一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)及其能量管理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)及其能量管理方法。包括柴油發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)控制器、交流配電設(shè)備、AC/DC整流器、DC/DC變化器、直流配電設(shè)備、主控制單元和蓄電池組。根據(jù)當(dāng)前用的載荷情況，通過能量管理方法實(shí)施合理的載荷調(diào)控措施，在提高柴油發(fā)電機(jī)燃油利用效率的同時，在蓄電池組充電的高效區(qū)間將電能儲存在蓄電池組中，并在蓄電池組放電的高效區(qū)間，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)，利用蓄電池組為負(fù)載供電。在蓄電池組高效發(fā)電區(qū)間結(jié)束時，又轉(zhuǎn)換到柴油發(fā)電機(jī)供電模式，繼而配電控制系統(tǒng)又執(zhí)行載荷調(diào)控措施。本發(fā)明能夠提高車載柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的燃油利用效率，延長車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的供電時間。
【專利說明】一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)及其能量管理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于供配電技術(shù)及其電能管理領(lǐng)域，尤其涉及能夠提高燃油利用率的，一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)及其能量管理方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對于傳統(tǒng)的車載柴油發(fā)電機(jī)電源，當(dāng)在不能隨時供應(yīng)柴油的野外工作時，由于受柴油機(jī)容量、柴油發(fā)電機(jī)特性等的限制，由于每升的燃油所能產(chǎn)生的功率在一定范圍內(nèi)與負(fù)載功率呈線性關(guān)系，負(fù)載功率越低油機(jī)所發(fā)出的有用的功率越少，且柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一定時在某個特定輸出功率下單位時間的燃油消耗率最低，因此對柴油發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)要求比較嚴(yán)格，控制不當(dāng)將造成資源浪費(fèi)，而影響供電時間。另外，如果柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，將中斷對用電器的供電，造成信息丟失甚至更嚴(yán)重的工作損失。
[0003]為了改善車載柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，延長其持續(xù)供電時間，提供不間斷供電相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了深入研究。例如文獻(xiàn)“車載電源智能管理系統(tǒng)研究”，南京航空航天大學(xué)，2009學(xué)文論文，對如何使車載設(shè)備的安全可靠運(yùn)行進(jìn)行了分析研究，提出用專用蓄電池組應(yīng)急供電方案；文獻(xiàn)“車載電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，電工技術(shù)學(xué)報，2009，24 (5)。設(shè)計(jì)了一種適用于分布式汽車電氣控制系統(tǒng)的車載電源管理系統(tǒng)。根據(jù)車載電源管理的需要，以分布式控制的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了智能繼電器，實(shí)現(xiàn)了對電源通道的控制。針對電源通道過電流保護(hù)的要求，采用了選擇性過載保護(hù)、瞬動保護(hù)和后備保險絲三種保護(hù)方法，達(dá)到了對多種過電流情況的保護(hù)功能。此外還有諸如基于混合動力方案實(shí)現(xiàn)整車能量管理優(yōu)化，但它們與本專利所提出的具獨(dú)立車載電站的采用直流配電的能量管理方法的設(shè)計(jì)思路均不相同，且都沒有涉及到本專利所述的通過蓄電池組調(diào)載來調(diào)整柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn)，從而提高燃油利用率達(dá)到延長整個供電系統(tǒng)的持續(xù)供電時間的策略。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供具有高燃油利用效率的，一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)，本發(fā)明的目的還包括提供能夠延長車載柴油發(fā)電系統(tǒng)供電時間的，一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法。
