CN109687564A - 一种车载光伏轴头冗余发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车载光伏轴头冗余发电系统，包括：轴头发电机、太阳能光伏板、冗余供电控制器及蓄电池；轴头发电机的转轴与机车车轴连接，由机车车轴带动轴头发电机的转轴旋转发电；太阳能光伏板设置于机车车厢顶部，用于将太阳能转化为电能；冗余供电控制器的电机接口及光伏接口分别与轴头发电机、太阳能光伏板连接，并且冗余供电控制器的充电电路与蓄电池连接，用于控制轴头发电机、太阳能光伏板向蓄电池充电和/或为其他车载设备供电；蓄电池用于存储轴头发电机和太阳能光伏板发出的电能，并在冗余供电控制器的控制下为车载设备供电。本发明能够实现对车载设备24小时不间断供电，减轻列车内电气连接的复杂程度，提高列车运行的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及快捷货运车载电器供电技术领域，尤其涉及一种车载光伏轴头冗余发电系统。
背景技术
国家提出运输模式转型，大力发展轨道交通运输，在原有货运机车的基础上，新型的快捷货运货车的研发迫在眉睫。为满足货运物流信息及车辆状态的监控，需要在 货车上加装定位、监控及通讯设备。
经过调研发现，现有货车平台货车车厢大部分没有独立的供电系统，当机车入库后，车厢内的供电中断，设备则停止工作。还有一部分车厢安装有单独的电池供电系 统，机车启动后，机车内电源向电池进行充电，入库后电池向用电设备进行供电，电 池频繁的深度充放电，导致电池的寿命大大缩短。在没有机车供电的情况下，如何实 现24小时不间断供电成为一个迫切需要解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种车载光伏轴头冗余发电系统，所述系统包括：轴头发电机、太阳能光伏板、冗余供电控制器及蓄电池；其中，所述轴头发电 机的转轴与机车车轴连接，由机车车轴带动轴头发电机的转轴旋转发电；所述太阳能 光伏板设置于机车车厢顶部，用于将太阳能转化为电能；所述冗余供电控制器的电机 接口与所述轴头发电机的输出端连接，所述冗余供电控制器的光伏接口与所述太阳能 光伏板的输出端连接，并且所述冗余供电控制器的充电电路与蓄电池连接，用于控制 所述轴头发电机、太阳能光伏板向蓄电池充电和/或为其他车载设备供电；
所述蓄电池用于存储所述轴头发电机和太阳能光伏板发出的电能，并在所述冗余供电控制器的控制下为车载设备供电。
在一实施例中，所述冗余供电控制器包括：控制电路、整流单元和BUCK-BOOST 电路；
所述控制电路用于对BUCK-BOOST电路进行稳压、限流控制，使BUCK-BOOST 电路向蓄电池进行三段式充电；
所述整流单元用于将所述轴头发电机发出的交流电整流滤波为直流电；所述BUCK-BOOST电路用于对太阳能光伏板和轴头发电机输出的电压进行升压或降压后 对蓄电池充电。
在一实施例中，所述冗余供电控制器还包括：检测电路，用于检测蓄电池电压及输出电流、轴头发电机输出电压及电机转速、太阳能光伏板输出电压。
在一实施例中，所述冗余控制器还包括显示器，用于显示所述检测电路检测到的所述蓄电池电压及输出电流、轴头发电机输出电压及电机转速、太阳能光伏板输出电 压。
在一实施例中，所述冗余供电控制器还包括人机交互单元，用于接收用户输入的信息。
在一实施例中，所述轴头发电机采用永磁发电机。
在一实施例中，所述太阳能光伏板采用单晶硅太阳能电池板。
在一实施例中，所述蓄电池采用铅酸电池。
在一实施例中，所述轴头发电机通过断路器与所述冗余供电控制器的电机接口连接。
在一实施例中，所述太阳能光伏板通过断路器与所述冗余供电控制器的光伏接口连接。
本发明实施例提供的光伏轴头冗余发电系统具有以下优点：
(1)光伏轴头冗余发电系统能够通过轴头发电机、太阳能光伏板、冗余供电控制器及蓄电池组成不间断供电系统，实现车载设备的24小时不间断工作。
(2)每一节车厢都安装一套冗余供电系统，则可以大大减轻列车内电气连接的复杂程度，减少车厢布线的工作量，提高了列车运行的安全可靠性，同时提高故障检修 效率及整车的容错能力。
(3)太阳能是清洁能源，在货车停止运行时有光条件下提供能量来源，符合节能环保的理念；轴头发电机在货车运行过程中提供稳定的能量来源同时为蓄电池充电， 以备夜间停车状态下功能设备用电安全。
(4)车载光伏轴头冗余发电系统通过发电机和太阳能的冗余供电，能够实现所有环境中的可持续供电。在最恶劣的环境中(车辆停运且无光的条件下)，设备依靠蓄 电池供电还可以连续运行24小时。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的车载光伏轴头冗余发电系统的原理框图；
图2为本发明实施例提供的冗余供电控制器的原理框图；
图3为本发明实施例中的BUCK-BOOST电路的原理图。
具体实施方式
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。
