車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力瞬間中斷自源補(bǔ)能技術(shù)

吳　磊，焦宇飛，白云川，喻　劍，郭　正

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

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車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力瞬間中斷自源補(bǔ)能技術(shù)

吳磊1，焦宇飛1，白云川2，喻劍1，郭正1

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

針對(duì)車輛軸帶發(fā)電系統(tǒng)存在的換擋動(dòng)力中斷問題，提出了利用車輛啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)能的自源補(bǔ)能方案。利用功率等效的原理對(duì)自源補(bǔ)能持續(xù)運(yùn)行的臨界條件進(jìn)行了確定，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其可行性進(jìn)行了分析。研究表明，補(bǔ)能裝置滿功率負(fù)荷下運(yùn)行的臨界換擋頻率為3.64次/min，能夠滿足日常行車過(guò)程中車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力瞬間中斷時(shí)發(fā)電系統(tǒng)的不間斷供電。

軸帶發(fā)電系統(tǒng)；自源補(bǔ)能；平均等效功率；平均換擋頻率

車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)主要用于為行車中車載用電設(shè)備提供不間斷的高品質(zhì)電能。在軸帶發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電過(guò)程中，存在著換擋時(shí)動(dòng)力中斷問題，即當(dāng)駕駛員換擋踩下離合器后，軸帶自發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力被切斷，軸帶發(fā)電系統(tǒng)供電品質(zhì)受到影響，導(dǎo)致用電裝備無(wú)法正常工作。因此，有必要在軸帶自發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)補(bǔ)能裝置，及時(shí)補(bǔ)充踩下離合器后負(fù)載所需的電能。目前的補(bǔ)能技術(shù)主要有UPS式電補(bǔ)能技術(shù)和飛輪機(jī)械補(bǔ)能技術(shù)：UPS式電補(bǔ)能技術(shù)需要購(gòu)置外加蓄電池組，并設(shè)計(jì)充放電控制電路，其成本較高、占用空間較大；飛輪機(jī)械補(bǔ)能技術(shù)利用飛輪實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)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(bǔ)能技術(shù)存在的缺陷，本文提出一種利用車載啟動(dòng)蓄電池為發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力瞬間中斷時(shí)進(jìn)行補(bǔ)能的自源補(bǔ)能技術(shù)。

1　車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由取力器、稀土永磁發(fā)電機(jī)、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(fù)責(zé)將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧碾娔?，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(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意

1.2車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)工作原理

取力器從變速器一軸取出動(dòng)力，帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電。變流控制器中的整流與DC/DC等模塊將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻變壓交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電，然后經(jīng)過(guò)逆變將直流電轉(zhuǎn)化為相頻穩(wěn)定的三相交流電提供給負(fù)載[1-2]。

2　自源補(bǔ)能臨界運(yùn)行條件確定

采用功率平衡的方法來(lái)確定自源補(bǔ)能臨界運(yùn)行條件，即匹配啟動(dòng)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(bǔ)能裝置是否能持續(xù)運(yùn)行。按照等效平均功率[3]計(jì)算各車載用電設(shè)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(shè)備的等效功率，W；f為用電設(shè)備的使用頻率；P為用電設(shè)備的額定功率，W。

2.1平均等效輸出功率的確定

在自源補(bǔ)能裝置運(yùn)行過(guò)程中，啟動(dòng)蓄電池的輸出包括原車載用電設(shè)備與負(fù)載補(bǔ)能兩部分，以EQ2102汽車12 kW軸帶發(fā)電系統(tǒng)為例，進(jìn)行車載用電設(shè)備總等效功率的計(jì)算。EQ2102汽車的用電設(shè)備參數(shù)見表1。由式(1)得車載用電設(shè)備典型情況下的總等效功率(見表2)。

表1　EQ2102車載用電設(shè)備參數(shù)及等效功率

表2　典型情況車載用電設(shè)備的總等效功率　kW

負(fù)載補(bǔ)能的平均等效功率影響因素較多，與負(fù)載功率、補(bǔ)能頻率、單次補(bǔ)能持續(xù)時(shí)間有關(guān)，因此綜合考慮以上各方面計(jì)算負(fù)載補(bǔ)能等效功率。

車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)在行車發(fā)電過(guò)程中的動(dòng)力中斷問題主要由換擋時(shí)離合器分離造成，因此，單次補(bǔ)能時(shí)間可以近似由換擋時(shí)間來(lái)確定。換擋時(shí)間通常由4部分組成[4]，即

tshift=t1+t2+t3+t4

(2)

式中：tshift為換擋時(shí)間，s；t1為換擋開始時(shí)離合器分離及減少供油時(shí)間，s；t2為空擋持續(xù)時(shí)間，s；t3為掛新?lián)鯐r(shí)間，s；t4為結(jié)合離合器與增加發(fā)動(dòng)機(jī)供油時(shí)間，s。

實(shí)際情況下，換擋時(shí)間的確定引用文獻(xiàn)[5]中采集的駕駛員換擋時(shí)間數(shù)據(jù)(見表3)。

表3　駕駛員操作特征的部分?jǐn)?shù)據(jù)整理結(jié)果

注：ts1為由1擋換為空擋再由空檔掛入2擋這一過(guò)程的時(shí)間，ts2、ts3、ts4分別為換入2、3、4擋時(shí)的時(shí)間；表中所測(cè)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(shí)間存在一定差異，但是一般都不會(huì)超過(guò)0.7 s，因此，取單次換擋持續(xù)時(shí)間tshift為0.7 s進(jìn)行估算。

