大通房車智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)

王祥 郝寶青 楊衛(wèi)松

摘要：隨著消費(fèi)升級(jí)與國(guó)民收入水平的提高[1]，中國(guó)房車行業(yè)得到了快速發(fā)展。目前通常采用的行車發(fā)電方式是額外增加1個(gè)12 V的發(fā)電機(jī)，但這依然不能滿足房車電能的需求。智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)創(chuàng)新性地改變了原有的P0架構(gòu)，整車電網(wǎng)變成了12 V+48 V的雙發(fā)電架構(gòu)。通過整車控制器，根據(jù)48 V磷酸鐵鋰電池的電量狀態(tài)與整車用電需求，智能控制12 V發(fā)電機(jī)、48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)的狀態(tài)與發(fā)電功率，以此滿足房車電能的需求，做到了“行車2 h，用電24 h”，擺脫了對(duì)營(yíng)地的依賴，做到了技術(shù)創(chuàng)新與市場(chǎng)需求的結(jié)合。

關(guān)鍵詞：房車;48 V磷酸鐵鋰電池;整車控制器;智能雙發(fā)電能管理

0?前言

隨著消費(fèi)升級(jí)、國(guó)民收入水平的提高、旅游觀念的改變，以及國(guó)家政策的引導(dǎo)，尤其是最近幾年自駕游的蓬勃發(fā)展，中國(guó)房車行業(yè)得以充分發(fā)展。圖1為 2017—2020年中國(guó)房車產(chǎn)銷量統(tǒng)計(jì)示意圖。

與普通的車輛不同，房車需要?？吭趯ｉT的房車營(yíng)地以獲取補(bǔ)給。房車營(yíng)地作為房車旅行閉環(huán)中的基礎(chǔ)設(shè)施，要滿足房車的水電需求。

由于國(guó)內(nèi)房車營(yíng)地的短缺，房車旅游成本高昂，便利性較差，龐大的自駕出行愛好者很難轉(zhuǎn)化為房車潛在購(gòu)買人群。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年12月，全國(guó)共有1 452個(gè)房車營(yíng)地，其中已建成營(yíng)地1 152個(gè)，在建營(yíng)地330個(gè)。與此同時(shí)，歐洲、美國(guó)等地區(qū)和國(guó)家的房車已得到大規(guī)模推行，營(yíng)地?cái)?shù)量均接近3萬個(gè)。

1?國(guó)內(nèi)房車電能系統(tǒng)現(xiàn)狀

房車營(yíng)地之所以會(huì)成為制約房車發(fā)展的關(guān)鍵因素，主要是因?yàn)榉寇囆枰跔I(yíng)地獲得水電補(bǔ)給，尤其是電能的補(bǔ)給。

由于我國(guó)目前的營(yíng)地建設(shè)明顯跟不上房車的發(fā)展，房車出廠時(shí)基本都會(huì)加大電池總?cè)萘?。但是，房車本身承載能力有限，所以電池容量并非越大越好。

房車的電能系統(tǒng)主要分為發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)和用電系統(tǒng)3個(gè)部分。

1.1?發(fā)電系統(tǒng)

房車上常見的發(fā)電方式包括汽車發(fā)電機(jī)充電、市電充電和太陽能充電。

汽車發(fā)電機(jī)充電是房車上最有效的充電方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，利用車上自帶的發(fā)電機(jī)，對(duì)生活電池進(jìn)行充電。行車充電的特性是充電電流大，能快速有效地對(duì)電能不足的電池進(jìn)行充電。

市電充電是指房車在營(yíng)地或者停車點(diǎn)，利用民用220 V交流電或者電動(dòng)汽車充電站對(duì)蓄電池進(jìn)行快速有效的充電。由于目前國(guó)內(nèi)房車營(yíng)地?cái)?shù)量不多，這種充電方式在旅行中使用率并不高。

太陽能充電是在房車的車頂鋪裝太陽能板，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。由于車頂?shù)拿娣e有限，并且受天氣影響較大。陰雨天基本無法充電，同時(shí)電池板也不能受到遮擋，車輛停在車庫(kù)或樹下同樣無法充電，所以太陽能充電只能作為1種輔助手段。

然而，3種充電方式都有存在的必要性。行車充電可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)自身裝配的發(fā)電機(jī)來進(jìn)行，只需要發(fā)電機(jī)和蓄電池之間具有有效的電路連接。但是，隨著房車用電功率的提升，行車充電功率已難以滿足房車用電需求。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

房車上使用的儲(chǔ)能電池一般分為鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池[2]。由于鉛酸電池的體積大、質(zhì)量大，放電性能較差，且能量密度較低，已難以滿足房車用電需求。

磷酸鐵鋰電池是鋰電池中的1種，其安全性高于三元鋰電池，且能量密度較高[3]。目前，該類電池正在逐步成為房車市場(chǎng)儲(chǔ)能電池的主流（圖2）。

不論房車是選擇鉛酸電池還是鋰電池，都需要達(dá)到一定的容量，將行車時(shí)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能及太陽能充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來，才能在房車上使用。