[0005]一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)，包括柴油發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)控制器、交流配電設(shè)備、AC/DC整流器、DC/DC變換器、直流配電設(shè)備、主控制單元和蓄電池組，
[0006]柴油發(fā)電機(jī)根據(jù)接收的柴油發(fā)電機(jī)控制器發(fā)出的啟動指令，發(fā)出交流電Uacl經(jīng)交流配電設(shè)備后，傳送至AC/DC整流器轉(zhuǎn)換為直流電Udel，再經(jīng)DC/DC變換器降壓后變?yōu)榈蛪褐绷麟奤tk2，低壓直流電Utk2被送至直流配電設(shè)備，直流配電設(shè)備給車載直流負(fù)載和蓄電池配電，
[0007]主控制單元采集蓄電池組的端電壓和充放電電流，接收交流配電設(shè)備采集到的交流電壓和交流電流，接收直流配電設(shè)備采集到的直流電壓和直流電流，控制柴油發(fā)電機(jī)控制器給柴油發(fā)電機(jī)發(fā)送啟動或關(guān)閉指令，向交流配電設(shè)備和直流配電設(shè)備發(fā)送啟動或關(guān)閉指令，將采集和接收到的信息傳送給人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。
[0008]一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法，包括以下幾個步驟:
[0009]步驟一:上電初始化，將蓄電池組的工作狀態(tài)設(shè)置為放電狀態(tài)；
[0010]步驟二:檢測蓄電池組的剩余容量S0C，
[0011]a:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為放電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與放電下限容量SOCmin的差值大于預(yù)置的下門限參數(shù)時，蓄電池組給車載直流負(fù)載供電，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變化器；
[0012]b:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為放電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與放電下限容量SOCmin的差值小于預(yù)置的下門限參數(shù)時，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過DC/DC變化器給直流負(fù)載供電，并為蓄電池組充電，蓄電池組的工作狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)；
[0013]c:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為充電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與充電上限容量SOCmax的差值大于預(yù)置的上門限參數(shù)時，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過DC/DC變化器給直流負(fù)載供電，并為蓄電池組充電；
[0014]d:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為充電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與充電上限容量SOCmax的差值小于預(yù)置的上門限參數(shù)時，蓄電池組給車載直流負(fù)載供電，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變化器，蓄電池組的工作狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)；
[0015]步驟三:重復(fù)步驟二，直到收到停機(jī)指令。
[0016]—種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法，還包括:
[0017]在柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過DC/DC變化器給直流負(fù)載供電，并為蓄電池組充電時，進(jìn)行蓄電池組充電載荷的調(diào)節(jié)，包括以下步驟:
[0018]3.1柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電后，設(shè)置DC/DC變換器的初始輸出電壓Udc0 ；
[0019]3.2檢測蓄電池組的充電電流Iehg、充電電壓Ubat和剩余容量S0C，檢測DC/DC變換器輸出電壓Udc,
[0020]當(dāng)UdcXUbatmax 且 Iehg〈Iehgmax，并且 I SOC-SOCmax I > Λ 2 時，主控制單元控制增加 DC/DC變換器輸出電壓Udc,
[0021]當(dāng)Iehg>Iehgmax，主控制單元控制減少DC/DC變換器輸出電壓Udc；
[0022]3.3重復(fù)前一步，當(dāng)U


dc Ubatmax

且I



chg〈 chgmin?
并且I SOC-SOCmax I〈 Λ 2時，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器。
[0023]一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法，還包括:
[0024]將車載直流負(fù)載分為一般和重要兩個優(yōu)先等級，通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)車載直流負(fù)載的投入或者切除。
[0025]本發(fā)明的有益效果:
[0026](I)在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，通過車載能量管理系統(tǒng)控制蓄電池組充電功率調(diào)載改變柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)達(dá)到提高車載柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的燃油利用效率的目的。
[0027](2)當(dāng)蓄電池組容量達(dá)到充電效率最(較)優(yōu)區(qū)間的下限后，由能量管理系統(tǒng)關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器，轉(zhuǎn)而由蓄電池組放電單獨(dú)向負(fù)載供電；并在蓄電池組容量達(dá)到放電效率最(較)優(yōu)區(qū)間的下限后，由能量管理系統(tǒng)重新啟動柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器，進(jìn)入由柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電供給負(fù)載并向蓄電池組提供充電電能的過程，在次利用蓄電池組充電調(diào)載，優(yōu)化柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)。
[0028](3)根據(jù)使用情況對車載用電設(shè)備的供電優(yōu)先級進(jìn)行了劃分，分為一般和重要兩個優(yōu)先等級，在供電系統(tǒng)電能儲備告急的情況下，可將一般性負(fù)載切除，從而達(dá)到盡量延長對重要負(fù)載的供電時間的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為直流配電方式下車載供配電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖2為車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法的流程圖。
[0031]圖3為交流配電設(shè)備配電線路示意圖。
[0032]圖4為直流配電設(shè)備配電線路示意圖。
[0033]圖5為畜電池組內(nèi)阻隨SOC變化的關(guān)系不意圖。
[0034]圖6為柴油機(jī)的負(fù)荷特性曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0036]一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)包括由車載柴油發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)控制器、AC/DC整流器、交流配電設(shè)備、DC/DC變換器、直流配電設(shè)備和蓄電池組構(gòu)成的整個車載供配電系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套完整的用于車載供配電系統(tǒng)能量管理的硬件和軟件系統(tǒng)，以下簡稱為車載能量管理系統(tǒng)；
[0037]車載能量管理包括一塊安裝在交流配電設(shè)備內(nèi)的交流電量測量及控制電路板以下簡稱為交流測控板)、一塊安裝在直流配電設(shè)備內(nèi)的直流電量測量及控制電路板(以下簡稱為直流測控板)和一塊安裝在主控制單元(箱)內(nèi)的用于系統(tǒng)級控制的主控制電路板(以下簡稱為主測控板)，并在主控制單元(箱)面板上配置了觸屏人機(jī)交互界面。
