科创中国

行业领域

高新技术改造传统产业,制造业,汽车行业相关技术,汽车制造业

需求背景

随着时代的发展，传统供电系统中供电主要采用发电机组，存在着占用空间大、功率密度小，不能满足当前轻型化、一体化和高机动性的要求；而传统取力发供电系统能源单一，且无法实现取力发电机换挡掉电时无缝切换、连续供电及静默隐蔽供电功能的要求，所以对具有后备储能功能的自取力发供电系统需求也更加强烈。

随车载运行的自取力发电供电系统对高功率密度、高效率、高供电品质和高可靠性，尤其是设备的体积、重量方面、空间的挤占提出了新的要求。

取力发电机采用高速永磁发电机是实现自取力发电供电系统高效、高功率密度的主流技术，但永磁发电机输出电能不受控，特别在行车过程中，转速大范围变化，其输出电压和频率也跟随大范围变化，不能直接给用户负载提供电能，需经过电力电子电能变换后提供给用户负载，因此实现高效、高功率密度及满足非线性负载和严重不平衡负载能力、高供电品质的电力电子电能变换技术是行车取力发供电系统的核心和关键技术。

行车取力变换器由于大波动输入因素影响，以及高效、高功率密度、高品质、高可靠性等配套要求，技术门槛高、研究难度大，国内目前柴油发电机组竞争厂家均采取外包、外协方式进行该类变换器配套。目前国内青岛瑞阳电子有限公司在该领域处于领先水平，占领大部分市场份额，其基本技术路线为采用新型SiC功率器件实现高频化，同时针对严重偏相及非线性负载，采用了先进的三相四桥臂拓扑技术，总体技术路线和产品技术水平高，但也存在如下几方面技术发展的约束，其输入整流环节（AC/DC）采取不控整流方式，不能进行功率因数校正，所需电解滤波电容量大，严重制约功率密度的提高。

需解决的主要技术难题

（1）永磁发电机设计及优化

车载取力发电装置由于安装空间有限，所以要求发电机功率密度要高，目前一般采用永磁发电机，为了提高功率密度通常会提高电机转速，但是转速的提高对电机的结构工艺要求更加苛刻。由于传动轴驱动方式对涉水密封性要求高，电机需要进行全密闭设计，全封闭结构设计所带来的最大问题是散热，所以，处理好电机的通风散热是关键。

（2）电源变换器的设计及优化

由于行车取力发电系统的转速范围比较宽，因此发电机的电压输出范围比较宽，同时要求三相逆变器能够带100%不平衡负载，所以电源变换器设计难度是比较大。为了实现100%不平衡负载，通常采用三相四桥臂的拓扑结构，目前该结构还有以下技术问题需要突破。

（A）无电解电容与变换器前馈控制技术

直流母线无电解电容，其后果是直流母线电压的波动大，对后级逆变器控制带来困难，为提高输入动态响应，需增加设计前馈控制技术，加入前馈控制技术有两个难点：一是母线电压纹波的无相位延迟的检测技术；二是前馈控制器的设计。

（B）保持逆变器中点恒定的第四桥臂结构与控制方法

第四桥臂给零序电流提供通道，但直接控制零序电流会引起中线的波动，导致波形质量不好。第四桥臂的拓扑结构及控制模式是另外一个技术难点。目前，国内外，对第四桥臂的控制策略的方案较多，经过深入仿真实验复现，发现真正能够产业化的方案很少，还需要进一步的理论分析、推导、仿真实验确定最优技术方案。

（C）高输入电压的容性直流母线技术

发电机输出的最高电压达700V，直流母线电压最高达900V，一般的母线多为感性，极易与电路中的分布电容产生谐振，峰值电压会超出1000V，存在很大风险，为降低风险，母线应设计为容性，但容性母线工艺难度大，占据较大空间且易于实现，但解决占据空间位置小的容性母线工艺是另一个较大的技术难题。

期望实现的主要技术目标

1、产品的性能指标

车辆发动机运转时通过皮带传动带动发电机运转由发电机发出电能经储能装置、电源变换装置后，提供稳定的三相AC380V/50Hz电能。自发电系统不受车辆在行进过程中换档的操作、刹车等影响，保证实时不间断提供大功率电能，并具有自发电工作、市电接入和UPS三种工作模式。工作时具有系统状态监测、上报功能，连续稳定供电的能力。

2、产品技术参数要求：

(1)     额定功率：驻车发电时输出功率不小于 30kW（发电机转速4000rpm～4500rpm），行车发电时输出功率7～30kW（发电机转速1500rpm～6000rpm）；

(2)     额定电压：AC380V/50Hz（三相四线，中性点绝缘）；

(3)     额定电流：驻车电流***，行车***；

(4)     功率因素：***（滞后）；

(5)     稳态电压调整率：≤±1%；

(6)     瞬态电压调整率：≤±12%。；

(7)     电压稳定时间：≤±***；

(8)     电压波动率：≤***%;

(9)     频率稳态调整率：≤***%；

(10)  频率瞬态调整率：≤±3%；

(11)  频率稳定时间：≤2s；

(12)  频率波动率：≤***%；

(13)  电压整定范围（空载）满足95%~110%；

(14)  冷热态电压变化（空载）：≤3%（cosΦ=***）；≤2s (cosΦ=***)；

(15)  不对称负载：在一定的三相对称负载下，任一相施加整机输出相功率的70%的单相负载，其余相空载，线电压偏差不超过±2%，线电压相位偏差不超过±***°；

(16)  连续运行：12h连续运行（其中包括过载10%运行1h）；

(17)  可靠性（MTBF）：≥2000H。

(18)  外观尺寸和重量：发电机：（Dia×L）  Φ330mm×560mm（误差±10mm）；

(19)  电源变换装置采用4U（或2U叠加），19英寸机箱独立风道设计，外形尺寸：（W×H×L）436mm×4Umm×470mm（误差±1mm），不包含突出物。

(20)  重量：≤300 kg（含互联电缆）。

(21)  保护功能：具有过压、欠压、短路、过流、超频、欠频、缺相等保护功能

需求解析

解析单位：“科创中国”咸宁大健康、智能机电专业科技服务团（湖北香城智能机电研究院有限公司） 解析时间：2023-06-16

徐碧玉

湖北香城智能机电研究院有限公司

副总经理

综合评价

车载发电机系统行业作为国民经济的基础性行业之一，行业发展与国民经济的景气程度有很强的相关性，下游行业如通信行业、电力行业、交通设施行业受其影响尤为突出。本需求描述清晰，所要实现的技术目标明确，如果研发成功，可以加速推动产品的迭代发展，适合在移动电站各个领域推广应用。打破国外垄断、技术壁垒，解决行业“卡脖子”的难题，促进国内车载自发电系统生产企业追赶国际先进技术，向专业化、智能化方向发展具有极大的促进作用。

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