1、內部資料，注意保密精久高效汽車行車不間斷自發電電源系統在特種車輛上的應用方案方案說明：隨著車輛配備的車載用電設備越來越多、用電負荷越來越大，現有車輛的電源系統難以滿足車輛車載用電設備不斷增長的電能需求。為此，如何保證車輛車載用電設備獲得穩定而充足的電能已成為汽車技術功能發展的突出技術難題。山東精久科技有限公司自主研發和生產的精久牌高效汽車行車不間斷自發電電源系統是一種高效汽車行車不間斷自發電電源系統，主要由發電機（帶或不帶增速器）、寬范圍高精度逆變電源、功率補償單元和電控顯示單元等組成。在車輛駐車或行駛等狀態下，該系統均能穩定地輸出車載用電設備所需要的直流電、三相或單相正弦交流電，系統并設有過

2、熱、過載、短路、過/欠壓等保護功能，具有適應性強、可靠性高、輸出電能品質優和電磁兼容性好等優點，具有十分廣闊的應用前景。關鍵詞：正弦交流電 發電機 高效汽車行車不間斷自發電電源系統1 引言隨著我國國民經濟和軍備建設的快速發展，各行業對汽車產品的要求越來越高。安全、節能、環保、智能化和信息化已成為汽車技術發展的未來趨勢。在汽車上，大量采用車載用電設備、實現集通信、導航、視聽娛樂、網絡等功能于一體的多媒體信息系統是汽車電子技術領域的未來目標。在車載電控技術方面，國內一些單位已開啟了汽車控制、駕駛、信息處理、智能交通等重大核心技術的系統性研究工作，將第三代移動通信、高清晰度數字電視、衛星導航、移動網

3、絡等技術應用于汽車產品，已形成汽車工業和電子信息產業良性互動的發展態勢。近年來，由于越野車等機動車輛具有性能優良、機動性強和用途多等特點，其應用范圍越來越廣。軍用車輛可用于作戰指揮車、物資運輸車、兵員乘用車、通信指揮車、戰地救護車等；社會公務民用車輛可用于維護治安、工程搶險、森林消防、地質勘探、石油化工等領域，如藥品運輸、海鮮運輸、蔬菜水果運輸用的冷藏車、清掃車、消防車、房車以及用于野外旅游、科考探險等專門用途車輛。由此可見，車載用電設備將不斷增加，用電量將越來越大，車載用電設備的電能供應難題將會日益突出。現階段，國內采取兩種方式來解決機動車輛車載用電設備的電能供應問題：一種方式是通過燃油發電

4、機組進行供電。但這種方式存在諸多缺點：一是噪音大、污染環境；二是占用車內空間大；三是需要單獨操控；四是獨立的油箱、油路、散熱器和外置消聲等系統不易維護。另一種方式是采用國外進口產品對車輛進行改裝。據了解，美國、法國、德國和英國等國家在越野車等機動車輛上加裝自發電電源系統，為機動車輛車載用電設備供電。該自發電電源系統一般包括發電機、電子控制單元等部分，根據需要可輸出2kW、4kW、6kW等功率等級，一般輸出不超過6kW，改裝放在汽車發動機的前部上方。由于該系統在車輛啟動后和行進中不能全過程滿功率輸出電能，所以只能有限滿足越野車等機動車輛車載用電設備的需求。另外還由于該自發電電源系統產品和車輛改裝

5、價格高，同時受到維修保養等方面的限制以及國家安全方面的考慮，無法得到廣泛的使用。因此，也僅限于部分車輛改裝使用。山東精久科技有限公司自主研發和生產的精久牌自發電電源系統是一種車載式自發電電源系統，由發電機（帶或不帶增速器）、寬范圍高精度逆變電源、功率補償單元和電控顯示單元等組成。在越野車等機動車輛在駐車或行駛等全過程狀態下，該系統均能夠滿足車載用電設備所需要的電能（輸出包括直流電、三相或單相正弦交流電），且寬范圍高精度逆變電源設有過熱、過載、短路、過/欠壓等保護功能，具有輸出電能品質優、穩定性好、可靠性高和電磁兼容性好等優點。綜上所述，我公司研發的高效汽車行車不間斷自發電電源系統可以應用于各種

