道路、轨道、水上等载运工具取力发电系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010647690.5 (22)申请日 2020.07.07 (71)申请人 青岛瑞阳电子有限公司 地址 266034 山东省青岛市四方区金华路 56号 (72)发明人 黄福庭丁镔孙铁刚严建春 方淑辉 (74)专利代理机构 北京挺立专利事务所(普通 合伙) 11265 代理人 田黎绒 (51)Int.Cl. H02J 3/38(2006.01) H02J 3/26(2006.01) H02J 3/32(2006.01) H02M 3/156(2006.01) H02M 7/。

2、5387(2007.01) (54)发明名称 一种道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电 系统 (57)摘要 本发明公开了一种道路、 轨道、 水上等载运 工具取力发电系统， 包括总体系统， 所述总体系 统由1只或多只永磁电机、 0只或多只蓄电池和多 输入功率变换器组成， 多输入功率变换器是由3 级电路拓扑和前级单路输入或多路输入的DCDC 升/降压变换电路、 中级功率汇集母线电容和后 级DCAC变换电路组成， 具有更高的效率， 最大程 度减少对载运工具行驶力的影响； 能实时控制同 时接入的1或多个电压、 频率、 相位、 功率不同的 发电机的输入功率， 以满足不同输出特性的一次 电源受控并联运行。

3、； 可同时接入1或多个蓄电池 组， 能根据发电机输出功率情况实时控制功率 流， 实现储能补功功能； 采用三相四桥臂拓扑输 出， 具有强大的的偏相负载能力和无功功率负载 能力。 权利要求书1页 说明书6页 附图11页 CN 111817344 A 2020.10.23 CN 111817344 A 1.一种道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统， 包括总体系统， 其特征在于： 所述总 体系统由1只或多只永磁电机、 0只或多只蓄电池和多输入功率变换器组成， 多输入功率变 换器是由3级电路拓扑和前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电路、 中级功率汇 集母线电容和后级DC-AC变换电路组。

4、成。 2.根据权利要求1所述的道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统， 其特征在于： 每路 前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电路是采用单个或多个经典的BUCK-BOOST 拓扑或BOOST拓扑并联组成， 不同数量的前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电 路组合成多路输入端口。 3.根据权利要求1所述的道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统， 其特征在于： 中级 功率汇集母线电容采用电解电容。 4.根据权利要求1所述的道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统， 其特征在于： 后级 DC-AC变换电路采用三相四桥臂拓扑， 在仅为三相平衡负载供电时， 也可以简化为三。

5、相三桥 臂拓扑。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111817344 A 2 一种道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统 技术领域 0001 本发明属于电力电子技术领域， 具体应用于公路、 铁路、 水路等运载工具主机辅机 或轮轴取力在驻车尤其是行进间发电的新兴发电系统。 背景技术 0002 随着电气电子设备的发展， 各种民用、 军用特种车辆等运载工具在驻车或行驶间 用电需求日益增大， 现有发电系统均不能满足需要。 0003 1、 汽车车上发电的技术背景 0004 a)现有汽车都装有爪极式硅整流发电机， 输出电压为直流28V， 功率一般为3kW、 4kW， 仅供车辆本身用电， 无法为车载用。

6、电设备提供更大功率的工频/中频交流电； 0005 b)现有发电机组， 普遍体积大、 重量重， 严重挤占车辆运载载荷， 除个别小功率发 电机组外， 大多无法搬上车做辅机发电用； 0006 c)现有汽车发动机取力发电系统， 一般采用励磁发电机， 除重量体积大、 效率低 外， 皆因输出频率受发动机转速影响限制， 仅能驻车定速发电， 无法在行驶中供电； 也有采 用永磁发电机的做法， 除了能提高功率密度， 同样存在输出电压、 输出频率随发动机转速变 化而变的问题， 也仅能在驻车发电用； 0007 d)国内外有尝试采用液压马达稳频驱动励磁电机的行车发电方案， 但因为体积、 重量、 转速适应范围、 输出稳定。

7、性等诸多问题， 无法实施工程化应用。 0008 2、 无电力接入的列车发电技术背景 0009 现代动车高铁客车已经有电力接入， 不在讨论范围之内， 此处指无电力接入但有 用电要求的车厢或平板车车皮， 典型应用如冷藏车厢。 现有的方法是： 0010 a)列车车轮轴取力发电， 老式绿皮客车均采用了从轮轴取力经皮带传动， 驱动直 流电机或励磁电整流电机发电， 送出的是直流电， 由于受限与体积重量， 输出功率一般为 3kW5kW， 且难以在提高， 这种方式已经成为历史； 0011 b)列车车载发电机组发电， 为了给老一代空调客车供电， 专用一节车厢放置200kW 柴油发电机组， 发出工频交流电， 在老。