[0038]交流測控板、直流測控板、柴油發(fā)電機(jī)控制器、人機(jī)交互界面和主測控板均通過CAN總線互聯(lián)，構(gòu)成一個完整的測控網(wǎng)絡(luò)。
[0039]在上述能量管理系統(tǒng)各測控板硬件資源設(shè)置的基礎(chǔ)上，針對車載供配電系統(tǒng)的具體配置和功能需求開發(fā)了與之配套的管理和控制軟件。通過軟、硬件的配合，實(shí)現(xiàn)專利所述的提高車載柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的燃油利用效率，延長供配電系統(tǒng)持續(xù)供電時間的目的。
[0040]結(jié)合附圖1，對一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)做詳細(xì)說明。
[0041](I)附圖1中，虛線表示CAN總線通信連接線，實(shí)線表示硬件系統(tǒng)之間的電氣硬件連接，包括模擬量采集、I/o控制信號和功率線路連接，雙向箭頭表示能量或信號(信息)是雙向傳遞的。
[0042](2)車載供配電系統(tǒng)的電功率傳輸路徑是這樣的:柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電Uaca經(jīng)交流配電設(shè)備后Uac2送至AC/DC整流器，轉(zhuǎn)換為直流電Udel,再經(jīng)DC/DC變換器降壓后變?yōu)榈蛪?24V)直流電Udc;2，Utk2被送至直流配電設(shè)備按功率等及用途等原則進(jìn)行直流配電，直流配電設(shè)備的出線端接車載直流負(fù)載。蓄電池組也掛接在直流配電設(shè)備的輸出端。出于系統(tǒng)安全性考慮，DC/DC變換器可采用高頻變壓器隔離的降壓型直流變換器。
[0043](3)交流測控板通過與其配套的HALL電壓傳感器，如附圖3中所示的VSl和VS2，電流傳感器，如附圖3中所示的CSA、CSB和CSC，檢測柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電的頻率、電壓幅值、電流幅值、判斷是否有交流過壓/欠壓或交流過流故障，并計(jì)算交流進(jìn)線的功率。通過CAN總線一方面接收主測控板發(fā)出的控制命令，控制交流配電設(shè)備中交流配電開關(guān)的通斷，如附圖3中所示的Kl開關(guān)驅(qū)動電路，其原理如附圖3中右側(cè)虛線框所示。圖中，Ql為NPN型三極管，JMl為直流15V信號繼電器Jl的控制線圈，Dl為與JMl并聯(lián)的續(xù)流二極管，KMl為交流配電開關(guān)Kl的控制線圈，當(dāng)交流測控板相應(yīng)I/O通道輸出信號SI為高電平時，Ql導(dǎo)通，JMl流過驅(qū)動電流而使得Jl閉合，從而使KMl在Ua和Ub作用下流過驅(qū)動電流而使得Kl閉合(導(dǎo)通)。若SI為低電平，則可控制Kl斷開，其原理與上述過程相似。另一方面，在接收到主測控板定時器發(fā)出的數(shù)據(jù)查詢命令后，將采樣到的交流電壓和電流模擬量數(shù)據(jù)及相關(guān)狀態(tài)通過CAN總線發(fā)送給主測控板。
[0044](4)直流測控板通過與其配套的HALL電壓傳感器，如附圖4中的VS1，和電流傳感器，如附圖 4 中的 CSl、CS211 ?CS21N、CS221 ?CS22N、CS2N1 ?CS2NN，檢測 DC/DC 變換器的輸出電壓、流過直流配電設(shè)備中各配電開關(guān)的直流電流，判斷是否有直流過壓或直流過流故障,并計(jì)算各直流配電支路的直流負(fù)載的功率；通過CAN總線一方面接收主測控板發(fā)出的控制命令，控制直流配電設(shè)備中直流配電開關(guān)的通斷，如附圖4中所示的Kl開關(guān)驅(qū)動電路，如圖4中的KUK21?K2N、K211?K21N、K221?K22N、K2N1?K2NN，其原理如附圖4中右下虛線框所示。圖中，Ql為NPN型三極管，JMl為直流15V信號繼電器Jl的控制線圈，Dl為與JMl并聯(lián)的續(xù)流二極管，KMl為交流配電開關(guān)Kl的控制線圈，當(dāng)交流測控板相應(yīng)I/O通道輸出信號SI為高電平時，Ql導(dǎo)通，JMl流過啟動電流而使得Jl閉合，從而使KMl在24V+和24V-作用下流過驅(qū)動電流而使得Kl閉合(導(dǎo)通)。若SI為低電平，則可控制Kl斷開，其原理與上述過程相似；另一方面，在接收到主測控板定時器發(fā)出的數(shù)據(jù)查詢命令后，將采樣到的直流電流模擬量數(shù)據(jù)及相關(guān)狀態(tài)發(fā)送給主測控板；
[0045](5)主測控板通過HALL電壓和電流傳感器檢測蓄電池組的端電壓和充(放)電電流，在線估算蓄電池組的剩余容量，將此作為執(zhí)行供配電系統(tǒng)電能管理的重要依據(jù)；主測控板通過CAN總線與交流配電設(shè)備中的交流測控板、直流配電設(shè)備中的直流測控板以及柴油發(fā)電機(jī)控制器互聯(lián)，除用于向交流測控板、直流測控板以及柴油發(fā)電機(jī)控制器發(fā)送控制命令外，還將它們檢測到的車載供配電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息發(fā)送到人機(jī)交互界面用于顯不O
