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汽车可用作家庭应急发电机吗?

2020-12-24 Bill Schweber 阅读:
汽车可用作家庭应急发电机吗?
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?除了增加一个接到电池的逆变器,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?KSZednc

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。KSZednc

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。KSZednc

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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:Leonardo DRS)KSZednc

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。”KSZednc

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。KSZednc

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Leonardo DRS与Allison Transmission紧密合作完成。Allison Transmission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。KSZednc

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。KSZednc

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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:Leonardo DRS)KSZednc

悍马Leonardo TITAN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/113kW@3000rpm,190HP/142kW@3400rpm。KSZednc

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。KSZednc

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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:Leonardo DRS)KSZednc

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。KSZednc

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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:Leonardo DRS)KSZednc

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。KSZednc

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。KSZednc

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。KSZednc

当家里停电的时候,将ICE、HEV或EV车辆用作备用交流电源,你认为这一应用是否有需求?其实用性如何?除了增加一个接到电池的逆变器,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?无论是支持还是反对独立发电机,理由都很充分。如果你能负担高额成本,为了防患于未然,或许投资Tesla Powerwall(一种Generac型的甲烷/丙烷燃气系统)或Generac PWRcell储能系统才是更好的选择?KSZednc

(本文授权编译自EDN姐妹网站EETimes,原文参考链接:Use Your Car as a Vehicle-to-Home Power Plant?,由Jenny Liao编译)KSZednc

本文为《电子技术设计》2020年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里KSZednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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