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

PeL=PL·tshift·fshift/60

(3)

式中：PeL為負(fù)載補(bǔ)能等效功率，kW；PL為負(fù)載功率，kW；tshift為換擋時(shí)間，s；fshift為換擋頻率，次/min。

考慮電能轉(zhuǎn)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(shè)備總等效功率，kW；η為電能轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)型號(hào)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(dòng)蓄電池的電能補(bǔ)充完全由該發(fā)電機(jī)提供，因此蓄電池的電能補(bǔ)充功率由發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率直接決定?？紤]實(shí)際發(fā)電效率為0.9，實(shí)際電能轉(zhuǎn)換效率為0.9，則行車時(shí)蓄電池的電能補(bǔ)充功率為1.02 kW，因此取啟動(dòng)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(bǔ)能裝置使用車載啟動(dòng)蓄電池作為供能電源，其不間斷運(yùn)行等價(jià)于蓄電池的消耗與補(bǔ)給相平衡。平均等效功率將蓄電池的各項(xiàng)輸入與輸出平均化，平均等效功率的平衡便體現(xiàn)著蓄電池消耗與補(bǔ)給的平衡，由此可依據(jù)式(5)對(duì)其臨界工作條件進(jìn)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(yùn)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(fù)載功率PL下的換擋頻率fshift(如圖2所示)。

圖2　負(fù)載功率—換擋頻率關(guān)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(duì)應(yīng)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(bǔ)充，這種情況下自源補(bǔ)能不能持續(xù)運(yùn)行。若某一路況下的平均換擋頻率小于其在圖2中所對(duì)應(yīng)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(bǔ)充，這種情況下自源補(bǔ)能可以持續(xù)不間斷運(yùn)行。由分析可得出，圖2所示曲線便是自源補(bǔ)能持續(xù)運(yùn)行的臨界換擋頻率關(guān)系曲線。

3　自源補(bǔ)能可行性分析

為確定自源補(bǔ)能在實(shí)際狀況下的可行性，僅需對(duì)12 kW功率負(fù)載下自源補(bǔ)能的可行性進(jìn)行分析即可，因此，需對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。本文用實(shí)車對(duì)不同時(shí)間段的平均換擋頻率進(jìn)行采集，試驗(yàn)方法如下：

測(cè)試時(shí)段選為早6∶00至晚10∶00，其余時(shí)段出行車輛較少，路況相對(duì)良好，因此略過(guò)相應(yīng)時(shí)段以簡(jiǎn)化試驗(yàn)。以2 h為間隔將測(cè)試時(shí)段分為8個(gè)時(shí)間段，出車時(shí)刻和目的地臨時(shí)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(nèi)行駛路段。對(duì)8個(gè)時(shí)間段內(nèi)的行車換擋狀況進(jìn)行記錄，每個(gè)時(shí)間段記錄5個(gè)數(shù)據(jù)，行車時(shí)間一般為10～30 min，記錄的數(shù)據(jù)見表4。將表4數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為換擋頻率，所需數(shù)據(jù)見表5。

表4　換擋狀況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5　換擋頻率試驗(yàn)數(shù)據(jù)　次/min

從表5可以看出，上下班高峰期換擋頻率相對(duì)其他時(shí)段較高，最大值3.89次/min出現(xiàn)在18∶00～19∶00。清晨和夜晚的換擋頻率相對(duì)較低，最小值1.21次/min出現(xiàn)在6∶00～7∶00。可以看出，換擋頻率的波動(dòng)并不大，最大值沒有超過(guò)4次/min，這是由于換擋頻率在車流高峰期時(shí)相對(duì)較大，雖然這時(shí)堵車現(xiàn)象嚴(yán)重，駕駛員頻繁地進(jìn)行換擋操作，但是由于怠速等待的時(shí)間也相應(yīng)增加，總行駛時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，所以換擋頻率的增幅并不顯著。從實(shí)際數(shù)據(jù)可以看出，各時(shí)間區(qū)段的短時(shí)最大換擋頻率有可能會(huì)超過(guò)臨界值，但持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)，而且任意時(shí)段的平均換擋頻率均不超過(guò)3次/min，小于12 kW的臨界值3.64次/min，即補(bǔ)能裝置在任一2 h時(shí)段內(nèi)均可正常運(yùn)行。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文對(duì)自源補(bǔ)能持續(xù)工作的臨界條件進(jìn)行了確定，得出了不同負(fù)載下自源補(bǔ)能裝置臨界運(yùn)行頻率關(guān)系曲線，為軸帶發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載功率的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為其他車型的相關(guān)計(jì)算提供借鑒。對(duì)日常行車狀況進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證了自源補(bǔ)能的實(shí)際可行性，為自源補(bǔ)能的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

[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(fā)電機(jī)、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(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013，26(5)：102-104．

[5]張浩．基于燃油經(jīng)濟(jì)性的駕駛員換擋品質(zhì)研究[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009：20-23．

(編輯：關(guān)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