6、機動車輛，能夠為各種機動車輛車載用電設備提供充足的電能。無論車輛在行進還是在駐車狀態下，該系統不受發動機轉速瞬間變化或短時間停機的影響，可以持續穩定地輸出電能。同時，該系統不影響原車結構和性能，具有適應性強、方便快捷、節能環保、可靠性高、輸出電能品質優和電磁兼容性好等特點，具有十分廣闊的應用。2 系統的構成與性能2.1系統的構成高效汽車行車不間斷自發電電源系統能為車載用電設備提供穩定的電能，系統采用模塊化結構，主要由交流發電機（帶或不帶增速器）、寬范圍高精度逆變電源、功率補償單元和電控顯示單元等四部分構成。其中，交流發電機將車輛發動機輸出的動力轉換為交流電。（增速器用于對發動機的輸出轉速進行增

7、速，以保證車輛行駛或怠速時，交流發電機均能得到持續穩定的動力）；寬范圍高精度逆變電源對發電機發出的交流電進行整流逆變、穩壓、穩頻；功率補償單元保障自發電電源系統無論是在駐車、行車或發動機特殊輸出狀態時，均能可靠地向車載用電設備提供持續而穩定的電能；電控顯示單元對發電機發出的交流信號、寬范圍高精度逆變電源工作狀態、功率補償單元工作狀態的各種數據實時采集顯示。高效汽車行車不間斷自發電電源系統的構成如圖1所示：圖1 高效汽車行車不間斷自發電電源系統構成框圖2.2系統的性能及輸出指標高效汽車行車不間斷自發電電源系統是一種適合各種機動車輛使用的新型電源系統，能夠為各種機動車輛的控制、定位、通信、多媒體、

8、網絡等多種用電設備提供穩定的電能。系統可以實現預報警和自動封鎖停止工作，具有自我保護功能；并可以通過彩色顯示屏對發電機轉速、電壓、電流顯示，功率補償單元電壓、電流顯示，系統輸出電壓、頻率、電流、功率因數等電氣參數進行顯示、分析和回放，司乘人員均能方便地觀察自發電電源系統的運行狀況。精久高效汽車行車不間斷自發電電源系統的主要技術指標如表1所示。表1 主要技術指標項 目技術指標輸入發電機電壓100800V（線電壓）發電機頻率40700Hz輸出直流電壓DC 12V/24V交流供電制式交流（單相/三相）電壓400V（線電壓）/230V（相電壓）頻率50Hz（可根據用戶要求設定）波形標準正弦波額定功率因

9、數0.8穩態電壓調整率±%穩態頻率調整率±0.1%瞬態電壓調整率±10%瞬態頻率調整率±5%電壓波動率±1%頻率波動率±0.5%電壓穩定時間0.5s頻率穩定時間0.5s電壓波形正弦畸變率1%3 系統選型3.1車型的選擇車型的選擇主要取決于選擇安裝的自發電電源系統是駐車發電還是行車發電，以及電源系統功率的大小，來選擇車輛的取力方式和運行狀態。根據目前車輛的取力方式分為兩種取力形式：一種是全功率取力（比如用斷軸取力器）。全功率取力是指車輛在停止狀態下，在變速箱一軸上取力，發電功率可達到6kW16kW(20kW75kW)以上的發電系統。另一

10、種是非全功率取力（比如用側取力器、夾心取力器）。非全功率取力是指車輛在行駛時也可以工作，但在行車作業時取得的并不是發動機的全部輸出功率，一般視車輛的發動機功率和安裝位置而定，主要應用于16kW以下的發電系統。根據車輛的運行狀態可以分為駐車供電形式和行車不間斷供電形式：1、駐車自發電電源系統形式能夠滿足車輛在駐車狀態下車載用電設備對電能的要求，該種形式的取力方式可以有多種形式，如全功率取力、皮帶取力、斷軸取力、夾心取力、側取力等。發動機在怠速狀態下通過電調油門穩定在一定轉速范圍，通過取力、傳動裝置驅動自發電電源系統的發電單元，從而實現電能的輸出。2、行車自發電電源系統形式能夠滿足車輛在行駛狀態下

