車載軸帶發電系統動力瞬間中斷自源補能技術

吳　磊，焦宇飛，白云川，喻　劍，郭　正

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161 )

?

車載軸帶發電系統動力瞬間中斷自源補能技術

吳磊1，焦宇飛1，白云川2，喻劍1，郭正1

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161 )

針對車輛軸帶發電系統存在的換擋動力中斷問題，提出了利用車輛啟動蓄電池進行補能的自源補能方案。利用功率等效的原理對自源補能持續運行的臨界條件進行了確定，并結合實際情況對其可行性進行了分析。研究表明，補能裝置滿功率負荷下運行的臨界換擋頻率為3.64次/min，能夠滿足日常行車過程中車載軸帶發電系統動力瞬間中斷時發電系統的不間斷供電。

軸帶發電系統；自源補能；平均等效功率；平均換擋頻率

車載軸帶發電系統主要用于為行車中車載用電設備提供不間斷的高品質電能。在軸帶發電系統的發電過程中，存在著換擋時動力中斷問題，即當駕駛員換擋踩下離合器后，軸帶自發電系統的動力被切斷，軸帶發電系統供電品質受到影響，導致用電裝備無法正常工作。因此，有必要在軸帶自發電系統中設計補能裝置，及時補充踩下離合器后負載所需的電能。目前的補能技術主要有UPS式電補能技術和飛輪機械補能技術：UPS式電補能技術需要購置外加蓄電池組，并設計充放電控制電路，其成本較高、占用空間較大；飛輪機械補能技術利用飛輪實現電能和動能的轉化，其噪聲大、占用空間大，多在緊急情況下使用。鑒于上述兩種補能技術存在的缺陷，本文提出一種利用車載啟動蓄電池為發電系統動力瞬間中斷時進行補能的自源補能技術。

1　車載軸帶發電系統結構與原理

1.1車載軸帶發電系統結構

該系統主要由取力器、稀土永磁發電機、變流控制器和配電柜等組成(如圖1所示)。其中的變流控制器負責將發電機發出的電能轉變為所需的電能，主要包括整流模塊、DC/DC模塊和逆變模塊等[1-2]。

圖1　軸帶發電系統結構組成示意

1.2車載軸帶發電系統工作原理

取力器從變速器一軸取出動力，帶動稀土永磁發電機發電。變流控制器中的整流與DC/DC等模塊將發電機發出的變頻變壓交流電轉化為穩定的直流電，然后經過逆變將直流電轉化為相頻穩定的三相交流電提供給負載[1-2]。

2　自源補能臨界運行條件確定

采用功率平衡的方法來確定自源補能臨界運行條件，即匹配啟動蓄電池的平均等效輸入功率與平均等效輸出功率，以確定自源補能裝置是否能持續運行。按照等效平均功率[3]計算各車載用電設備的總需求功率。各用電器的在線等效平均功率為

Pe=f·P

(1)

式中：Pe為用電設備的等效功率，W；f為用電設備的使用頻率；P為用電設備的額定功率，W。

2.1平均等效輸出功率的確定

在自源補能裝置運行過程中，啟動蓄電池的輸出包括原車載用電設備與負載補能兩部分，以EQ2102汽車12 kW軸帶發電系統為例，進行車載用電設備總等效功率的計算。EQ2102汽車的用電設備參數見表1。由式(1)得車載用電設備典型情況下的總等效功率(見表2)。

表1　EQ2102車載用電設備參數及等效功率

表2　典型情況車載用電設備的總等效功率　kW

負載補能的平均等效功率影響因素較多，與負載功率、補能頻率、單次補能持續時間有關，因此綜合考慮以上各方面計算負載補能等效功率。

車載軸帶發電系統在行車發電過程中的動力中斷問題主要由換擋時離合器分離造成，因此，單次補能時間可以近似由換擋時間來確定。換擋時間通常由4部分組成[4]，即

tshift=t1+t2+t3+t4

(2)

式中：tshift為換擋時間，s；t1為換擋開始時離合器分離及減少供油時間，s；t2為空擋持續時間，s；t3為掛新擋時間，s；t4為結合離合器與增加發動機供油時間，s。

實際情況下，換擋時間的確定引用文獻[5]中采集的駕駛員換擋時間數據(見表3)。

表3　駕駛員操作特征的部分數據整理結果

注：ts1為由1擋換為空擋再由空檔掛入2擋這一過程的時間，ts2、ts3、ts4分別為換入2、3、4擋時的時間；表中所測試的1、2、3駕駛員為熟練駕駛員，4、5、6為一般駕駛員，7、8、9為不熟練駕駛員。

從表3可看出，不同類型的駕駛員換擋時間存在一定差異，但是一般都不會超過0.7 s，因此，取單次換擋持續時間tshift為0.7 s進行估算。

由此，便可確定給定負載功率PL與給定換擋頻率fshift(單位：次/min)情況下的負載補能等效功率PeL為

PeL=PL·tshift·fshift/60

(3)

