一种特种车辆用高压供电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于供电技术领域，特别涉及一种特种车辆用高压供电系统及其控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，现代战场形势日益复杂多变，对特种车辆的功能和特性提出了新的要求，因此，特种车辆的武器装备和驱动系统等逐渐从传统的机械传动转向电力传动，导致特种车辆对电能的需求不断增加，如何满足特种车辆日益增加的电能需求成为当前的研究的热点。

特种车辆用高压供电系统主要为整车提供高压电能，以满足特种车辆大功率用电设备的需求。目前，特种车辆供电系统广泛采用以蓄电池为主的储能设备。蓄电池具有高比能量、低比功率的特点，在车辆稳定工况下可以满足电能需求，然而，在一些瞬时功率需求较大的工况下，如车辆启动、加速、调炮等场景，蓄电池无法满足电能需求。此外，大电流的充放电会缩短蓄电池的使用寿命，虽然增加蓄电池容量可以提高比功率，但会增加成本、体积和重量，且蓄电池的充放电速度较慢，无法满足特种车辆武器装备瞬时、多次大功率用电的需求，限制了其运行性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种满足特种车辆武器装备供电需求的高压供电系统及其控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种特种车辆用高压供电系统，包括发电子系统和补功子系统，发电子系统包括飞轮发电机、发电机控制器，飞轮发电机与发电机控制器相连接；补功子系统包括超级电容模组、DC/DC充电机、控制单元、绝缘监测模块，DC/DC充电机一端与直流母线相连，另一端与超级电容模组相连，超级电容模组经接触器KM2与直流母线相连，直流母线经熔断器FU1、接触器KM1后输出直流电，发电机控制器的输出与直流母线相连，控制单元分别与绝缘监测模块、发电机控制器、接触器控制端相接。

进一步的，所述飞轮发电机类型为永磁同步发电机，发电机安装在发动机和变速箱之间，飞轮发电机输出三相交流电。

进一步的，所述的发电机控制器，输入端为飞轮发电机输出的三相交流电源，输出端为高压直流电源。

上述特种车辆用高压供电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

具备三种工作模式，分别为正常模式、应急模式和维护模式，整车控制单元控制高压供电系统工作在正常模式和应急模式下，维护模式只能通过上位机手动进入；

其DC/DC充电机启动条件为：1)直流母线电压≥充电电压最低阀值；2)直流母线电压＞超级电容模组电压，且直流母线电压-超级电容模组电压≥10V；3)发动机实际转速≥充电最低转速阀值；

超级电容的并网条件为：1)直流母线电压-超级电容模组电压≤10V；2)高压供电系统实际绝缘电阻≥绝缘电阻故障阀值；3)接触器KM1已闭合；

在正常工作模式下，补功子系统的超级电容脱网条件为：1)发动机转速≤系统运行最低转速阀值；2)接触器KM1断开；3)高压供电系统实际绝缘值≤绝缘电阻故障阀值；满足上述任意一个条件，超级电容便会脱网；

在应急模式下，超级电容不会进行脱网；

在维护模式下，补功子系统的超级电容脱网条件为：1)接触器KM1断开；2)高压供电系统实际绝缘值≤绝缘电阻故障阀值；满足上述任意一个条件，超级电容便会脱网。

本发明的技术效果在于：本发明由发电系统和补功子系统共同协作组成高压供电系统，能实现正常模式下的长时间的稳态负载供电和多次短时的瞬态负载供电，以及应急模式下的短时间稳态负载、瞬态负载供电。高压供电系统同时具备跛行运行能力，当高压供电系统中的子补功系统出现故障时，子发电系统仍然能正常运行，能够给整车提供长时间的稳态负载的供电，且最大供电能力≥稳态负载用电需求；在应急模式下或当发电子系统故障时，补功子系统能够给整车提供短时常态、瞬态负载的供电，最大供电能力≥稳态负载+瞬态负载用电需求。

附图说明

附图1为本发明的电路结构图。

附图2为本发明的运行模式结构图。

附图3为本发明的运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体要求实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种特种车辆用高压供电系统，包括发电子系统和补功子系统。发电子系统包括飞轮发电机、发电机控制器，飞轮发电机与发电机控制器相连接；补功子系统包括超级电容模组、DC/DC充电机、控制单元、绝缘监测模块，DC/DC充电机一端与直流母线相连，另一端经熔断器FU2与超级电容模组相连，超级电容模组经熔断器FU2、接触器KM2与直流母线相连，直流母线经熔断器FU1、接触器KM1后输出直流电，发电机控制器的输出与直流母线相连，控制单元分别与绝缘监测模块、发电机控制器、接触器控制端相接。