11、車載用電設備對電能要求。該形式的系統取力方式一般只能采取發動機前取力、側取力、夾心取力的形式，即取力裝置不受車輛離合的控制，發動機一經啟動取力裝置就開始運轉，并將動力通過傳動裝置傳遞到交流發電機，從而實現自發電系統的輸出。圖2 自發電電源系統安裝解決方案 總成選型還要根據整車用電量計算結果進行確定。總成選型主要采用兩種方案：一是發動機前端取力，通過皮帶傳遞動力，主要有更換原車的硅整流發電機或加裝交流發電機兩種方式。該系統主要由交流發電機（不帶增速器）、寬范圍高精度逆變電源、功率補償單元和電控顯示單元等部分組成，適用于中小型越野車等機動車輛，該類車輛配裝的交流發電機的功率一般在2kW6kW，由于

12、體積和空間的原因，且多選用體積小、高功率密度發電機；二是發動機后端取力，通過傳動軸傳遞動力，主要由交流發電機（帶或不帶增速器）、寬范圍高精度逆變電源、功率補償單元和電控顯示單元等部分組成，適用于大型或重型越野車等機動車輛，該類車輛配裝的交流發電機的功率范圍比較寬，一般在3kW16kW（20kW75kW），由于體積和空間比較寬松，用戶可根據系統位置和空間而定，既可選用體積小、高功率密度的發電機。又可選用價廉質好而體積稍大的常規電勵磁發電機。3.2車輛用電負荷圖的確定車輛用電負荷圖是進行交流發電機設計的重要依據之一，車輛配置的所有用電設備一般不會在同一時間全部投入工作，用電設備的工作時間長短，取決

13、于季節和環境的變化。通常以電器設備使用頻度系數概念來分析計算整車的用電量，其計算公式如下： （1）其中, 為等效電流；為第i個用電設備所對應的使用頻度系數；為第i個用電設備的電流。車輛電器設備通過使用頻度系數來表示車用電器設備在不同的季節和環境等情況下的使用頻度，根據車用電器設備的使用頻率系數和額定電流，可統計計算出整車用電量。表2以越野車改裝為例，列出了整車電氣系統常用電器設備的額定電流及使用頻度系數。表2 越野車常用電器設備的額定電流及使用頻度系數類型電氣設備額定電流（A）使用頻率系數等效電流（A）正常夏天/冬天連續工作點火系統7.001.007.00組合儀表2.001.002.00水箱風

14、扇12.000.500.75/0.256+9.00/3.00行駛系統6.001.006.00蓄電池充電5.001.005.00短時工作轉向燈7.000.100.70制動燈3.500.752.63夜間燈1.701.001.70近光燈9.201.009.20遠光燈10.000.404.00前霧燈9.200.302.76后霧燈1.750.300.53倒車燈1.750.050.09信號喇叭8.000.100.80雨刮器2.500.40/0.201/0.50隨機工作車內燈2.000.100.20電動門窗24.000.102.40電動噴水2.000.100.20空調壓縮機4.100.65鼓風機25.001

15、.00/1.0025.00/25.00ABS控制60.000.053.00收音機1.600.901.44由表2可統計得出不同季節和環境下的整車用電量，這只是越野車原車的基本用電量。車載用電設備的用電量，才是高效汽車行車不間斷自發電電源系統的主要設計依據。3.3 交流發電機的選型3.3.1發電機類型的選擇交流發電機是高效汽車行車不間斷自發電電源系統中電能的來源，主要依據車輛安裝空間的大小、使用功率和電氣控制單元的指標要求而定。目前用于高效汽車行車不間斷自發電電源系統的交流發電機主要采用兩種類型：一種是體積小、高功率密度的發電機（如稀土永磁發電機和Fe-Co合金電勵磁發電機），另一種是Fe-Si合