8、式空调车退出使用之后， 转为冷藏车厢供电； 一节电 源车为8节冷藏车供电， 缺点是编组不灵活， 还需要专门的维修、 供油等维护支持。 0012 综上所述， 可以看出， 亟需需要一种突破传统发电技术， 提设计出一种体积重量合 理， 发电效率高、 功率容量大、 供电质量好的新的发电技术。 本发明旨在提出一种以永磁电 机和电力电子功率变换技术构成的具有新特征的行驶间取力发电的发电系统。 0013 3、 功率变换电路涉及的电力电子技术背景 0014 电力电子技术在电机拖动、 绿色能源等领域应用很广泛， 但这些技术不具备本发 明涉及的特征， 不能直接应用于行车取力发电系统中。 其区别在于： 0015 a。

9、)光伏发电交流逆变系统技术背景 0016 1)光伏发电输入直流电压， 输入电压变化范围小于行车取力发电要求范围； 0017 2)光伏发电功率流是单方向的， 行车取力发电储能补功功率流是双方向的； 说明书 1/6 页 3 CN 111817344 A 3 0018 3)光伏发电多端口功率汇集是输出端交流汇集， 行车取力发电是在内部直流汇 集； 0019 4)光伏发电输出交流是恒流源， 行车取力发电交流输出是恒压源； 0020 5)光伏发电交流逆变是三相三桥臂平衡输出， 偏相负载能力差。 行车取力发电需 要三相四桥臂输出， 偏相负载能力超强； 0021 6)光伏发电并网输出不考虑无功功率， 行车取。

10、力发电输出功率因数可达0.8； 0022 7)光伏发电并网输出元件是电感， 行车取力发电输出元件是电容。 0023 行车取力涉及的功率变换器稍作适应性改变可以应用于光发电， 但光伏逆变器不 适合于用在行车取力发电。 0024 b)电动汽车能量回馈技术背景 0025 电动汽车的驱动电机在减速或制动时会发出电来， 要将这些电能回馈到蓄电池， 这个技术与行车发电的储能补功完全不同， 区别在于： 0026 1)电动汽车的制动能量回馈是通过并联在电机控制驱动器开关桥臂上的二极管 无控整流将充电电流送往蓄电池， 行车取力发电需要对发电送来的电功率进行有源变换， 并控制电压和功率大小； 0027 2)电动汽。

11、车的制动能量回馈或混合动力的功率汇集点是蓄电池， 行车取力发电蓄 电池仅作为一个输入节点， 功率汇集点在功率变换器直流母线。 0028 4、 行车取力发电系统的技术需求 0029 受制于运载平台的载荷能力、 行驶(或发动机)转速、 空间布局、 发动机功率等因 素， 行车取力发电系统必须具备以下技术特点： 0030 a)行车取力发电系统必须体积小、 重量轻， 具备必要的功率密度， 以最大程度减小 对运载平台载荷的挤占。 0031 b)行车取力发电系统应具有最大程度的高效率， 减小对车辆行驶动力的影响。 0032 c)行车取力发电系统必须适应多个不同频率、 相位、 电压、 功率的发电机同时接 入，。

12、 并单独实时地控制各电机的输入功率， 以满足不同输出特性的一次电源受控并联运行。 0033 d)行车取力发电系统应该能接入蓄电池组， 受控的在功率剩余时充电储能， 在功 率不足时放电补功。 0034 e)必须能输出三相四线交流电， 并提供强大的偏相负载能力和无功功率负载能 力。 0035 鉴于以上需求特点， 采用传统的发电技术是不能实现的。 必须以电力电子技术为 核心， 采用永磁电机发电的新的发电系统， 为此提出本发明的系统组成和功率变换器电路 组合。 发明内容 0036 本发明的目的在于提供一种道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统， 以解决上 述背景技术中提出的问题。 0037 为实现。

13、上述目的， 本发明提供如下技术方案： 0038 一种道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统， 包括总体系统， 所述总体系统由1 只或多只永磁电机、 0只或多只蓄电池和多输入功率变换器组成， 多输入功率变换器是由3 说明书 2/6 页 4 CN 111817344 A 4 级电路拓扑和前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电路、 中级功率汇集母线电容 和后级DC-AC变换电路组成。 0039 作为本发明进一步的方案： 每路前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电 路是采用单个或多个经典的BUCK-BOOST拓扑或BOOST拓扑并联组成， 不同数量的前级单路 输入或多路输入的D。