图1是光伏轴头冗余发电系统的原理框图，如图1所示，本发明实施例提供的车 载光伏轴头冗余发电系统主要由4个部分构成：轴头发电机、太阳能光伏板、冗余供 电控制器和蓄电池。轴头发电机的转轴与机车转轴相连，依靠转轴实现高速旋转进行 发电。太阳能光伏板设置于机车车厢顶部，用于将太阳能转化为电能。轴头发电机的 输出端连接在冗余供电控制器的电机接口上，太阳能光伏板的输出端连接在冗余供电 控制器的光伏接口上，并且冗余供电控制器的充电电路与蓄电池连接。冗余供电控制 器的作用在于能够安全高效地控制轴头发电机和太阳能光伏板对蓄电池进行充电，或 向其他车载设备供电。蓄电池用于存储轴头发电机和太阳能光伏板发出的电能，并在 冗余供电控制器的控制下为车载设备供电。具体工作过程可以定义在以下几个环境中 进行：
(1)当列车在光照条件良好环境中以大于50km/h运行时，由车轴带动轴头发电 机发电，给车载设备供电，同时给蓄电池充电。与此同时，太阳光伏板也处于工作状 态，给车载设备供电，同时给蓄电池充电。具体轴头发电机和太阳能光伏板哪个起主 要作用，是由控制器根据电压进行裁决的，谁输出的电压高则谁输出的功率大。
(2)当列车在光照条件良好环境中处于停车状态或以低于50km/h的速度运行时，轴头发电机的输出电压很低，此时主要由太阳能光伏板对车载设备进行供电，同时对 蓄电池进行充电。
(3)当列车在光照条件较差环境中以大于50km/h运行时，太阳能光伏板输出电 压过低，此时主要由轴头发电机对车载设备进行供电，同时对蓄电池进行充电。
(4)当列车光照条件较差环境且以低于50km/h的速度运行时，太阳能光伏板和 轴头发电机的输出电压都较低，此时车载设备的供电主要由蓄电池提供。
在一实施例中，蓄电池采用铅酸电池，储存能量大，能够满足车载设备运行24 小时所需的电能。当列车提速运行或者光照恢复后，轴头发电机或太阳光伏板能够在 为设备供电的同时快速补充蓄电池的能量。
本发明实施例提供的光伏轴头冗余发电系统具有以下优点：
(1)光伏轴头冗余发电系统能够通过轴头发电机、太阳能光伏板、冗余供电控制器及蓄电池组成不间断供电系统，实现车载设备的24小时不间断工作。
(2)每一节车厢都安装一套冗余供电系统，则可以大大减轻列车内电气连接的复杂程度，减少车厢布线的工作量，提高了列车运行的安全可靠性，同时提高故障检修 效率及整车的容错能力。
(3)太阳能是清洁能源，在货车停止运行时有光条件下提供能量来源，符合节能环保的理念；轴头发电机在货车运行过程中提供稳定的能量来源同时为蓄电池充电， 以备夜间停车状态下功能设备用电安全。
(4)车载光伏轴头冗余发电系统通过发电机和太阳能的冗余供电，能够实现所有环境中的可持续供电。在最恶劣的环境中(车辆停运且无光的条件下)，设备依靠蓄 电池供电还可以连续运行24小时。
在一实施例中，轴头发电机通过断路器与冗余供电控制器的电机接口连接。
在一实施例中，太阳能光伏板通过断路器与冗余供电控制器的光伏接口连接。
在一实施例中，轴头发电机采用永磁发电机。永磁同步发电机取消了励磁系统损耗，提高了效率，并且取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠。并且永磁 同步发电机结构紧凑，体积小、重量轻，尺寸和形状灵活多样。
具体实施时，轴头发电机可以采用24V永磁发电机，其额定转速达600r/min， 额定功率为200W。当列车运行速度大于48.6km/h(对应转轴转速为300r/m)时，轴 头发电机即可提供100W的发电输出功率；当列车运行速度达到97.2km/h(对应转轴 转速为600r/m)以上时，轴头发电机即可提供200W的发电输出功率；当列车运行速 度达到153.8km/h(对应转轴转速为950r/m)以上时，轴头发电机即可提供300W的 发电输出功率。
在一实施例中，太阳能光伏板选用单晶硅太阳能电池板。例如，太阳能光伏板可选择面积为990mm*1640mm、输出为250W/24V的单晶硅太阳能电池板，相对于多 晶硅太阳能电池板来说，单晶硅太阳能电池板的优点在于效率比较高，在光照条件良 好的条件下可稳定输出大于150W的输出功率。
在一实施例中，蓄电池采用铅酸电池，在电池电压确定的情况下，电池容量的选择很重要。例如，为满足功率为30W的设备(车载用电设备采取低功耗设计，其最 大功率为50W，低功耗状态功率为10W，综合工况估计平均功耗不大于30W))连续 工作24小时，此时要求蓄电池持续输出的功率为30W，则要求输出电压为24V的蓄 电池输出的电流I＝30W/24V＝1.25A，设备连续工作24小时，则需要电池容量为 C＝1.25A*24h＝30Ah，考虑到余量，可以选择40Ah/24V的铅酸电池组。
图2为本发明实施例提供的冗余供电控制器的原理框图。如图2所示，冗余供电 控制器主要包括控制电路、整流单元和BUCK-BOOST电路。
