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如何实现车辆对用作家庭备用交流电源解决方案

  当家里停电的时候,将燃油汽车、混动汽车或电动汽车用作备用交流电源,这一应用是否有需求?其实用性如何?除了增加一个接到,是否还有更好的方法来提供超过1kW的功率?或者标准的独立发电机才是更好的选择?

  无论你的汽车是内燃机(ICE)汽车、混合动力汽车(HEV)还是纯电动汽车(EV),在需要的时候(例如停电),把它作为基本能源为你的住所提供交流电,这可行吗?

  网络上充斥着各种方案,描述在交流电源中断的情况下,如何实现车辆对家庭的供电(V2H,Vehicle-to-Home),文末列出了一些例子。这些方案有一些可信,有一些不可信,可供电时长受一些因素的影响,如负载、ICE/HEV燃料箱中的燃料量、或EV内部电池组的电量等。为了将EV的电力馈送回电网(即V2G,Vehicle-to-Grid),业界做出了不懈努力,但这与断电时为房屋供电完全不同。

  所有这些解决方案采用的方法都是连接到12V电池,然后再利用DC/AC逆变器产生120VAC(或230VAC)电压。不同方案的情况会有所不同,但是无论12V电池自身如何进行充电,这些逆变器都能从中汲取足够的电流,提供1000W至1200W的最大功率。

  图1:新的变速箱在设计中集成了高输出永磁交流发电机。(图片来源:LeonardoDRS)

  无论是哪种类型的车辆,其电源路径中都有许多功能模块在降低效率。就算连接到电池也不是件简单的事,因为它要处理的电流是百安级别,必须使用牢固的线夹、坚固的螺钉以及大口径的缆线,以最大程度地减少不良连接、不必要的IR压降甚至产生火花的可能。而且,现代汽车不再是以电池为核心的简单直流电路,有一个网站专门介绍如何将日产Leaf汽车用作电源,其中有这样的描述,“LEAF接地不应连接到电池地线,因为这样可能损坏测量电流的传感器。”

  我注意到最近军队将悍马(这是一种使用广泛的高机动性多用途车辆,或称为HMMWV或Humvee)进行了改装,将其用作交流电源,却不影响其作为汽车的主要用途。它无需增加逆变器和悬挂缆线,这种改装将车辆真正变成了一个电源。

  悍马改装最关键的地方是,用来替代标准动力传动系统的设备同时还是交流发电机,其封装尺寸不变,且不会影响悍马传动系统的总长度(图1)。这是一项工程上的壮举,由主要军事承包商LeonardoDRS与AllisonTransmission紧密合作完成。AllisonTransmission是最早的悍马变速箱的开发商,也是全球最大的中重型商用车辆全自动变速箱制造商。

  他们成功将一个大电源“挤进”了变速箱的位置,甚至可以在野战仓库中将其改装为动力总成,而不必一定在工厂完成(如图2所示)。现有发动机或车辆交流发电机无需进行任何改动。

  图2:集成式变速箱/交流发电机,装入与现有动力传动系统尺寸相同的外壳中,无需延长,改装也相对简单。(图片来源:LeonardoDRS)

  悍马LeonardoTITAN车载电源(OBVP)系统是普通版的升级,使车辆在静止状态下可提供30kW(120/208VAC三相)功率,在行驶中可提供10kW功率,而这是采用逆变器和悬挂电缆无法做到的。注意,标准版悍马发动机本身的额定功率为150HP/P/。

  整个系统包括永磁交流发电机、功率控制单元和纯正弦波逆变器(图3)。永磁交流发电机安装在发动机和变速箱之间,但在变速箱外壳中。一些成本更低的逆变器会产生步进正弦波,这对某些负载来说是可接受的,但对于其他负载则不可接受。

  图3:完整的系统还包括外部电源转换和控制单元,用来处理高达30kW的输出。(图片来源:LeonardoDRS)

  其总体效率比使用独立的发电机至少提高了20%,而且装配更快,不需要特殊维护——这听起来似乎实现了理想的车载发电机(如图4所示)。此外,新组件还包括一个SAEJ1939接口,一组定义了重型车辆发动机控制单元(ECU)如何通过CAN总线进行通信的标准。

  图4:系统的另一个优点是提高了燃料发电效率,减少了后勤支持。(图片来源:LeonardoDRS)

  我们不得不佩服这些电气和机械工程师所拥有的创造力、专业知识、甚至胆量,他们说“我们可以做到!”,然后真的做到了。由于对替换组件的外形尺寸、野战仓库的升级能力、以及常规军用设备的耐用性等各方面都有严苛的限制,因此这是一项极具挑战的任务。Leonardo目前正在升级该技术使其可用于其他类似尺寸的车辆中,同时还在开发大型卡车即插即用式变速箱,在行驶中提供高达55kW的功率,静止时提供125kW的功率。

  也许这只是一个梦想,但如果可以将这种变速箱在设计上进行一些改变,作为消费者ICE/HEV/EV车辆动力总成的标准选件,岂不是很好?或许还可以提供所需的动力转换子系统(显然EV只需要逆变器)。这将非常具有吸引力,因为在危机情况下,拥有更高效的能源库远胜过1000W的逆变器。

  不过,我并没有迫不及待地等着这一切成为现实,因为它在工程上面临巨大挑战,即使只增加一个组件(或只是作为一个选件),车辆基础设施都会相应增加,其成本将大大增加并由所有车辆分担。但我们仍然充满期待。

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