14、C-DC升/降压变换电路组合成多路输入端口。 0040 作为本发明再进一步的方案： 中级功率汇集母线电容采用电解电容。 0041 作为本发明再进一步的方案： 后级DC-AC变换电路采用三相四桥臂拓扑， 在仅为三 相平衡负载供电时， 也可以简化为三相三桥臂拓扑。 0042 与现有技术相比， 本发明的有益效果是： 0043 a)采用永磁电机， 能够获得最高的功率密度和发电效率， 并合适地设计电机形状 以适应安装； 0044 b)本发明的功率变换器， 能适应永磁发电机输出电压高达6倍以上的变化范围， 使 这种电机的应用成为可能； 0045 c)本发明的功率变换器， 能适应多个不同功率和电压的发电机接。

15、入， 定量地控制 各个输入功率大小， 并将不同的功率汇集在一起， 实现了混合电能的输入； 0046 d)本发明的功率变换器， 能对接入的1组或多组蓄电池组进行充放电功率控制， 根 据发电功率、 用电功率、 欠缺或剩余功率来控制双向功率流的交换， 实现储能或补功功能； 0047 e)本发明采用三相四桥臂交流逆变电路， 具有空前的三相平衡能力， 实现了广泛 的带载能力； 0048 f)本发明大大简化了功率电路， 为设备轻量化、 小型化提供率保证。 附图说明 0049 图1为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中1路永磁发电机和功率变换器 的组合示意图。 0050 图2为道路、 轨道、 水上等。

16、载运工具取力发电系统中1路永磁发电机、 1组蓄电池组 和功率变换器的组合示意图。 0051 图3为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中2路永磁发电机、 1组蓄电池组 和功率变换器的组合示意图。 0052 图4为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中DC-AC变换输出为三相四桥臂 的组合示意图。 0053 图5为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中DC-AC变换输出为三相三桥臂 的组合示意图。 0054 图6a)为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中2只BUCK-BOOST并联电路 (180度交错控制)图。 0055 图6b)为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电。

17、系统中3只BUCK-BOOST并联电路 (120度交错控制)图。 0056 图6c)为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中2只BOOST并联电路(120度交 错控制)图。 0057 图6d)为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中3只BOOST并联电路(120度交 说明书 3/6 页 5 CN 111817344 A 5 错控制)图。 0058 图7为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中功率变换器直流母线构成示意 图。 0059 图8为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中多路输入的端口结构和功率流 方向示意图。 0060 图9a)为道路、 轨道、 水上等载运工具取。

18、力发电系统中三相三桥臂电路拓扑示意 图。 0061 图9b)为道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统中三相四桥臂电路拓扑示意 图。 0062 图10为本发明工程应用案例功率电路示意图。 具体实施方式 0063 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0064 本发明实施例中， 一种道路、 轨道、 水上等载运工具取力发电系统， 所述总体系统 由1只或多。

19、只永磁电机、 0只或多只蓄电池和多输入功率变换器组成， 如图1、 图2、 图3方框图 所示； 0065 多输入功率变换器是由3级电路拓扑组成； 0066 还包括前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电路、 中级功率汇集母线电 容和后级DC-AC变换电路组成， 如图4、 图5所示； 0067 其中每路前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电路是采用单个或多个 经典的BUCK-BOOST拓扑或BOOST拓扑并联组成， 如图6a)、 图6b)、 图6c)和图6d)所示； 0068 不同数量的前级单路输入或多路输入的DC-DC升/降压变换电路组合成多路输入 端口， 如图8所示； 006。

20、9 其中直流母线功率汇集采用电解电容， 如见图7所示； 0070 其中后级DC-AC变换电路主要采用三相四桥臂拓扑， 在仅为三相平衡负载供电时， 也可以简化为三相三桥臂拓扑， 如见图9a)、 图9b)所示。 0071 本发明采用永磁发电是为了获得最高的功率密度、 效率和电机外形变形能力， 但 带来的问题是电机输出电压和功率随转速大幅度变化， 一般设计难以适应； 0072 本发明的功率变换器能适应永磁电机的输出特性， 经变换输出有偏相负载能力的 三相四线交流电， 与永磁电机一道构成新型行进间取力发电系统。 0073 本发明功率变换器的前级DC-DC升/降压变换电路的单元电路， 由双路或三路 BU。

21、CK-BOOST拓扑或BOOST拓扑并联组成， 提供了采用180度或120度交错开关工作的条件， 可 以有效减小纹波电流， 而使滤波电容容量需求大大减小。 该单元单向功率流工作， 可以控制 发电机输入功率的大小， 并预稳压， 为后级提供合适的直流母线电压范围。 该单元双向功率 流工作， 可以控制蓄电池的功率方向和大小， 定量控制充放电。 当前及采用多个单元电路并 联， 形成多端口输入， 能接入多个不同功率、 不同频率、 不同电压的发电机、 蓄电池或其他电 说明书 4/6 页 6 CN 111817344 A 6 能输入， 做到混合电能的输入。 0074 本发明功率变换器的中级直流母线， 采用电。