[0046](6)在車載能量管理系統(tǒng)中，主控制單元的主測控板通過CAN總線與柴油發(fā)電機(jī)控制器通信，發(fā)送的控制命令用于控制柴油發(fā)電機(jī)啟動或者停止。
[0047](7)在車載能量管理系統(tǒng)中，主控制單元的主測控板通過CAN總線與交流配電設(shè)備中的交流測控板、直流配電設(shè)備中的直流測控板通信，發(fā)送的控制命令用于控制交流配電設(shè)備和直流配電設(shè)備中配電開關(guān)的通斷。
[0048]下面對一種基于直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法做詳細(xì)說明，如圖2所示。
[0049](I)首先在系統(tǒng)上電初始階段，進(jìn)行與系統(tǒng)控制相關(guān)的軟、硬件初始化工作，重要的是置程序中與能量管理密切相關(guān)的關(guān)鍵控制變量BATCHG = FALSE，該變量用于指示蓄電池組的工裝狀態(tài)，BATCHG = FALSE表示蓄電池組處于放電狀態(tài)，BATCHG = TRUE表示蓄電池組處于充電狀態(tài)，系統(tǒng)上電初始，默認(rèn)蓄電池組為放電狀態(tài)。
[0050](2)完成初始化操作之后，可分別利用如附圖4中所示的電流傳感器CS2和電壓傳感器VSl檢測流經(jīng)蓄電池組的充(放)電電流及電池端電壓，通過系統(tǒng)中設(shè)置的軟件算法在線估計(jì)(檢測)電池組的剩余容量SOC。
[0051](3)如果檢測出的蓄電池組SOC與系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的SOCmin之間的差值SOC-SOCmin) Δ I (>0)，且在BATCHG = FALSE的情況下，則表示蓄電池組還具備一定的容量，可以獨(dú)立供給負(fù)載，此時柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器均應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。否則，如果
SOC-SOCmin彡Λ i= FALSE，則置BATCHG = TRUE，表示蓄電池組需要充電，系統(tǒng)進(jìn)入由柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電通過DC/DC變換器供給負(fù)載，并為蓄電池組充電的運(yùn)行模式，此后只要控制系統(tǒng)中的充放電軟件標(biāo)志BATCHG = TRUE,且不滿足| SOC-SOCmax |彡Λ 2，則蓄電池組一直處于充電狀態(tài)，直至|S0C-S0Cmax| SA2為止。
[0052](4)在滿足I SOC-SOCmax | 條件，且充放電軟件標(biāo)志BATCHG = TRUE的情況下，可置蓄電池組充放電軟件標(biāo)志BATCHG = FALSE，這意味著蓄電池組充電過程的結(jié)束，此時應(yīng)關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器，系統(tǒng)恢復(fù)到蓄電池組獨(dú)立供電的模式，特別是在輕載運(yùn)行情況下，如此操作可以簡介提高燃油的利用效率，達(dá)到節(jié)能的目的。
[0053](5)在⑵?(4)的過程中，在處理完對蓄電池組的充放電控制后，能量管理系統(tǒng)可正常響應(yīng)通過人機(jī)交互界面的負(fù)載投切控制指令、對系統(tǒng)相關(guān)模擬量進(jìn)行采樣、進(jìn)行各硬件模塊間的通信和信息顯示等。特別是，在系統(tǒng)運(yùn)行一定時間之后，燃油處于耗盡狀態(tài)時，能量管理系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)控制軟件中預(yù)置的負(fù)載優(yōu)先級管理模式，通過控制將如圖4所示相應(yīng)標(biāo)號為K2XX(X為可變序號)的配電開關(guān)斷開，從而將不重要的一般性負(fù)載切除，達(dá)到延長對重要負(fù)載持續(xù)供電的目的。
[0054](6)在沒有得到停機(jī)指令的情況下，系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行(2)?(5)步驟，否則退出運(yùn)行狀態(tài)。
[0055]以下對能量管理系統(tǒng)的實(shí)施要點(diǎn)和策略進(jìn)行說明。
[0056]1、蓄電池組剩余容量門限的確定