16、金電勵磁發電機。稀土永磁發電機是一種由經過磁化處理的永磁體產生磁場的電磁裝置。稀土永磁發電機最大優勢是它的高效高功率密度，主要表現在：（1）取消了勵磁系統的損耗，提高了效率。（2）取消了勵磁繞組和勵磁電源，結構簡單，運行可靠。（3）稀土永磁電機結構緊湊，體積小，重量輕。（4）電機的尺寸和形狀靈活多樣。一般小型車輛采用兩種方式，一種由于車輛空間小，底盤下安裝不便等原因，采用體積小、高功率密度發電機（稀土永磁發電機或Fe-Co合金電勵磁發電機）替代原車硅整流發電機的改裝方案。這種方式只是替換了發電機，其它部位不受任何影響，整車性能也不會受影響。由于發電機高效高功率密度特點，我們安裝的發電機的功率容

17、量一般是原車硅整流發電機功率容量的兩倍以上。另一種方式為加裝，即不更換原車硅整流發電機，利用車輛空間加裝發電機。稀土永磁發電機的不足之處是采用的永磁材料長時間使用可能會產生退磁和調磁困難等問題，低轉速長期工作可能會影響輸出的穩定。電勵磁發電機是一種在電機繞組內通以電流來產生磁場的電磁裝置。無論是轉速變化或負載變化，均可通過改變勵磁繞組電流調節氣隙磁場強度，從而實現輸出電壓穩定。另外，電勵磁發電機具有可控性，可通過斷開勵磁回路有效滅磁，實現電機系統的短路和故障保護。長期以來因電勵磁發電機可靠性高、輸出穩定性好和性價比高，一直得到市場的青睞。但常規電勵磁發電機由于磁性材料品質的影響加之勵磁繞組和相

18、關部件的存在使得電機體積相對較大，難以實現高功率密度。近年來，在我國科技工作者的努力下，一種Fe-Co（1J22）軟磁合金材料在我國航空航天領域開始應用，使電勵磁發電機在體積小、重量輕、低噪聲和高功率密度等性能方面提高了一大步，推動了我國航空航天事業的發展。我公司在該材料應用方面也做出了嘗試，已生產出兩臺樣機，實驗證明使用該材料制作的電勵磁發電機比常規采用Fe-Si合金制作的電勵磁發電機的輸出功率提高了30%，并且其他多項性能指標都等同于或優于永磁發電機。對于大型或重型越野車等發電機的選型，我們考慮到安裝方式和底盤空間比較大等特點一般建議選用Fe-Si合金電勵磁發電機。3.3.2發電機輸出功率

19、的選擇考慮到保證用電設備供給、提高電源系統的經濟性和發動機動力性，發電機輸出功率的選擇應以保證車輛行駛時正常用電量、蓄電池所需要的充電量以及車載特殊用電設備用電量為基礎。在極限高峰時段時，允許蓄電池向用電設備提供一定量的放電電流，這也是選擇發電機輸出功率所必需的原則之一，因此，電氣系統負荷圖是選擇車輛發電機功率等級的參考依據之一。在整車概念定義階段，車型總布置工程師選定整車所裝配的動力總成，電氣設計工程師將以此為依據來選擇高效汽車行車不間斷自發電電源系統的發電機類型及其輸出功率等級。首先，根據車輛發動機機艙總布置的三維空間安裝要求或車架部分取力器后部的三維空間安裝要求，設計檢查所選擇的發電機外

20、形，并驗算其供電量是否滿足整車的用電需要。在車輛行駛中，發電機的轉速與車速及汽車檔位有關，隨著車速和檔位的變化，發電機的轉速也作變化，其實際輸出特性也相應地改變。這是高效汽車行車不間斷自發電電源系統研發設計的難點。車輛發電機的選擇包含了輸出功率選擇和傳動比匹配選擇，在設計中選擇發電機不僅要考慮到輸出功率能否滿足整車用電設備的要求，還要考慮發電機傳動比的有機配合。因此，針對不同車型的不同使用環境要求，可計算并判斷二者間的相互關系。交流發電機轉速與車速的關系，可由下面的公式表示： （2）其中，為發電機的轉速（r/min）；為車速(km/h)； 為驅動橋速比；為變速器速比；為增速器速比；為驅動輪滾動