高压供电系统有3种工作模式，具体为：正常模式、应急模式和维护模式。正常模式和应急模式是通过接收整车控制单元来进行切换，维护模式是针对设备维护、功能、性能调试所设计的专用功能，该功能无法通过整车指令进行切换，需要操作人员进行手动切换。在每一种工作模式下分别有正常、告警和故障3种系统工作状态，当发电系统或补功系统发生告警或故障时，两子系统首先响应自身保护措施并通过通信总线将各自的系统工作状态上报至整车控制单元。在高压供电系统运行过程中，补功系统接收发电系统所传输的运行息，将其作为动作响应的判定依据。两子系统的运行机制具体如下:

发电子系统：

发电系统在每种工作模式下都有3种工作状态，分别为正常状态、告警状态和故障状态。在正常状态下，发电机控制器通过无传感器转子位置估算算法计算实时的发动机转速，发电机实时监测发电机温度和控制器温度。当实际发动机转速≥怠速转速后，发电机控制器输出额定电压，发电系统输出功率≤怠速输出功率，当实际发动机转速≥额定转速，发电系统输出功率≤额定输出功率。发电系统的最大功率输出跟随发动机的实际转速进行实时调整并限制其最大输出功率，保证发动机的正常运行。

在运行过程中，如果检测到发电机告警温度阀值≤发电机实际温度≤发电机故障温度阀值，或控制器告警温度阀值≤控制器实际温度≤控制器故障温度阀值，此时发电系统处于告警工作状态，发电系统会进行降性能运行，当发电机实际温度≥发电机故障温度阀值、控制器实际温度≥控制器故障温度阀值或触发其他致命故障，发电系统将处于故障工作状态，发电子系统会进行停机保护，停止高压直流输出，但不影响整车动力传动。

补功子系统：

补功系统在每种工作模式下都有3种工作状态，分别为：正常、告警和故障状态。在使用过程中，开启对补功系统的弱电供电后，超级电容模组进行超级电容单体电压及温度监测，补功系统对整个高压供电系统进行实时绝缘电阻检测，当超级电容单体电压、温度正常且系统实际绝缘电阻≥绝缘电阻告警阀值，系统判定运行状态正常；当超级电容单体电压、温度正常且系统绝缘电阻故障阀值≤绝缘电阻≤绝缘电阻告警阀值，系统进入告警状态，此时系统功能、性能不受限制，可以正常供电；当超级电容单体电压、温度异常或系统绝缘电阻≤绝缘电阻故障阀值，系统进入故障状态，此时补功系统DC/DC充电机将被失能，接触器KM2强制关断，超级电容模组禁止进行并网。接触器KM1、KM2闭合之前其相应的防浪涌电路会首先闭合，经过一段时间后再闭合KM1、KM2，最后断开防浪涌电路，以减小在闭合接触器KM1、KM2的过程中出现大电流，防止出现接触器粘连现象，提高接触器使用寿命。

高压供电系统默认为正常工作模式，在该模式下，给高压供电系统供弱电，系统自检通过后为正常工作状态，运行流程首先进入准备阶段，等待发动机启动。控制单元在进入准备阶段后会判断充电条件是否满足，具体为：(1)直流母线电压V1≥充电电压最低阀值；(2)直流母线电压V1>超级电容模组电压V2且直流母线电压V1－超级电容模组电压V2≥10V；(3)发动机实际转速≥充电最低转速阀值，同时满足上述条件，则启动DC/DC充电机进行充电，否则继续等待。在充电过程中DC/DC充电机限制充电功率，以保证补功系统在充电阶段车上其他用电设备的用电需求不被限制。当DC/DC充电机完成给超级电容模组充电后，超级电容需要进行并网系统才能进入就绪阶段，此时才能满足瞬时负载的用电需求。电容并网的基础条件有：(1)直流母线电压V1－超级电容模组电压V2≤10V；(2)高压供电系统实际绝缘电阻≥绝缘电阻故障阀值；(3)接触器KM1已闭合。当上述条件同时满足时，控制单元先控制KLM2接触器闭合，接通防浪涌电路，然后再控制KM2接触器闭合，超级电容并连至发电机控制器高压输出直流母线上，完成超级电容并网，补功系统进入就绪阶段，可以满足稳态负载、瞬态负载高压供电需求。

在正常运行过程中，补功子系统在完成一次短时瞬态负载供电后，超级电容电压会降低，但由于此时已处于并网状态，高压直流母线会直接给超级电容模组进行充电，直至超级电容模组电压等于直流母线电压，由于发电系统具备一定过载能力，超级电容的充电功率将不会影响到稳态负载的正常用电。补功系统会实时检测KM1闭合状态、发动机实际转速、系统实际绝缘电阻、超级电容单体电压、温度等，做出相应的响应，具体有：(1)当超级电容处于并网状态时，此时补功系统处于就绪阶段，如果发动机转速≤系统运行最低转速阀值或接触器KM1断开，KM2将断开，超级电容脱网，此时补功系统重新进入准备阶段；(2)当超级电容处于脱网状态时，此时补功系统处于准备阶段，如果发动机转速≥充电最低转速阀值且KM1闭合，系统首先会判断超级电容是否是要充电，等待直流母线电压V1－超级电容电压V2≤10V条件满足，闭合接触器KM2使超级电容并网。