控制电路对BUCK-BOOST电路进行稳压、限流控制，使BUCK-BOOST电路向 蓄电池进行三段式充电，即恒流、恒压、涓流。并且，由控制电路控制发电机和光伏 组件对蓄电池进行充电，同时提供电机过转速、过电压、过电流限制，一旦轴头发电 机超过设定的上限转速、上限电压或上限电流，冗余供电控制器会自动启动PWM智 能卸载，从而保护轴头发电机不被烧毁。
整流单元的主要作用是将轴头发电机发出的交流电整流滤波为直流电。当点击输出电压有效值为交流24V时，整流后得到的直流电压VDC＝24V*2.34＝56.16V。
BUCK-BOOST电路对太阳能光伏板和轴头发电机输出的电压进行升压或降压后 再对蓄电池充电。BUCK-BOOST电路也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低 于输入电压、也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输 入电压相反，其电路原理如图3所示。BUCK-BOOST电路可看作是Buck变换器和 Boost变换器串联而成的电路，这种电路可做升压电路，也可以作为降压电路。当功 率管Q1导通时，电流的逆时针流向。输入端电感L1直接接到电源两端，此时电 感电流逐渐上升，此过程中主要由输入电容CIN供电。输出端COUT依靠自身的 放电为负载RL提供能量。当功率管Q1关断时，电流顺时针流向，给输入电容充 电，在输出端，由于电感的电流不能突变，电感通过续流管D1给输出电容COUT及 负载RL供电。当轴头发电机的输出电压低于蓄电池电压时，冗余供电控制器自动启动升压模块，将轴头发电机输出的电压提升到充电电压，此时轴头发电机进行升压 以对蓄电池进行充电。当轴头发电机输出电压高于蓄电池电压时，为了获取最大功率， 冗余供电控制器自动启动降压模块，对轴头发电机的输出电压进行降压以对蓄电池进 行充电。
在一实施例中，冗余供电控制器还包括一检测电路，用于检测蓄电池电压及输出电流，轴头发电机输出电压及电机转速，以及太阳能光伏板输出电压。在一实施例中， 冗余控制器还包括一显示器，用于显示检测电路检测到的蓄电池电压及输出电流、轴 头发电机输出电压及电机转速、太阳能光伏板输出电压，由控制电路将这些参数显示 在显示器上，提高了系统的可操作性。
通常地，冗余供电控制器还包括一人机交互单元，用于接收用户输入的信息，如充电电流，发电器的上限转速、上限电压和上限电流，蓄电池的容量上限等相关信息， 由控制电路接收这些信息并进行相应处理。
上述的显示器可为液晶显示器，液晶显示器可以显示系统的相关参数信息，和人机交互单元配合可以对系统的相关参数，例如充电电流、过流保护值等参数进行设置。
如图1所示，当太阳能光伏板和轴头发电机同时工作时，将太阳能光伏板的输出电压和2.34倍的轴头发电机输出电压进行比较，电压高的那个将作为主要的功率输 出。如果此刻光照强烈或者列车高速运转，车厢内的用电设备供电完全由太阳能光伏 板或者轴头发电机提供，与此同时，过剩的能量还可以用来给蓄电池充电。当充电处 在恒流充电过程时，图2中所示的控制电路将控制BUCK-BOOST电路以设置的充电 电流上限值进行充电；当充电处于恒压阶段时，BUCK-BOOST电路将输出电压稳定 在设置的电池电压上限值进行恒压充电，此时的充电电流会逐渐减小，直至无限趋近 与零。当蓄电池完全处于放电状态时，控制器会不断检测电池的电压，当电池电压降 至欠压点时，控制器会切断电池的放电回路，并发出报警信号。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件 方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序 代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流 程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的 每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些 计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设 备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执 行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方 框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包 括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一 个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算 机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或 