22、解电容作电压支撑， 能将各输入端口 送来的直流电耦合在一起并送往后级。 0075 本发明功率变换器的后级DC-AC变换， 能将母线直流电压变换成正弦交流电； 它采 用三相四桥臂电路拓扑， 可以大大简化三相四线输出的电路结构， 并具有空前的偏相负载 能力。 在仅存在三相平衡负载时， 也可以根据需要采用三相三桥臂电路拓扑。 0076 本发明的工程应用电路示意如图10所示。 0077 汽车装载设备需要在汽车行进间工作， 采用发动机取力行车发电系统， 要求输出 30kW 50HZ380/220V三相四线交流电。 由于体积、 重量和安装空间的限制， 拟采用2只永磁发 电机， 一只功率11kW， 另一只2。

23、2kW， 输出电压为120Vrms620Vrms， 两只电机不同步。 为在低 速时满足功率要求和减小冲击扭矩， 设置300V15Ah锂电池组， 最大充电电流25A， 最大放电 电流100A。 系统体积重量限制在允许范围内。 0078 本发明给出的功率电路技术方案如图10所示。 0079 本发明硬件电路的工作， 是基于一种软件控制策略和控制算法， 本发明的实用工 程电路还涉及到输入整流、 电压电流采样电路、 控制驱动电路、 DSP控制电路。 0080 相比其他同类系统， 具有更高的功率密度， 能以更小的体积和重量最大程度减少 发电系统对载运工具载荷的挤占； 0081 具有更高的效率， 最大程度减。

24、少对载运工具行驶力的影响； 0082 能实时控制同时接入的1或多个电压、 频率、 相位、 功率不同的发电机的输入功率， 以满足不同输出特性的一次电源受控并联运行； 0083 可同时接入1或多个蓄电池组， 能根据发电机输出功率情况实时控制功率流， 实现 储能补功功能； 0084 采用三相四桥臂拓扑输出， 具有强大的的偏相负载能力和无功功率负载能力。 0085 本发明的工作原理是： 0086 当汽车发动机运转， 发电系统启动后， 两只永磁电机分别发出频率、 相位、 电压、 功 率均不相同的交流电， 并各自随发动机转速变化而大范围变化。 该电能极不稳定， 既不能直 接并联， 也不能给用户使用， 称之。

25、一次电源。 一次电源分别送到本发明的功率变换器， 经内 部整流桥变为直流电， 各自对应的前级DC-DC电路， 再由电压、 电流检测、 DSP处理、 栅极驱动 和相应的软件控制算法的控制下， 完成闭环控制各端口的输入升压变换， 并维持直流母线 处于合理的电压范围， 将两只电机发电电能， 变换并维持在一定范围内变化的直流电， 耦合 在直流母线电容上， 再经三相四桥臂变换输出50Hz380V/220V三相四线交流电， 供负载使 用； 0087 2只发电机的输出功率， 随负载功率的变化， 由对应端口的DC/DC控制， 按1:2实时 分配。 蓄电池组接在另一个相同的端口上， 该端口双向功率流工作， 当系。

26、统检测到发电功率 大于负载功率时， 对应的DC-DC对外做降压变换， 将剩余功率给蓄电组充电， 恒电流或恒电 压充电储能。 当检测到发电功率小于负载功率时， 对应的DC-DC对内做升压变换， 蓄电池放 电， 为系统补功。 本应用案例的功率电路组成， 是基于一种软件控制策略和控制算法， 用软 件功能取代部分硬件功能， 用软件算法减小器件的数量， 在实现功能的同时简化了硬件电 路， 保证了高效率、 高可靠性和可接受的重量体积。 说明书 5/6 页 7 CN 111817344 A 7 0088 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 对于本领域的技术人员来说， 其依然可以对前述各实施例所记载。

27、的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等 同替换， 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本 发明的保护范围之内。 说明书 6/6 页 8 CN 111817344 A 8 图1 图2 图3 说明书附图 1/11 页 9 CN 111817344 A 9 图4 说明书附图 2/11 页 10 CN 111817344 A 10 图5 说明书附图 3/11 页 11 CN 111817344 A 11 图6a) 说明书附图 4/11 页 12 CN 111817344 A 12 图6b) 说明书附图 5/11 页 13 CN 111817344 A 13 图6c) 说明书附图 6/11 页 14 CN 111817344 A 14 图6d) 说明书附图 7/11 页 15 CN 111817344 A 15 图7 说明书附图 8/11 页 16 CN 111817344 A 16 图8 说明书附图 9/11 页 17 CN 111817344 A 17 图9a) 图9b) 说明书附图 10/11 页 18 CN 111817344 A 18 图10 说明书附图 11/11 页 19 CN 111817344 A 19 。