大通房車智能雙發電能管理系統

王祥 郝寶青 楊衛松

摘要：隨著消費升級與國民收入水平的提高[1]，中國房車行業得到了快速發展。目前通常采用的行車發電方式是額外增加1個12 V的發電機，但這依然不能滿足房車電能的需求。智能雙發電能管理系統創新性地改變了原有的P0架構，整車電網變成了12 V+48 V的雙發電架構。通過整車控制器，根據48 V磷酸鐵鋰電池的電量狀態與整車用電需求，智能控制12 V發電機、48 V起動發電一體機的狀態與發電功率，以此滿足房車電能的需求，做到了“行車2 h，用電24 h”，擺脫了對營地的依賴，做到了技術創新與市場需求的結合。

關鍵詞：房車;48 V磷酸鐵鋰電池;整車控制器;智能雙發電能管理

0?前言

隨著消費升級、國民收入水平的提高、旅游觀念的改變，以及國家政策的引導，尤其是最近幾年自駕游的蓬勃發展，中國房車行業得以充分發展。圖1為 2017—2020年中國房車產銷量統計示意圖。

與普通的車輛不同，房車需要?？吭趯ｉT的房車營地以獲取補給。房車營地作為房車旅行閉環中的基礎設施，要滿足房車的水電需求。

由于國內房車營地的短缺，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化為房車潛在購買人群。

據統計數據顯示，截至2019年12月，全國共有1 452個房車營地，其中已建成營地1 152個，在建營地330個。與此同時，歐洲、美國等地區和國家的房車已得到大規模推行，營地數量均接近3萬個。

1?國內房車電能系統現狀

房車營地之所以會成為制約房車發展的關鍵因素，主要是因為房車需要在營地獲得水電補給，尤其是電能的補給。

由于我國目前的營地建設明顯跟不上房車的發展，房車出廠時基本都會加大電池總容量。但是，房車本身承載能力有限，所以電池容量并非越大越好。

房車的電能系統主要分為發電系統、儲存系統和用電系統3個部分。

1.1?發電系統

房車上常見的發電方式包括汽車發電機充電、市電充電和太陽能充電。

汽車發電機充電是房車上最有效的充電方式，在發動機工作時，利用車上自帶的發電機，對生活電池進行充電。行車充電的特性是充電電流大，能快速有效地對電能不足的電池進行充電。

市電充電是指房車在營地或者停車點，利用民用220 V交流電或者電動汽車充電站對蓄電池進行快速有效的充電。由于目前國內房車營地數量不多，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，對蓄電池進行充電。由于車頂的面積有限，并且受天氣影響較大。陰雨天基本無法充電，同時電池板也不能受到遮擋，車輛停在車庫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動機自身裝配的發電機來進行，只需要發電機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 儲能系統

房車上使用的儲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儲能電池的主流（圖2）。

不論房車是選擇鉛酸電池還是鋰電池，都需要達到一定的容量，將行車時發電機產生的電能及太陽能充電系統產生的電能存儲起來，才能在房車上使用。

1.3?用電系統

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的低壓電作為室內外照明，同時配備有水泵、冰箱和部分小功率電器設備的電源等。一些大功率的電器則采用220 V的電壓，如空調、微波爐、電磁爐、電視機、洗衣機等，所以房車的電路其實是2種不同電壓的混合電路。

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

2?智能雙發電能管理系統

國內營地化的不足制約著房車市場的發展，而去營地化的關鍵在于提升發電機的功率和儲能電池的能量密度，即從鉛酸電池向磷酸鐵鋰電池逐步進行升級。

發電機的發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

發電機的發電功率須滿足整個房車的電能需求。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，發電機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 發電機無法滿足的。

針對于此，目前市場上有幾種解決方案，例如加裝額外的汽油機，或者采用原廠自帶的雙12 V發電機。2種方案的對比如表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，或者雙12 V發電機的方式，所用電瓶基本為12 V電壓平臺，如要逆變為220 V，存在轉化效率低、發熱量大等問題，有較大的安全隱患。

2.2?智能雙發電能管理系統架構

針對當前市場需求，以及對未來整車電壓平臺不斷提升的發展預測，大通房車開發了48 V電網系統，形成了完整的發電、儲能、用電，以及電壓逆變體系，可以滿足房車12 V、48 V、220 V等不同電壓平臺的用電需求，滿足用戶“去營地化”的要求。圖3示出了智能雙發電能管理系統架構。