方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术 人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述系统包括：轴头发电机、太阳能光伏板、冗余供电控制器及蓄电池；其中，所述轴头发电机的转轴与机车车轴连接，由机车车轴带动轴头发电机的转轴旋转发电；所述太阳能光伏板设置于机车车厢顶部，用于将太阳能转化为电能；所述冗余供电控制器的电机接口与所述轴头发电机的输出端连接，所述冗余供电控制器的光伏接口与所述太阳能光伏板的输出端连接，并且所述冗余供电控制器的充电电路与蓄电池连接，用于控制所述轴头发电机、太阳能光伏板向蓄电池充电和/或为其他车载设备供电；
所述蓄电池用于存储所述轴头发电机和太阳能光伏板发出的电能，并在所述冗余供电控制器的控制下为车载设备供电。
2.根据权利要求1所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述冗余供电控制器包括：控制电路、整流单元和BUCK-BOOST电路；
所述控制电路用于对BUCK-BOOST电路进行稳压、限流控制，使BUCK-BOOST电路向蓄电池进行三段式充电；
所述整流单元用于将所述轴头发电机发出的交流电整流滤波为直流电；所述BUCK-BOOST电路用于对太阳能光伏板和轴头发电机输出的电压进行升压或降压后对蓄电池充电。
3.根据权利要求2所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述冗余供电控制器还包括：检测电路，用于检测蓄电池电压及输出电流、轴头发电机输出电压及电机转速、太阳能光伏板输出电压。
4.根据权利要求3所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述冗余控制器还包括显示器，用于显示所述检测电路检测到的所述蓄电池电压及输出电流、轴头发电机输出电压及电机转速、太阳能光伏板输出电压。
5.根据权利要求2所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述冗余供电控制器还包括人机交互单元，用于接收用户输入的信息。
6.根据权利要求1所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述轴头发电机采用永磁发电机。
7.根据权利要求1所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述太阳能光伏板采用单晶硅太阳能电池板。
8.根据权利要求1所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述蓄电池采用铅酸电池。
9.根据权利要求1所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述轴头发电机通过断路器与所述冗余供电控制器的电机接口连接。
10.根据权利要求1所述的车载光伏轴头冗余发电系统，其特征在于，所述太阳能光伏板通过断路器与所述冗余供电控制器的光伏接口连接。
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| CN201811364217.5A Pending CN109687564A (zh) | 2018-11-16 | 2018-11-16 | 一种车载光伏轴头冗余发电系统 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101603458A (zh) * | 2009-07-11 | 2009-12-16 | 阳雷鸣 | 机动车用自带启动马达功能的高效发电装置 |
| CN203840002U (zh) * | 2014-03-21 | 2014-09-17 | 河南龙璟科技有限公司 | 一种车载电源管理系统 |
| CN105871303A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-08-17 | 中国人民解放军武汉军械士官学校 | 一种便携式风光互补储供电系统 |
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| CN106640525A (zh) * | 2016-12-19 | 2017-05-10 | 大冶市福达设备制造科技有限公司 | 一种车载式风能发电机 |
-
2018
- 2018-11-16 CN CN201811364217.5A patent/CN109687564A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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