电系统的性能提出了更高的要求。

传统特种车辆采用柴油发电机作为车载发电手段，虽然具有功率大、输出稳定等优点,但是因油耗高、噪声大、设备重、野外装卸不便，产生了很多使用过程中的问题。近年来，车载自发电技术日益受到重视。车载自发电也称车载取力发电，是一种利用车辆发动机作为动力源的车载发电技术。车载自发电系统主要包括汽车底盘、取力传动系统、发电机、调速与控制系统以及输出单元等，能够以底盘发动机为原动力向用电设备提供所需的电能。

车载自发电具有功耗低、噪声小、机动性强的优点，可以实现行驶或驻车过程中的稳定交流输出。与柴油发电机相比，车载自发电系统可以直接使用，无须开设撤收，在野外或行进过程中电力供应充分，可以保障多种应用场景的需求。目前，车载自发电系统已在车载电站、电动汽车等领域中得到了广泛的应用，具有很大的发展潜力[1-3]。

1 自发电系统设计

根据某型特种车辆的使用需要，设计了一种全新的车载自发电系统。为保障上装电子设备的稳定工作，对该自发电系统提出了如下性能要求：1)具有不间断供电能力，保证行进中平稳供电；2)具有两路输出，供电连续性好；3)可对输入电压/电流、输出电压/电流、运行状态等进行监控；4)具有过流保护功能[4]。

新研的自发电系统由励磁发电机、监控模块、电源转换器、结构安装附件、连接电缆等组成。为了充分确保上述功能的实现，励磁发电机应保证可以安装在此型特种车辆的底盘上，通过底盘发动机曲轴进行取力发电。该自发电系统设计输出指标如下：1)驻车状态额定功率：6 kW×2；2)行车状态额定功率：6 kW×2；3)输出电压：标称220 V，范围为197～243 V；4)输出频率：50 Hz±2 Hz。

自发电系统的发电性能指标参数见表1。

表1 自发电系统发电性能指标

2 发电机组设计

励磁发电机安装在车载底盘上，其外型结构如图1所示。通过汽车底盘蓄电池为控制电路供电，产生励磁电流。当发电机转子组件的线圈绕组旋转时，励磁线圈产生旋转磁场，其磁力线切割定子组件线圈绕组，产生感应电流，将其机械动能转换成电能。

图1 发电机工作原理简图

皮带轮是发电机的动能输入组件，动力输出主动皮带轮与发电机上从动皮带轮、皮带组成发电机组的动力输入组件。发电机端盖包括前端盖、后端盖和防护罩，是发电机组的外壳，起到对定子组件和传动轴轴承的固定作用，并提供发电机的安装接口。定子组件和转子组件共同组成发电机的发电部件，主动轮通过皮带带动从动轮，从动轮通过传动轴带动转子旋转，将动能转换为电能输出[5]。

本方案选用DK7000型三相交流发电机，绝缘等级为H级，其主要技术参数见表2。

表2 发电机主要技术参数

发电机在实际使用时转速变化很大，因此发电机特别采用了棘爪式转子结构。合理选用电磁参数及高性能的定子磁钢材料。该系统选用的铁芯硅钢材料为DW270牌号，最小磁感密度Bs为1.68 T，最大铁损为8 W/kg，达到高磁密、低损耗的设计效果；同时在设计时优化定子铁芯槽型，提高定子铁芯槽满率达到81%，有效降低铜损，从而提高发电机的效率，保证了发电机在不同转速情况下输出电压的稳定性。

3 电源转换器设计

电源转换器是将直流电源转化为交流输出的电源设备。电源转换器把发电机发出的频率和电压波动较大的三相电压经过三相整流控制单元进行整流，并经过电容滤波，使之成为脉动很小的直流电压。

电源转换器的设计模式有多种，本产品采用单相桥式逆变电路进行设计。逆变器主电路开关管采用高频场效应管MOSFET(FDA59N30)。由于采用高频开关逆变电路，相较于普通的工频变压器逆变电源，具有开关频率高、驱动电路简单、系统效率高、体积小、重量轻的特点。原理框图如图2所示。

图2 电源转换器原理框图

DC 72 V经过PWM控制逆变升压电路，电压升到约AC 270 V/20 kHz交流高频电压，再经过整流滤波电路得到直流DC 380 V左右高频电压，380 V电压经过二级SPWM控制降频、电压、电流检测控制电路降压、稳压及LC滤波电路，得到AC 230 V/50 Hz纯正弦波电压。

前级拓扑升压电路采用推挽电路设计，后级拓扑稳压电路采用全桥电路设计。在功率变换电路中，使用2对IGBT管实现全桥逆变，把直流电逆变为设计频率的交流电。然后再通过滤波电路，消除了频率、波形的不稳定性，成为220 V/50 Hz的正弦波交流电，输出到负载。

DSP处理电路主要进行系统的控制与保护。采用DSP分别产生正弦SPWM波和方波信号，控制IGBT、晶闸管的通断时序。DPCU(数字功率控制单元)用数字信号程序持续监控发电机输出并与励磁能量相比较，利用闭环式励磁控制系统控制发电机励磁电流以应对最终负载变化。当检测到过流或过热时，DSP的定时器和比较器停止工作，驱动波形停止输出，保护了功率电路[6-8]。

4 其他

监控模块(见图3)是自发电设备的一个操作单元，用于自发电系统的检测和控制。内部的采样电路单元可检测电压、电流、频率等参数，并在液晶屏上显示出来；内部具有继电器，可控制每一路输出的通断：如“开关”按键负责监控模块电源的通断；“励磁”按键用来启动或停止发电机的运行；使用“上翻”“下翻”按键查阅故障信息等[9-10]。

图3 监控模块结构示意图

为充分保证电源转换器的抗振动冲击性能，将2台电源转换器安装在由无缝矩形钢管焊接而成的固定架中，电源转换器与固定架之间采用了6组高性能钢丝绳减震器连接，充分隔绝车辆行驶过程中产生的振动冲击。

该系统在研发过程中通过了装机试验、行驶试验、高低温试验等严格的考核。结果表明，该自发电系统可靠、稳定，能够提供长时间的大功率输出。

5 结语

本文提出一种自发电设备优化设计方案，配备于相应的特种车辆。在自发电系统中具有自发电机、电源转换器等，可实现高效率的功率变换、信号控制等。实践表明，该自发电系统综合性强、稳定性高，实现了输入输出控制、参数检测等，自动化程度高，充分满足了不同运用场景的需要，在智能制造、工业自动化领域具有广泛的应用潜力。