如何实现车辆对用作家庭备用交流电源解决方案

作者：Bill Schweber EE Times资深技术编辑

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？

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：Leonardo DRS）

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。

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：Leonardo DRS）

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。

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：Leonardo DRS）

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：Leonardo DRS）

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。
编辑：hfy