在這種智能雙發電能管理系統中，能源系統分為3個組成部分，分別是供電系統、儲能系統、用電系統。這3個組成部分通過整車控制器（VCU）實現能量的管理和分配。

供電系統有底盤車12 V發動機、充電槍、太陽能板、48 V起動發電一體機。太陽能板依賴于天氣，充電槍則依賴于營地電源，只有12 V發電機和48 V起動發電一體機可以成為滿足全天候去營地化的供電單元。前者的設計開發是為了滿足底盤車基本用電，而后者才是整個系統的核心。

儲能系統有底盤車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。該儲能電池按照高壓電池規范選取了繼電器、保險絲、電流傳感器等，并且嚴格按照高壓電池規范驗證了電芯、電池包的熱失控試驗，有效保證了安全性。

用電系統有12 V負荷，例如冰箱、燈光等，也有220 V常規用電負荷，例如插座、電磁爐等。同時，為了降低逆變過程中的能量損耗，大通房車單獨配備了48 V高效變頻駐車空調，由48 V儲能電池直接驅動。而且，用電系統通過充電逆變一體機實現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的用電需求。

2.3?不同工況下的電能管理策略

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

在智能雙發電能管理系統中，通過標定電機穩態發電特性，提高了電機在轉速3 000～6 000 r/min之間的持續功率。通過測試發現，電機在房車常規使用工況點，持續發電功率維持在2.25～5.00 kW，以滿足常規的用電需求。

需要注意的是，發動機和48 V起動發電一體機輪系速比為1∶3，因此3 000～6 000 r/min的發電機轉速所對應的發動機轉速為1 000～2 000 r/min，并且為常用工況點。

在行車過程中，為保持電量平衡，智能雙發電能管理系統通過VCU，對原發動機自帶的12 V發電機和48 V起動發電一體機的發電策略進行管理，并且通過48.12 V 直流轉換器（DC/DC）對底盤車充電，保證底盤車12 V鉛酸電池始終處于滿電狀態，使基型車的起動安全性有了很大的提升。

在車輛正常行駛中， VCU根據電池荷電狀態（SOC）狀態，結合發動機運行工況點[4]，控制48 V起動發電一體機的發電電流，在滿足整車行駛過程中用電需求基礎上，依然有富余功率給電池充電。

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

房車由于用電負荷比較多，產生的電耗較大，如果不與底盤車的起動電瓶做好隔離，很容易造成基型車起動電瓶損壞，進而導致起動困難等情況發生。

針對于此，房車智能雙發電能管理系統通過48.12 V DC/DC在發動機起動瞬間，將48 V磷酸鐵鋰電池的電流進行逆變處理，并傳輸到12 V起動電瓶里。在發動機起動瞬間，逆變電流可以達到132 A，這可以有效解決起動瞬間底盤車的電流沖擊。

圖7中，當車輛起動，準備前進時，此時48 V起動發電一體機尚未開始工作，IDC_Current為0，而整車控制器VCU控制高壓電池放電，此時高壓控制系統母線電流can_num_HVCurrent為36 A，通過48 V～12 V DC/DC開始給12 V底盤車起動電瓶放電，DC/DC_I14為降壓逆變電流，此時其數值為132 A。通過這種方式，來給底盤車12 V蓄電池補電，可以解決大部分房車改裝因為大量增加的負荷引起的起動困難、12 V蓄電池損害等故障，大幅提高了房車使用安全性。

為驗證48 V起動發電一體機在發動機全生命運行周期電平衡的情況，研究人員測試了在循環工況下的發電量。將發動機在臺架上按照圖5的工況運行 800 h，每循環為5個小節，每小節約1 h，共運行160循環，并統計每循環發電量，循環發電量與運行時間的關系見圖6。

試驗結果表明，在5 h循環中，48 V起動發電一體機單獨發電量約為14 kW·h，平均發電量為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電能管理系統在保證系統安全性的前提下，充分滿足了用電需求。

3?總結

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

很多一線房車制造商已經在開始研究以增程式純電動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、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，充分實現“去營地化”的目標。這可能是未來幾年房車市場1個重要的研究方向。

參考文獻

[1]倪維斗. 我國的能源現狀與戰略對策[J].山西能源與節能，2008（2）：1.5.

[2]李成學，楊大柱.電動汽車蓄電池組電池管理及其狀態檢測[J].電源技術，2010，34（1）：80.83.

[3]汪涵.基于混合動力汽車的磷酸鐵鋰電池管理系統研究[D].南京林業大學，2011.

[4]蘇建徽，余世杰，趙為，等.硅太陽電池工程用數學模型[J].太陽能學報，2001，22（4）：409.412.