你的車可以是家用緊急發電機?

作者 : Bill Schweber,EE Times

無論你的車子是內燃引擎汽車、混合動力車還是純電動車,在有需要的時候(例如停電),把它用來作為基本能源為住所提供交流電使用,這可能嗎?

無論你的車子是內燃引擎(ICE)汽車、混合動力車(HEV)還是純電動車(EV),在有需要的時候(例如停電),把它用來作為基本能源為住所提供交流電(AC)使用,這可能嗎?

網際網路上充斥著各種資源,描述在AC電源中斷的情況下,如何實現車輛對家庭的供電(Vehicle-to-Home,V2H)。這些方案有一些是可信的,有些並不可取,畢竟在供電時經常受到許多因素的影響,如負載、ICE/HEV燃油箱中的燃料量,或是EV內部電池組的電量等。為了將EV的電力饋送回電網(即Vehicle-to-Grid,V2G),業界持續不懈地努力,但這與斷電時為房屋供電完全不同。

這些解決方案所採用的方法都是連接到12V電池,然後再利用DC/AC逆變器產生120VAC (或230VAC)電壓。不同方案的情況會有所不同,但是無論12V電池本身如何進行充電,這些逆變器都能從中汲取足夠的電流,提供1,000~1,200W的最大功率。

無論是哪種類型的車輛,其電源路徑中都有許多功能模組在降低效率。就算連接到電池也不是件簡單的事,因為它要處理的電流是100A級,必須使用牢固的線夾、堅固的螺釘以及大口徑的纜線,以最大程度地減少不良的連接、不必要的IR壓降以及甚至是產生火花的可能。而且,現代的車子不再是以電池為核心的簡單直流(DC)電路。有一個網站專門介紹如何將日產(Nissan) Leaf車款作為電源使用,其中有一段這樣的描述,「LEAF接地不應連接到電池地線,因為這樣可能損壞測量電流的感測器。」

我注意到最近軍中會將悍馬車(這是一種廣為使用的高機動性多用途車輛,即HMMWV或Humvee)進行改裝,將其用作AC電源,卻不至於影響其作為車輛的主要用途。它無需增加逆變器和懸掛纜線,這種改裝真正將車輛變成了一個電源。

改裝悍馬車的關鍵在於用來取代標準動力傳動系統的設備,同時也是交流發電機,其封裝尺寸不變,且不會影響悍馬車傳動系統的總長度(圖1)。這是一項工程的壯舉,由主要的軍事承包商Leonardo DRS與Allison Transmission密切合作完成。Allison Transmission是最早的悍馬車變速箱開發商,也是全球最大的中/重型商用車輛全自動變速箱製造商。

 

圖1:新的變速箱在設計中整合了高輸出永磁交流發電機。

(來源:Leonardo DRS)

 

他們成功將一個大電源「擠進」變速箱的位置,甚至可以在野戰倉庫中將其改裝為動力傳動,不必一定得在工廠完成(如圖2所示),而且無需改動現有引擎或車輛交流發電機。

 

圖2:整合式變速箱/交流發電機可載入與現有動力傳動系統尺寸相同的外殼中,無需延長傳統線,改裝也相對簡單。

(來源:Leonardo DRS)

 

悍馬車用的Leonardo TITAN車載電源(OBVP)系統是普通車輛的升級版,讓車輛在靜止狀態下可提供30kW (120/208VAC三相)功率,在行駛中可提供10kW功率,這是採用逆變器和懸掛電纜無法做到的。值得注意的是,標準版悍馬車引擎本身的額定功率為150HP/113kW@3,000rpm以及190HP/142kW@3,400rpm。

整個系統包括永磁交流發電機、功率控制單元以及純正弦波逆變器(圖3)。永磁交流發電機安裝在引擎和變速箱之間,但仍位於變速箱外殼中。有些成本更低的逆變器會產生步進正弦波,這對於某些負載來說是可接受的,但對於其他負載則否。

 

圖3:完整的系統還包括外部電源轉換和控制單元,用於處理高達30kW的輸出。

(來源:Leonardo DRS)

 

其總體效率比起使用獨立式發電機至少提高了20%,而且裝配更快,不需要特殊維護——這聽起來似乎實現了理想的車載發電機(如圖4所示)。此外,新元件還包括一個SAEJ1939介面,這是一組定義了重型車輛中引擎控制單元(ECU)如何透過CAN匯流排進行通訊的標準。

 

圖4:系統的另一個優點是提高了燃料發電效率,並減少後勤支持。

(來源:Leonardo DRS)

 

我們不得不佩服這些電氣和機械工程師的創造力、專業知識以及甚至膽量,他們說:「我們可以做到!」然後就真的實現了。由於針對替換元件的外形尺寸、野戰倉庫的升級能力,以及通用軍用設備的耐用性等各方面都有嚴苛的限制,因此這是一項極具挑戰的任務。Leonardo目前正升級該技術使其適用於其他類似尺寸的車輛中,同時還在開發大型卡車隨插即用型變速箱,在行駛中提供高達55kW的功率,靜止時提供125kW的功率。

或許這只是一個夢想,但如果可以將這種變速箱設計進行一些改變,作為消費者ICE/HEV/EV車輛動力傳動的標準配備,豈不是很好?或許還可以提供所需的動力轉換子系統(顯然EV只需要逆變器)。這將變得非常具有吸引力,因為在危機情況下,擁有更高效的能源庫遠勝過1kW的逆變器。

不過,可別開始迫不及待地等著這一切成為現實,因為它在工程上還面臨巨大挑戰,即使增加一個元件(或只是作為一個選配),都會相應增加車輛的基礎設施,其成本將大幅提高且由所有的車輛分擔。但我們仍然充滿期待。

當家裡停電的時候,將ICE、HEV或EV車輛當做備用AC電源,你認為這一應用是否存在需求?其實用性如何?除了增加一個連接到電池的逆變器,是否還有其他更好的方法來提供超過1kW的功率?或者,標準的獨立發電機才是更好的選擇?無論是支持還是反對獨立發電機,理由都很充份。為了防患於未然,如果足以負擔高額成本,或許投資Tesla Powerwall (一種Generac型的甲烷/丙烷燃氣系統)或Generac PWRcell儲能系統才是更好的選擇?

(參考原文:Use Your Car as a Vehicle-to-Home Power Plant?,by Bill Schweber)

 

 

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