如何實(shí)現(xiàn)車(chē)輛對(duì)用作家庭備用交流電源解決方案

作者：Bill Schweber EE Times資深技術(shù)編輯

當(dāng)家里停電的時(shí)候，將燃油汽車(chē)、混動(dòng)汽車(chē)或電動(dòng)汽車(chē)用作備用交流電源，這一應(yīng)用是否有需求？其實(shí)用性如何？除了增加一個(gè)接到電池的逆變器，是否還有更好的方法來(lái)提供超過(guò)1kW的功率？或者標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立發(fā)電機(jī)才是更好的選擇？

無(wú)論你的汽車(chē)是內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）還是純電動(dòng)汽車(chē)（EV），在需要的時(shí)候（例如停電），把它作為基本能源為你的住所提供交流電，這可行嗎？

網(wǎng)絡(luò)上充斥著各種方案，描述在交流電源中斷的情況下，如何實(shí)現(xiàn)車(chē)輛對(duì)家庭的供電（V2H，Vehicle-to-Home），文末列出了一些例子。這些方案有一些可信，有一些不可信，可供電時(shí)長(zhǎng)受一些因素的影響，如負(fù)載、ICE/HEV燃料箱中的燃料量、或EV內(nèi)部電池組的電量等。為了將EV的電力饋送回電網(wǎng)（即V2G，Vehicle-to-Grid），業(yè)界做出了不懈努力，但這與斷電時(shí)為房屋供電完全不同。

所有這些解決方案采用的方法都是連接到12V電池，然后再利用DC/AC逆變器產(chǎn)生120VAC（或230VAC）電壓。不同方案的情況會(huì)有所不同，但是無(wú)論12V電池自身如何進(jìn)行充電，這些逆變器都能從中汲取足夠的電流，提供1000W至1200W的最大功率。

圖1：新的變速箱在設(shè)計(jì)中集成了高輸出永磁交流發(fā)電機(jī)。（圖片來(lái)源：Leonardo DRS）

無(wú)論是哪種類(lèi)型的車(chē)輛，其電源路徑中都有許多功能模塊在降低效率。就算連接到電池也不是件簡(jiǎn)單的事，因?yàn)樗幚淼碾娏魇前侔布?jí)別，必須使用牢固的線夾、堅(jiān)固的螺釘以及大口徑的纜線，以最大程度地減少不良連接、不必要的IR壓降甚至產(chǎn)生火花的可能。而且，現(xiàn)代汽車(chē)不再是以電池為核心的簡(jiǎn)單直流電路，有一個(gè)網(wǎng)站專(zhuān)門(mén)介紹如何將日產(chǎn)Leaf汽車(chē)用作電源，其中有這樣的描述，“LEAF接地不應(yīng)連接到電池地線，因?yàn)檫@樣可能損壞測(cè)量電流的傳感器?！?/p>

我注意到最近軍隊(duì)將悍馬（這是一種使用廣泛的高機(jī)動(dòng)性多用途車(chē)輛，或稱(chēng)為HMMWV或Humvee）進(jìn)行了改裝，將其用作交流電源，卻不影響其作為汽車(chē)的主要用途。它無(wú)需增加逆變器和懸掛纜線，這種改裝將車(chē)輛真正變成了一個(gè)電源。

悍馬改裝最關(guān)鍵的地方是，用來(lái)替代標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備同時(shí)還是交流發(fā)電機(jī)，其封裝尺寸不變，且不會(huì)影響悍馬傳動(dòng)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度（圖1）。這是一項(xiàng)工程上的壯舉，由主要軍事承包商Leonardo DRS與Allison Transmission緊密合作完成。Allison Transmission是最早的悍馬變速箱的開(kāi)發(fā)商，也是全球最大的中重型商用車(chē)輛全自動(dòng)變速箱制造商。