[0057]工作模式的切換及整個供配電系統(tǒng)的能量管理策略是基于蓄電池組剩余容量SOC的。涉及到放電下限容量SOCmin(可在該點(diǎn)進(jìn)入充電過程)和充電上限SOCmax(可在該點(diǎn)進(jìn)入發(fā)電過程)，SOCmin和SOCmax的選擇與充放電效率密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)蓄電池組生產(chǎn)廠家提供的蓄電池組充放電特性來確定，一般而言，應(yīng)保證在socmin〈soc〈socmax的區(qū)間內(nèi)，充放電效率不低于85%，即所謂的充放電高效區(qū)間，其本質(zhì)是在此區(qū)間蓄電池組的內(nèi)阻Rs較小，充放電時蓄電池組發(fā)熱損耗低，如附圖5所示。對于一般的蓄電池組SOCmin在0.35左右，SOCniax 在 0.85 左右。
[0058]2、系統(tǒng)上電初始化及自檢
[0059]上電初始，能量管理系統(tǒng)主測控板，交流測控板和直流測控板均各自進(jìn)行自身軟硬件的初始化設(shè)置，在此基礎(chǔ)上，由主測控板按照通信協(xié)議，通過CAN總線向交流測控板和直流測控板發(fā)送規(guī)定的通信測試指令，檢測各板通信連接是否正常，若不正常則主測控板通過人機(jī)交互界面報警。其中對于主測控板的控制程序，一個重要的邏輯控制變量是BATCHG，此變量用于指示蓄電池組的充放電狀態(tài)，系統(tǒng)上電初始還未進(jìn)入正常的工作模式，置BATCHG = FALSE,即此時蓄電池組未充電。
[0060]3、蓄電池組的剩余容量SOC檢測
[0061]由于在本專利中，整個供配電系統(tǒng)的工作模式的切換及能量管理策略均是基于對蓄電池組剩余容量SOC的判斷的。因此，較準(zhǔn)確的檢測蓄電池組的剩余容量SOC是很重要的，常用的檢測SOC的方法有安時積分法、Kalman濾波器法、模型估計(jì)法及人工神經(jīng)網(wǎng)(ANN)法等。這些方法已有大量的文獻(xiàn)進(jìn)行論述，在此不再贅述。在本專利中，蓄電池組的剩余容量檢測采用Kalman濾波器法，該算法由主測控板完成。
[0062]4、運(yùn)行模式分類與判斷
[0063]在本專利中，整個供配電系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為兩種,一種是蓄電池組獨(dú)立供電模式，另一種是柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電通過DC/DC變換器供給負(fù)載并為蓄電池組充電的供電模式。兩種供電模式的切換是基于蓄電池組SOC的。
[0064](I)若SOC-SOCniil^ Δ 1；并且在BATCHG = FALSE情況下，是由蓄電池組獨(dú)立供電的。A1(大于O)為預(yù)置的門限參數(shù)，表示在蓄電池組使用過程中，其當(dāng)前的SOC接近于放電下限容量SOCmin的程度，實(shí)際應(yīng)用時該參數(shù)可設(shè)置在額定容量的5%左右。
[0065](2)若|S0C-S0Cmin|彡Λ 1；即當(dāng)前的蓄電池組剩余容量與SOCmin非常接近，甚至可能已經(jīng)低于SOCmin，此時應(yīng)停止蓄電池組獨(dú)立供電模式，轉(zhuǎn)而進(jìn)入由柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并通過DC/DC變換器供給負(fù)載并為蓄電池組充電的供電模式。此時置BATCHG = TRUE,即蓄電池組進(jìn)入充電模式。
[0066](3)在蓄電池組進(jìn)入充電模式以后，若檢測到|S0C-S0Cmax|即當(dāng)前的蓄電池組剩余容量與充電上限SOCmax非常接近，甚至可能已經(jīng)大于SOCmax，此時可關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器，重新轉(zhuǎn)入蓄電池組獨(dú)立供電模式，置BATCHG = FALSE。Λ 2 (大于O)為預(yù)置的門限參數(shù)，表示在蓄電池組充電過程中，其當(dāng)前的SOC接近于充電上限容量SOCmax的程度。實(shí)際應(yīng)用時該參數(shù)可設(shè)置在額定容量的5%左右。
[0067]5、基于蓄電池組充電的柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)載策略
[0068]對照附圖6。研究柴油發(fā)電組的負(fù)荷特性表明，在一定的轉(zhuǎn)速下，燃油做功比b (如附圖6的曲線①所示)在某個特定功率下可取得最小值(如附圖6的曲線①的A點(diǎn))，即在此點(diǎn)，消耗一定的燃油可獲得最多的能量輸出，具有最大的運(yùn)行效率。在偏離A點(diǎn)的E和C點(diǎn)，柴油機(jī)運(yùn)行效率都降低，功率越小或越大，效率都顯著的降低(b值增大)。
[0069]單位時間燃油消耗量B(燃油消耗率)與功率的關(guān)系如附圖6中的曲線②所示，在最大效率點(diǎn)A左側(cè)及附近，該曲線近似線性，可用直線方程
[0070]B = KXP+L (I)
[0071]來表示，式中的K為斜率，P為功率，L為特定柴油機(jī)的空載損耗，如附圖6中的曲線③所示。