1.3?用電系統(tǒng)

房車上的電路可分為低壓電部分和220 V高壓電2部分。房車大多采用12 V的低壓電作為室內(nèi)外照明，同時(shí)配備有水泵、冰箱和部分小功率電器設(shè)備的電源等。一些大功率的電器則采用220 V的電壓，如空調(diào)、微波爐、電磁爐、電視機(jī)、洗衣機(jī)等，所以房車的電路其實(shí)是2種不同電壓的混合電路。

房車之所以對(duì)營(yíng)地依賴性較高，主要由于行車充電電流有限，無法滿足房車日益增長(zhǎng)的用電需求。鉛酸儲(chǔ)能電池能量密度較低，同樣無法滿足房車日益增長(zhǎng)的用電需求。

2?智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)營(yíng)地化的不足制約著房車市場(chǎng)的發(fā)展，而去營(yíng)地化的關(guān)鍵在于提升發(fā)電機(jī)的功率和儲(chǔ)能電池的能量密度，即從鉛酸電池向磷酸鐵鋰電池逐步進(jìn)行升級(jí)。

發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率除了滿足底盤車的電能需求之外，還須滿足上裝部分的電能需求，磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池的容量需要滿足7～8 h左右的生活用電要求。

2.1?需求管理

發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率須滿足整個(gè)房車的電能需求。表1是典型的房車上部分電能需求，用電功率約3 kW左右。這說明在滿足電量平衡的前提下，發(fā)電機(jī)除了滿足底盤車電能需求外，還需要額外提供約3 kW左右的功率，而這是底盤車自帶的12 V 發(fā)電機(jī)無法滿足的。

針對(duì)于此，目前市場(chǎng)上有幾種解決方案，例如加裝額外的汽油機(jī)，或者采用原廠自帶的雙12 V發(fā)電機(jī)。2種方案的對(duì)比如表2所示。

這2種方案的弊端均非常明顯，包括噪聲大、成本高、攜帶汽油不便，或者無法滿足房車全部的電能需求等方面。不僅如此，不管采用外置汽油機(jī)，或者雙12 V發(fā)電機(jī)的方式，所用電瓶基本為12 V電壓平臺(tái)，如要逆變?yōu)?20 V，存在轉(zhuǎn)化效率低、發(fā)熱量大等問題，有較大的安全隱患。

2.2?智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)需求，以及對(duì)未來整車電壓平臺(tái)不斷提升的發(fā)展預(yù)測(cè)，大通房車開發(fā)了48 V電網(wǎng)系統(tǒng)，形成了完整的發(fā)電、儲(chǔ)能、用電，以及電壓逆變體系，可以滿足房車12 V、48 V、220 V等不同電壓平臺(tái)的用電需求，滿足用戶“去營(yíng)地化”的要求。圖3示出了智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)架構(gòu)。

在這種智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)中，能源系統(tǒng)分為3個(gè)組成部分，分別是供電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、用電系統(tǒng)。這3個(gè)組成部分通過整車控制器（VCU）實(shí)現(xiàn)能量的管理和分配。

供電系統(tǒng)有底盤車12 V發(fā)動(dòng)機(jī)、充電槍、太陽能板、48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)。太陽能板依賴于天氣，充電槍則依賴于營(yíng)地電源，只有12 V發(fā)電機(jī)和48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)可以成為滿足全天候去營(yíng)地化的供電單元。前者的設(shè)計(jì)開發(fā)是為了滿足底盤車基本用電，而后者才是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

儲(chǔ)能系統(tǒng)有底盤車12 V鉛酸電池，容量約70 A·h，以及48 V磷酸鐵鋰電池，容量約150 A·h，總能量約7.2 kW·h。該儲(chǔ)能電池按照高壓電池規(guī)范選取了繼電器、保險(xiǎn)絲、電流傳感器等，并且嚴(yán)格按照高壓電池規(guī)范驗(yàn)證了電芯、電池包的熱失控試驗(yàn)，有效保證了安全性。

用電系統(tǒng)有12 V負(fù)荷，例如冰箱、燈光等，也有220 V常規(guī)用電負(fù)荷，例如插座、電磁爐等。同時(shí)，為了降低逆變過程中的能量損耗，大通房車單獨(dú)配備了48 V高效變頻駐車空調(diào)，由48 V儲(chǔ)能電池直接驅(qū)動(dòng)。而且，用電系統(tǒng)通過充電逆變一體機(jī)實(shí)現(xiàn)48～220 V的升壓過程，以及48～12 V的降壓過程，以此來滿足不同電壓平臺(tái)的用電需求。

2.3?不同工況下的電能管理策略

智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)的核心零部件為48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)，其發(fā)電功率需要滿足房車的電平衡需求（圖4），并且能對(duì)底盤車的起動(dòng)電瓶有一定的能量補(bǔ)充，以此來提高底盤車電瓶的使用壽命。