21、半徑（m）。設計時可根據整車給定的參數，列出不同車速時所對應的發電機工作轉速，并按照發電機的輸出特性曲線和負載特性等，計算出車輛行駛時，車輛車速、發電機轉速、發電機輸出電壓的對應情況，分析發電機輸出功率能否滿足用電設備的要求。圖3 交流發電機輸出電壓與轉速關系曲線3.4 寬范圍高精度逆變電源寬范圍高精度逆變電源是高效汽車行車不間斷自發電電源系統的主要部分，主要實現整流濾波、調控、逆變等功能，其主要原理框圖如圖4所示:圖4 寬范圍高精度逆變電源原理框圖寬范圍高精度逆變電源采用山東精久科技有限公司具有自主知識產權的國家發明專利技術“一種寬范圍輸入電壓高精度自動穩壓輸出電路”，輸入適應性強（輸入電壓

22、AC100800V，頻率40Hz700Hz均能正常工作）；采用SPWM正弦脈寬調制技術及IGBT電力逆變等模塊化結構，體積小、重量輕、輸出電壓穩定、負載適應性強；具有過壓、欠壓、過流、過載、過熱、短路等保護功能，性能穩定，質量可靠。3.5功率補償單元功率補償單元主要解決汽車變速過程中，發動機轉速低于怠速到一定程度，發電機取力有可能暫時中斷造成的變流控制器輸入暫時中斷并停止輸出的問題，功率補償單元的主電路結構如圖5所示：圖5 功率補償單元電路結構圖功率補償單元的電路主要包括：1、輸入控制單元主要由兩路構成，一路由變流控制器輸出直流電壓，另一路由交流市電通過整流濾波轉成直流電，當輸入電路滿足其中一

23、路時，補償電路就可以正常工作。2、升/降壓穩壓電路升/降壓穩壓電路由控制電路、功率IGBT模塊、IGBT驅動電路和濾波電感、電容組成。該穩壓電路采用典型Buck/Boost(降/升壓)電路將輸入的寬范圍的、變化的電壓，轉化成穩定的直流電壓。3、充電、檢測、保護等電路充電電路可以實現恒壓、恒流充電，通過相關電路實現變流控制器的輸出功率和充電電路的總功率等于額定總功率，這樣可以合理有效的利用發電機的輸出功率，即充電電流與變流控制器的負載成一定的反比關系。蓄電池為多組串聯方式，長期使用后各節電池會有差異，長期處于浮充狀態可能會導致某節電池發熱存在一定的安全隱患，因此，充電電路采用智能自動控制，根據電

24、壓的大小控制充電的通斷。檢測電路主要是檢測能量儲存器的電壓和電流，自動控制能量儲存器的充電，再一個就是檢測變流控制器的負載電流，并根據變流控制器的輸出負載來調節能量儲存器充電的功率。4、能量儲存器能量儲存器現有兩種不同方案。方案1：采用蓄電池的方式，具有電壓穩定、價格便宜等優點，具有比能低、使用壽命短、體積大、笨重等缺點。方案2：采用超級電容模組的方式，具有功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬等優點；充電速度快，充電10秒10分鐘可達到其額定容量的95%以上；循環使用壽命長，深度充放電循環使用次數可達150萬次，沒有“記憶效應”；大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，

25、大電流能量循環效率90%；功率密度高，可達300W/KG5000W/KG,相當于蓄電池的510倍；超級電容原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環保電源；充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數高，長期使用免維護；超低溫特性好，溫度范圍寬，可達-40+70。3.6電控顯示單元顯示控制單元主要對于車載自發電電源系統的各組成單元的工作狀態進行全面的檢測和顯示，并可以對系統進行相關的控制。通過對發電機輸出電量的分析得到發電機的工作狀態，并對電氣量實時顯示，對發電機的轉速進行實時顯示。通過對控制器內各電量的分析得到控制器的工作狀態，并對控制器的工作狀態及電氣量進行