[0072]基于上述分析，在由柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電并通過DC/DC變換器供給負(fù)載，并為蓄電池組充電的供電模式下，通過在一定的范圍內(nèi)調(diào)整DC/DC變換器輸出端電壓的大小，從而使蓄電池組充電電流和充電功率大小發(fā)生變化，增加電壓即可增加充電電流和充電功率。如此，在柴油發(fā)電機(jī)輕載時，可通過增加蓄電池組的充電功率將柴油發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)拉向最佳效率點(diǎn)A。
[0073]對于直流輸入的電子負(fù)載而言，其直流輸入電壓在一定范圍內(nèi)的低頻變化是完全允許的，并且上述對DC/DC變換器輸出端電壓的調(diào)整范圍是非常有限的，例如，對于常見的車載24V直流配電系統(tǒng)，蓄電池組在充放電過程中的端電壓變化范圍一般控制在22V-27.5V之間，在此范圍可以滿足調(diào)載的需要。具體的充電調(diào)載過程如下。
[0074](I)主測控板通過CAN總線向柴油發(fā)電機(jī)控制器發(fā)送啟動柴油發(fā)電機(jī)指令，確認(rèn)柴油發(fā)電機(jī)啟動并輸出正常后，主測控板通過CAN總線設(shè)置DC/DC變換器的初始輸出電壓Ud。。，此電壓比當(dāng)前的電池電壓Ubat略高(例如略高0.5V)，但該值應(yīng)彡Ubatmax (允許的最高電池充電電壓)，以防止瞬間充電過電流，損壞電池或DC/DC變換器。設(shè)置完成之后，主測控板通過CAN總線向DC/DC變換器發(fā)送允許輸出的指令。
[0075](2)此后，在充電過程中不斷地檢測電池充電電流Idlg、電池電壓Ubat和蓄電池組S0C，若滿足UdcXUbatmax且Ι_〈Ι__ (允許的最大充電電流，一般限制在0.3C)且
SOC-SOCmax I > Λ 2，則由主測控板控制通過CAN總線向DC/DC變換器發(fā)送輸出電壓增加指令，使DC/DC變換器的輸出電壓Ude升高，從而增加充電功率。電壓可每次遞增0.1V，根據(jù)實(shí)際情況電壓增加的時間間隔可調(diào)整，例如300ms。
[0076](3)若DC/DC變換器輸出電壓Ude達(dá)到Ubatmax，由于蓄電池組充電將滿，使得IchgOehgmin (允許的最小充電電流)且I SOC-SOCmax I〈 Λ 2時(此時充電功率已經(jīng)減小)，則關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器，進(jìn)入電池獨(dú)立供電過程。
[0077](4)若在充電過程中電池電流IdlgMdlgmax,則由主測控板通過CAN總線控制DC/DC變換器的輸出電壓Udc遞減。
[0078]6、負(fù)載投切管理
[0079]負(fù)載投切管理包括兩個方面。
[0080](I)通過人機(jī)交互界面進(jìn)行負(fù)載投切可以發(fā)生在蓄電池組獨(dú)立供電模式或者柴油發(fā)電機(jī)供電模式的任意時刻。操作者通過人機(jī)交互界面的觸屏按鈕可以控制交流配電設(shè)備和直流配電設(shè)備中任意配電開關(guān)(繼電器或者接觸器)的通斷，從而達(dá)到將負(fù)載投入或?qū)⑵鋸墓┡潆娤到y(tǒng)切除的目的。
[0081](2)在專利所述的配電系統(tǒng)中，可以根據(jù)實(shí)際的使用情況對車載用電設(shè)備的優(yōu)先級進(jìn)行了劃分，分為一般和重要兩個優(yōu)先等級，重要優(yōu)先等級的負(fù)載一般為在供電系統(tǒng)中蓄電池組電能儲備告急或柴油發(fā)電機(jī)故障的情況下還需要工作的負(fù)載，一般優(yōu)先等級的負(fù)載一般為在供電系統(tǒng)中蓄電池組電能儲備告急或柴油發(fā)電機(jī)故障的情況下可以切除并且不影響車運(yùn)行的負(fù)載，根據(jù)車載設(shè)備的具體配置及任務(wù)情況，可將空調(diào)、輔助視頻系統(tǒng)等定義為一般性負(fù)載，而將車載通信雷達(dá)與定位定向設(shè)備等定義為重要負(fù)載，在供電系統(tǒng)中蓄電池組電能儲備告急或柴油發(fā)電機(jī)故障的情況下，可將一般性負(fù)載切除，從而達(dá)到盡量延長對重要負(fù)載的供電時間的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:包括柴油發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)控制器、交流配電設(shè)備、AC/DC整流器、DC/DC變換器、直流配電設(shè)備、主控制單元和蓄電池組， 柴油發(fā)電機(jī)根據(jù)接收的柴油發(fā)電機(jī)控制器發(fā)出的啟動指令，發(fā)出交流電(Uaca)經(jīng)交流配電設(shè)備后，傳送至AC/DC整流器轉(zhuǎn)換為直流電(Udel)，再經(jīng)DC/DC變換器降壓后變?yōu)榈蛪褐绷麟?Utk2)，低壓直流電(Utk2)被送至直流配電設(shè)備，直流配電設(shè)備給車載直流負(fù)載和蓄電池配電， 