在正常运行过程中系统检测到有告警或故障状态后，具体响应为：(1)超级电容处于并网状态时，当二级绝缘故障阀值≤高压供电系统绝缘电阻≤一级绝缘告警阀值，补功系统输出一级绝缘告警信息，但不影响系统功能；当系统绝缘电阻≤二级绝缘故障阀值或超级电容单体电压、温度异常时，补功系统自动切断KM2接触器，将超级电容进行脱网，并等待故障恢复。(2)超级电容处于脱网状态时，当二级绝缘故障阀值≤高压供电系统绝缘电阻≤一级绝缘告警阀值，补功系统输出一级绝缘告警信息，但不影响超级电容并网；当系统绝缘电阻≤二级绝缘故障阀值或超级电容单体电压、温度异常时，接触器KM2将被强制关断，超级电容禁止并网，等待故障恢复后可并网。

高压供电系统的应急工作模式是专为紧急情况所设计的，当车辆发生故障发动机无法启动时，或发电子系统功能完全失效后，通过整车控制单元下发工作模式切换指令，系统进入应急工作模式后，会保证超级电容模组始终处于始终并网的状态，满足车辆用电设备短时用电需求。

高压供电系统的维护模式是针对设备维护、功能、性能调试所设计的专用功能，该功能无法通过整车指令进行切换，需要操作人员进行手动切换，在维护工作模式下，超级电容的并网、脱网不再受发动机实时转速的影响，具体的响应为：(1)当超级电容处于并网状态时，如果发动机转速≤系统运行最低转速阀值，KM2将不会跟随断开；但当KM1断开时，KM2将跟随断开，使超级电容脱网(2)当超级电容处于脱网状态时，如果需要将超级电容并网，需在补功系统上位机上进行手动控制KM2进行并网，并网过程中防浪涌电路会自动执行辅助闭合流程，以减小大电流对接触器的冲击，防止接触器粘连现象。

本实施例中发动机怠速转速为800rpm、额定转速为1200rpm，高压供电系统在发动机处于怠速、额定转速下的额定输出电压为325V±10V，其中发电子系统在发动机怠速转速下输出最大功率为30kW、额定转速下最大输出功率为40kW，补功子系统输出功率≮30kW，稳态负载30kW、瞬态负载30kW，瞬态负载工作时长8s。根据图2所示，高压供电系统共有3种工作模式，分别为正常工作模式、应急模式和维护模式，在每种工作模式下每个子系统有3中工作状态，分别为正常、告警和故障。正常使用时系统默认进入正常工作模式，在该模式下系统的运行流程如图3所示具体为：系统上弱电，发电子系统和补功子系统进行自检，自检通过后如果未接收到应急模式切换指令，将默认进入正常工作模式，发动机启动，发电子系统向补功子系统发送运行状态数据，补功子系统会判断发动机转速≥650rpm，并检测超级电容模组电压是否低于300V，且母线电压≥315V，此时补功子系统控制单元启动DC/DC充电机开始充电，充电过程中最大功率限制≯10kW，当电容电压满足母线电压V1-V2≤10V时，控制单元控制DC/DC充电机关闭，并控制接触器KM2及其防浪涌电路进行超级电容并网，此时高压供电系统进入就绪阶段，可以输出325V±10V直流电源，进入就绪阶段后接收整车控制单元下发的模式选择指令，工作模式的切换将改变超级电容脱网的条件，按下外部手动控制按钮，控制母线接触器KM1及其防浪涌电路闭合母线，高压供电系统提供长时间稳态负载输出30kW供电，启动瞬时负载，提供短时间瞬时负载30kW供电，此时，高压供电系统输出功率为60kW，8s后，瞬态负载关闭，超级电容并联在母线上，此时超级电容模组的充电无需再通过DC/DC充电机进行充电，直接通过母线给超级电容模组进行充电，在充电过程中，发电子系统持续给30kW稳态负载供电。在正常模式下的运行过程中，导致KM2断开的情况有以下几种：1)接触器KM1断开，接触器KM2跟随断开；2)发动机转速<300rpm，接触器KM2断开；3)高压供电系统绝缘电阻≤二级绝缘故障阀值，接触器KM2断开。当满足上述条件后，超级电容进行脱网，脱网后继续接收工作模式指令，当需要再次并网时，根据指令进入相应模式；在应急模式下，KM2将始终闭合；在维护模式下，KM2的断开条件中不包含发动机转速。