你的車可以是家用緊急發電機?

2021-01-15 電子工程專輯

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塊在降低效率。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傳感器。」

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/交流發電機可加載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，新組件還包括一個SAEJ1939接口，這是一組定義了重型車輛中引擎控制單元(ECU)如何透過CAN總線進行通訊的標準。

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。由於針對替換組件的外形尺寸、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即插即用型變速箱，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，即使增加一個組件(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？

責編：Yvonne Geng

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

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