主控制單元采集蓄電池組的端電壓和充放電電流，接收交流配電設(shè)備采集到的交流電壓和交流電流，接收直流配電設(shè)備采集到的直流電壓和直流電流，控制柴油發(fā)電機(jī)控制器給柴油發(fā)電機(jī)發(fā)送啟動或關(guān)閉指令，向交流配電設(shè)備和直流配電設(shè)備發(fā)送啟動或關(guān)閉指令，將采集和接收到的信息傳送給人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法，其特征在于，包括以下幾個步驟: 步驟一:上電初始化，將蓄電池組的工作狀態(tài)設(shè)置為放電狀態(tài)； 步驟二:檢測蓄電池組的剩余容量SOC， a:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為放電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與放電下限容量SOCmin的差值大于預(yù)置的下門限參數(shù)時，蓄電池組給車載直流負(fù)載供電，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變化器； b:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為放電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與放電下限容量SOCmin的差值小于預(yù)置的下門限參數(shù)時，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過DC/DC變化器給直流負(fù)載供電，并為蓄電池組充電，蓄電池組的工作狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)； c:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為充電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與充電上限容量SOCmax的差值大于預(yù)置的上門限參數(shù)時，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過DC/DC變化器給直流負(fù)載供電，并為蓄電池組充電； d:當(dāng)蓄電池組的工作狀態(tài)為充電狀態(tài)，并且蓄電池組的剩余容量SOC與充電上限容量SOCmax的差值小于預(yù)置的上門限參數(shù)時，蓄電池組給車載直流負(fù)載供電，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變化器，蓄電池組的工作狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)； 步驟三:重復(fù)步驟二，直到收到停機(jī)指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法，其特征在于:所述的在柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過DC/DC變化器給直流負(fù)載供電，并為蓄電池組充電時，進(jìn)行蓄電池組充電載荷的調(diào)節(jié)，包括以下步驟: 3.1柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電后，設(shè)置DC/DC變換器的初始輸出電壓Udc0 ； 3.2檢測蓄電池組的充電電流Iehg、充電電壓Ubat和剩余容量S0C，檢測DC/DC變換器輸出電壓Udc,
Udc〈Ubatmax -S* Ichg〈Ichgmax，并且I SOC-SOCmax I > Λ 2時，主控制單元控制增加DC/DC變換器輸出電壓Udc, 當(dāng)Ι~>ΙΛ,Χ，主控制單元控制減少DC/DC變換器輸出電壓Udc ； 3.3重復(fù)前一步，當(dāng)Udc = Ubatmax且Iehg〈Iehgmin，并且I SOC-SOCmax |〈 Λ 2時，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)和DC/DC變換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種直流配電方式下的車載柴油發(fā)電系統(tǒng)的能量管理方法，其特征在于:將車載直流負(fù)載分為一般和重要兩個優(yōu)先等級，通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)車載直流負(fù)載的投入或者切除。
【文檔編號】H02J7/14GK104201755SQ201410486130
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】游江, 李美華, 孟繁榮, 鞏冰, 張敬南 申請人:哈爾濱工程大學(xué)