在智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)中，通過標(biāo)定電機(jī)穩(wěn)態(tài)發(fā)電特性，提高了電機(jī)在轉(zhuǎn)速3 000～6 000 r/min之間的持續(xù)功率。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電機(jī)在房車常規(guī)使用工況點(diǎn)，持續(xù)發(fā)電功率維持在2.25～5.00 kW，以滿足常規(guī)的用電需求。

需要注意的是，發(fā)動(dòng)機(jī)和48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)輪系速比為1∶3，因此3 000～6 000 r/min的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000～2 000 r/min，并且為常用工況點(diǎn)。

在行車過程中，為保持電量平衡，智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)通過VCU，對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的12 V發(fā)電機(jī)和48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)的發(fā)電策略進(jìn)行管理，并且通過48.12 V 直流轉(zhuǎn)換器（DC/DC）對(duì)底盤車充電，保證底盤車12 V鉛酸電池始終處于滿電狀態(tài)，使基型車的起動(dòng)安全性有了很大的提升。

在車輛正常行駛中， VCU根據(jù)電池荷電狀態(tài)（SOC）狀態(tài)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)[4]，控制48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)的發(fā)電電流，在滿足整車行駛過程中用電需求基礎(chǔ)上，依然有富余功率給電池充電。

充電邏輯如下：從充電時(shí)刻開始23.476 s后，當(dāng)電池SOC低于42.6%，48 V起發(fā)電一體機(jī)以56.0 A的電流開始給電池充電，在充電結(jié)束前的5 459.96 s，除了滿足整車各種負(fù)荷需求之外，電池電量被充到766%。整個(gè)過程用時(shí)1.5 h左右，車輛正常行駛，無任何負(fù)面影響，并且因?yàn)?8 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)是安裝在整車前部，可以借助于整車的隔音措施，因此整個(gè)過程無噪聲.振動(dòng).平順性（NVH）問題。

房車由于用電負(fù)荷比較多，產(chǎn)生的電耗較大，如果不與底盤車的起動(dòng)電瓶做好隔離，很容易造成基型車起動(dòng)電瓶損壞，進(jìn)而導(dǎo)致起動(dòng)困難等情況發(fā)生。

針對(duì)于此，房車智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)通過48.12 V DC/DC在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，將48 V磷酸鐵鋰電池的電流進(jìn)行逆變處理，并傳輸?shù)?2 V起動(dòng)電瓶里。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，逆變電流可以達(dá)到132 A，這可以有效解決起動(dòng)瞬間底盤車的電流沖擊。

圖7中，當(dāng)車輛起動(dòng)，準(zhǔn)備前進(jìn)時(shí)，此時(shí)48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)尚未開始工作，IDC_Current為0，而整車控制器VCU控制高壓電池放電，此時(shí)高壓控制系統(tǒng)母線電流can_num_HVCurrent為36 A，通過48 V～12 V DC/DC開始給12 V底盤車起動(dòng)電瓶放電，DC/DC_I14為降壓逆變電流，此時(shí)其數(shù)值為132 A。通過這種方式，來給底盤車12 V蓄電池補(bǔ)電，可以解決大部分房車改裝因?yàn)榇罅吭黾拥呢?fù)荷引起的起動(dòng)困難、12 V蓄電池?fù)p害等故障，大幅提高了房車使用安全性。

為驗(yàn)證48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)全生命運(yùn)行周期電平衡的情況，研究人員測(cè)試了在循環(huán)工況下的發(fā)電量。將發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上按照?qǐng)D5的工況運(yùn)行 800 h，每循環(huán)為5個(gè)小節(jié)，每小節(jié)約1 h，共運(yùn)行160循環(huán)，并統(tǒng)計(jì)每循環(huán)發(fā)電量，循環(huán)發(fā)電量與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系見圖6。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在5 h循環(huán)中，48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)單獨(dú)發(fā)電量約為14 kW·h，平均發(fā)電量為2.8 kW·h，這與前述的房車用電需求基本一致。這也說明大通房車智能雙發(fā)電能管理系統(tǒng)在保證系統(tǒng)安全性的前提下，充分滿足了用電需求。

3?總結(jié)

隨著新能源汽車市場(chǎng)的發(fā)展，新能源汽車及充電樁的保有量逐漸增多。部分充電樁及場(chǎng)地可用于房車用電及停靠，這有利于中國(guó)房車租賃市場(chǎng)的發(fā)展。

很多一線房車制造商已經(jīng)在開始研究以增程式純電動(dòng)車作為底盤車的新能源房車，既能充分利用日益成熟的新能源配套體系，例如充電樁、高壓駐車空調(diào)、PTC加熱膜等，又可以利用增程式新能源汽車電池容量較大的特點(diǎn)，充分實(shí)現(xiàn)“去營(yíng)地化”的目標(biāo)。這可能是未來幾年房車市場(chǎng)1個(gè)重要的研究方向。

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