26、實時顯示，可以實現控制器工作的遠程控制。通過對補償單元各電量的分析得到補償單元的工作狀態，并對補償單元的工作狀態及電氣量進行實時顯示。圖6 顯示屏圖示顯示控制單元采用分體式設計的方案，對于電氣量的采樣集成在控制器內部，顯示部分采用環境適應性強的彩色觸摸屏單元進行各單元的狀態顯示及控制器的工作控制。表3 顯示屏顯示指標模塊參數名稱正常值表盤最大值發電機發電機輸出電壓100700V720V發電機輸出電流030A36A發電機工作轉速180012000r/min15000r/min控制器控制器輸出電壓150250V300V控制器輸出電流015A20A控制器輸出頻率50Hz(45至55)60Hz補償模塊

27、補償模塊蓄電池電壓80120V120V補償模塊蓄電池電流030A36A顯示與分析單元主要用于對系統的輸出電壓、電流、頻率等性能指標進行數據分析、存儲和顯示，為用戶提供直觀良好的人機界面。保護單元在系統發生故障時，能通過聲光等進行報警。顯控部分還可以根據客戶車輛的需要增加對用電負載的開、關控制。如冷藏運輸車，冷藏箱內的溫度顯示在顯示屏上，實現實時監控。駕駛員可以通過顯示屏上的觸摸開關及時控制冷藏箱內的溫度，達到理想的使用效果。4 系統應用、試驗分析與改進4.1系統應用采用山東精久科技有限公司自主研發和生產的精久牌高效汽車行車不間斷自發電電源系統，對獵豹車進行改裝和試驗。采取的措施如下：用體積小、

28、高功率密度發電機替換硅整流發電機，配備寬范圍高精度逆變電源、功率補償單元和電控顯示單元等；在不同路況和條件下，對改裝后的越野車進行試驗，實車測試高效汽車行車不間斷自發電電源系統對車載125W短波無線電臺等用電設備的供電效果。4.2試驗分析與改進 系統試驗平臺由一臺獵豹越野車和一套精久牌3kVA高效汽車行車不間斷自發電電源系統組成，如圖7所示： 圖7 系統性能試驗平臺性能試驗主要是通過測量越野車在不同路況和不同行駛狀態下高效汽車行車不間斷自發電電源系統的輸入和輸出特性，來檢驗和評價系統的技術性能，并根據試驗數據對系統做進一步分析、升級和改進。實際外場測量得到交流發電機與高效汽車行車不間斷自發電電

29、源系統的輸出電壓和輸出頻率實測結果如圖8和圖9所示。圖8 交流發電機與電源輸出電壓實測曲線圖9 交流發電機與電源輸出頻率實測曲線由圖8和圖9可以看出，車輛在低于怠速等特殊情況下會影響到交流發電機的輸出，進而影響車載用電設備的正常工作，此時功率補償單元及時給予電能補償，從而保證車載用電設備的使用。高效汽車行車不間斷自發電電源系統的電磁兼容性對車載設備的性能影響很大。通過精久公司電磁屏蔽室和傳導干擾測試系統對系統進行CE102傳導干擾測試，所得的結果如圖10所示。圖10 未加電磁屏蔽措施的自發電源系統CE102測試曲線從圖中可以看出，改裝后的獵豹車高效汽車行車不間斷自發電電源系統輸出電能中，主要存

30、在的干擾信號集中在40k至10M的頻率范圍內，能夠對這一頻譜范圍內工作的電子設備造成干擾，根據要求采取針對性的措施對超標信號進行抑制。圖11 采取電磁屏蔽措施的自發電源系統CE102測試曲線從“圖11 采取電磁屏蔽措施的自發電源系統CE102測試曲線”可以看出，通過對寬范圍高精度逆變電源進行電磁屏蔽后，完全可以滿足GJB151A的電磁兼容的要求。4.3 系統主要優點由上述試驗結果與分析可以看出，高效汽車行車不間斷自發電電源系統有以下主要優點： （1）輸入適應性好。高效汽車行車不間斷自發電電源系統在車輛怠速至最高轉速范圍內均能正常工作，并能輸出直流電和正弦交流電，其輸出電壓和頻率不會受到車輛發動機轉速變化的影響。（2）輸出性能穩定可靠。高效汽車行車不間斷自發電電源系統采用微處理器等為核