式中：PeL為負載補能等效功率，kW；PL為負載功率，kW；tshift為換擋時間，s；fshift為換擋頻率，次/min。

考慮電能轉化效率η為90%，蓄電池的平均等效輸出功率Peo為

Peo=(PL+Pez)/η

(4)

式中：Peo為蓄電池的平均等效輸出功率，kW；Pez為車載用電設備總等效功率，kW；η為電能轉化效率，η=0．9。

2.2平均等效輸入功率的確定

EQ2102車輛裝配的發電機型號為JFW2621，輸出電壓為28 V，輸出電流為45 A，額定輸出功率為1 260 W。啟動蓄電池的電能補充完全由該發電機提供，因此蓄電池的電能補充功率由發電機的發電功率直接決定。考慮實際發電效率為0.9，實際電能轉換效率為0.9，則行車時蓄電池的電能補充功率為1.02 kW，因此取啟動蓄電池的平均等效輸入功率為1 kW。

2.3臨界工作條件的確定

自源補能裝置使用車載啟動蓄電池作為供能電源，其不間斷運行等價于蓄電池的消耗與補給相平衡。平均等效功率將蓄電池的各項輸入與輸出平均化，平均等效功率的平衡便體現著蓄電池消耗與補給的平衡，由此可依據式(5)對其臨界工作條件進行確定。

Peo=Pei

(5)

式中Pei為蓄電池的平均等效輸入功率，kW。

即

(PL·tshift·fshift/60+Pez)/η=Pei

(6)

考慮最苛刻的運行狀況，以冬季夜間下雨為行車工況，其總等效功率Pez為0.39 kW。由式(6)便可得不同負載功率PL下的換擋頻率fshift(如圖2所示)。

圖2　負載功率—換擋頻率關系曲線

若某一路況下的平均換擋頻率大于其在圖2中所對應的換擋頻率，則蓄電池的平均等效輸出功率大于平均等效輸入功率，蓄電池輸出的電能得不到完全補充，這種情況下自源補能不能持續運行。若某一路況下的平均換擋頻率小于其在圖2中所對應的換擋頻率，則蓄電池的平均等效輸出功率小于平均等效輸入功率，蓄電池輸出的電能總能得到完全補充，這種情況下自源補能可以持續不間斷運行。由分析可得出，圖2所示曲線便是自源補能持續運行的臨界換擋頻率關系曲線。

3　自源補能可行性分析

為確定自源補能在實際狀況下的可行性，僅需對12 kW功率負載下自源補能的可行性進行分析即可，因此，需對車輛實際運行狀況進行分析。本文用實車對不同時間段的平均換擋頻率進行采集，試驗方法如下：

測試時段選為早6∶00至晚10∶00，其余時段出行車輛較少，路況相對良好，因此略過相應時段以簡化試驗。以2 h為間隔將測試時段分為8個時間段，出車時刻和目的地臨時按需要確定，因此路段的選擇是任意的，可以覆蓋大部分市內行駛路段。對8個時間段內的行車換擋狀況進行記錄，每個時間段記錄5個數據，行車時間一般為10～30 min，記錄的數據見表4。將表4數據進行處理，將相應數據轉換為換擋頻率，所需數據見表5。

表4　換擋狀況試驗數據

表5　換擋頻率試驗數據　次/min

從表5可以看出，上下班高峰期換擋頻率相對其他時段較高，最大值3.89次/min出現在18∶00～19∶00。清晨和夜晚的換擋頻率相對較低，最小值1.21次/min出現在6∶00～7∶00。可以看出，換擋頻率的波動并不大，最大值沒有超過4次/min，這是由于換擋頻率在車流高峰期時相對較大，雖然這時堵車現象嚴重，駕駛員頻繁地進行換擋操作，但是由于怠速等待的時間也相應增加，總行駛時間相對延長，所以換擋頻率的增幅并不顯著。從實際數據可以看出，各時間區段的短時最大換擋頻率有可能會超過臨界值，但持續時間并不長，而且任意時段的平均換擋頻率均不超過3次/min，小于12 kW的臨界值3.64次/min，即補能裝置在任一2 h時段內均可正常運行。

4　結　語

本文對自源補能持續工作的臨界條件進行了確定，得出了不同負載下自源補能裝置臨界運行頻率關系曲線，為軸帶發電系統負載功率的合理設計提供依據，并為其他車型的相關計算提供借鑒。對日常行車狀況進行分段統計，驗證了自源補能的實際可行性，為自源補能的應用奠定理論基礎。

[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]吳鐵莊．發電機、蓄電池與用電器的匹配分析[J]．汽車電器，1988，27(3)：2-5．

[4]楊超，張俊杰，馬林娜．AMT換擋性能試驗臺設計與開發[J]．機電產品開發與創新，2013，26(5)：102-104．

[5]張浩．基于燃油經濟性的駕駛員換擋品質研究[D]．長春：吉林大學，2009：20-23．

(編輯：關立哲)

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．

吳磊(1991—)，男，碩士研究生.

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

TK426

A

1674-2192(2016)02- 0039- 05