他們成功將一個(gè)大電源“擠進(jìn)”了變速箱的位置，甚至可以在野戰(zhàn)倉(cāng)庫(kù)中將其改裝為動(dòng)力總成，而不必一定在工廠完成（如圖2所示）?，F(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)或車(chē)輛交流發(fā)電機(jī)無(wú)需進(jìn)行任何改動(dòng)。

圖2：集成式變速箱/交流發(fā)電機(jī)，裝入與現(xiàn)有動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)尺寸相同的外殼中，無(wú)需延長(zhǎng)，改裝也相對(duì)簡(jiǎn)單。（圖片來(lái)源：Leonardo DRS）

悍馬Leonardo TITAN車(chē)載電源（OBVP）系統(tǒng)是普通版的升級(jí)，使車(chē)輛在靜止?fàn)顟B(tài)下可提供30kW（120/208VAC三相）功率，在行駛中可提供10kW功率，而這是采用逆變器和懸掛電纜無(wú)法做到的。注意，標(biāo)準(zhǔn)版悍馬發(fā)動(dòng)機(jī)本身的額定功率為150HP/113kW@3000rpm，190HP/142kW@3400rpm。

整個(gè)系統(tǒng)包括永磁交流發(fā)電機(jī)、功率控制單元和純正弦波逆變器（圖3）。永磁交流發(fā)電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間，但在變速箱外殼中。一些成本更低的逆變器會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)正弦波，這對(duì)某些負(fù)載來(lái)說(shuō)是可接受的，但對(duì)于其他負(fù)載則不可接受。

圖3：完整的系統(tǒng)還包括外部電源轉(zhuǎn)換和控制單元，用來(lái)處理高達(dá)30kW的輸出。（圖片來(lái)源：Leonardo DRS）

其總體效率比使用獨(dú)立的發(fā)電機(jī)至少提高了20％，而且裝配更快，不需要特殊維護(hù)——這聽(tīng)起來(lái)似乎實(shí)現(xiàn)了理想的車(chē)載發(fā)電機(jī)（如圖4所示）。此外，新組件還包括一個(gè)SAEJ1939接口，一組定義了重型車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）如何通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4：系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提高了燃料發(fā)電效率，減少了后勤支持。（圖片來(lái)源：Leonardo DRS）

我們不得不佩服這些電氣和機(jī)械工程師所擁有的創(chuàng)造力、專(zhuān)業(yè)知識(shí)、甚至膽量，他們說(shuō)“我們可以做到！”，然后真的做到了。由于對(duì)替換組件的外形尺寸、野戰(zhàn)倉(cāng)庫(kù)的升級(jí)能力、以及常規(guī)軍用設(shè)備的耐用性等各方面都有嚴(yán)苛的限制，因此這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。Leonardo目前正在升級(jí)該技術(shù)使其可用于其他類(lèi)似尺寸的車(chē)輛中，同時(shí)還在開(kāi)發(fā)大型卡車(chē)即插即用式變速箱，在行駛中提供高達(dá)55kW的功率，靜止時(shí)提供125kW的功率。

也許這只是一個(gè)夢(mèng)想，但如果可以將這種變速箱在設(shè)計(jì)上進(jìn)行一些改變，作為消費(fèi)者ICE/HEV/EV車(chē)輛動(dòng)力總成的標(biāo)準(zhǔn)選件，豈不是很好？或許還可以提供所需的動(dòng)力轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（顯然EV只需要逆變器）。這將非常具有吸引力，因?yàn)樵谖C(jī)情況下，擁有更高效的能源庫(kù)遠(yuǎn)勝過(guò)1000W的逆變器。

不過(guò)，我并沒(méi)有迫不及待地等著這一切成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)樗诠こ躺厦媾R巨大挑戰(zhàn)，即使只增加一個(gè)組件（或只是作為一個(gè)選件），車(chē)輛基礎(chǔ)設(shè)施都會(huì)相應(yīng)增加，其成本將大大增加并由所有車(chē)輛分擔(dān)。但我們?nèi)匀怀錆M期待。
編輯：hfy