利用新能源汽车为电器充电!巧解比亚迪唐220V放电系统

朱玉龙

【第一电动网】(专栏作者 朱玉龙)本篇文章想要系统的把传统汽车和新能源汽车的交流发电和V2H和V2G的功能梳理一下,全文主要分几个部分来分别介绍,在汽车使用中,一种能够将铅酸电池电压DC12V直流电转换(在新能源汽车里面就是用高压电源)为和市电相同的AC220V交流电,供一般电器使用。

第一部分 燃油车的低功率逆变供电

在北美和欧洲市场,这种电源主要是用来给笔记本电脑使用的,是用在传统燃油车上面的设计了一个专门的供电接口,早期没有出现USB手机充电口的时候,也可以通过一般的手机充电器给手机充电。里面的接口如下面所示,车内110V供电接口。

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图 1 150W 车载前装逆变器配置

内部的接线图如下图2所示,这里从12V电池这块取电,通过IGN KL15来供电,保证在行驶中不至于200W(14A)耗掉12V电池过多的电流。对客户使用而言,通过一个LED来表示整个供电的情况,110V接头是按照一般插座经过车用环境规格修改而来的。

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图2 福特汽车逆变器电路连接线

内部逆变器是从Ebay上找到的,如图3所示,这是台达泰国工厂给福特供的部件,内部的架构(12V=>110V一级逆变通过变压器隔离)是比较简单的。

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图3 典型的前装车载逆变器

总得来说,这个规格更多的还是用在皮卡和大型车辆上面,再往上还有200W和400W两种规格,功率往上走对产品的EMC要求比较高。

第二部分 日系整车企业的情况概览

日本大地震,考虑地震灾害等应急的产品就有了市场,日本住宅企业目前正在全力开发新一代节能住宅“智能住宅”,同时也拉上了电动汽车的整车企业,好几家都尝试着V2G和应急供电,主要是电动汽车可以在日本灾后作为应急供电的单元,可以满足在紧急情况下和外出时为家电产品等供电的需求。

1)三菱公司的MiEV Power BOX

这里做了1500W的功率输出,做了一个配件来做这个事。

通过电动汽车的电池向车外供电的电源供给装置“MiEV Power BOX”,可与该公司的EV “i-MiEV”、“MINICAB-MiEV”和Outland连接。这里通过这个DC/AC单元与直流放电口连接,控制电池系统的能量输出,交流100V/1.5kW。

·尺寸长395×宽334×厚194mm

·重11.5kg

·输出端子(插座)连接线长度为1.7m

·价格为14万9800日元(含税)

配备16.0kWh容量驱动电池的EV充满电后,通过新电源供给装置,可供输出功率为1.5kW的家电产品等连续使用约5~6小时。这是普通家庭约一天的用电量。

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图4 三菱的V2G 后装放电盒

2)日产汽车的LEAF to Home

日产汽车的LEAF to home,也是基于类似的考虑,通过设备使住宅和电动汽车相连、可进行双向供电的系统。

·在发生紧急情况时利用电动汽车为家中供电

·在电费较低的深夜为电动汽车充电,白天可用于家中

·在住宅中采用光伏发电等可再生能源

这里利用了直流充电接口,配置外部的6KW的逆变器来实现双向的能量转移。由于主充电单元通过原有Chademo的控制协议走,这里做了较多的修改。

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图5 日产的V2G 6KW放电柜

3)丰田汽车的产品和V2G实验

丰田这里做了两部分设计,拿了几台prius的PHEV去做交流电一级的V2G,也给做一些车载的选配件。如图5所示,这里在放电继电器配置独立的熔丝,使用一路分立的1.5KW的100V逆变器来输出,在仅适用一个充电接口额度条件下,通过不同的接口输出来判断充电还是放电。不过值得考虑的是,这里需要考虑很多的技术因素:

·放电接口使用针对性开发的防水的,带保护盖的接口,此接口的长度很小

·考虑里面的放电的控制,兼容SAE J1772的定义

·使用Proximity的引脚做些控制,配置独立的Latch开关

这种设计带来了较大的挑战性,所以这一组的设计更多作为售后附件。

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图6 丰田的车载充电和放电系统

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图7 丰田的车载放电插头

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图8 丰田设计的接近电阻设计

总得来说,日本车企的考虑是建立在日本灾害比较多,电动汽车作为一个能量存储单元来使用的,在极端条件下,这个功能开发出来就有了很大的意义。可以保证家庭在灾害条件下的基本电能供给。

第三部分 中国国内企业的情况

国内主要是比亚迪做的比较靠前,其他车企也纷纷跟进这方面的应用。在唐这辆车上,费了很多心思,甚至专门为了这个主题应用投放了广告。这个系统的相关部件,如图9和图10所示如下:

·交流充放电口:包含电子锁和接口总成

·车载充电机:双向车载交流充电机,具备3KW双向充放电能力

·动力电池包:车上的电池包,内部需要调用三个继电器

·BMS管理:控制电池能量的释放

·高压配电盒:含正极继电器和预充电回路

·仪表:显示放电过程

·外部放电线:输出电能的接口

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图9 唐的后备箱系统布置

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图10 唐的放电系统框图

1)车载充电机

按照设计意图来看,这个充电机分三个部分:

a)3KW的AC/DC,特别是DC电压比较高

b)3.3KW的DC/AC,输出220VAC用

c)未知功率的13.8V输出,用来给低压系统+BMS系统供电

如下图所示,充电的状态下

o 充电:交流电从2进,从4变直流输出,此时交流一级的泄漏电流由Mode2&3进行监测,内部有个直流一级的漏电流检测。

o 放电:直流从4进入,从2变交流输出,此时只有直流漏电流检测。

备注:此时不知道这个13.8V的辅助电源是否再工作,如果不工作,则需要完全消耗常电或者12V电池电流。如图11所示,一开始预留了一个专门的放电连接器,后来根据优化把此项给消除了。

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图11 唐的双向车载充电机

2)交流线束和电池连接线束

由于基本处于复用的考虑,这里的能量流动双向均考虑在同一线路上进行,可分成:

·交流线束:充电插座<==>充电机

·直流线束:充电机<==>配电盒

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图12 唐的高压配电线束

3)充/放电口和放电线束

充电插座:配置有L、N、PE三根动力线,还有CC、CP还有电子锁控制线

放电线束:国标的头子,配上专用的定制2kOhm的接触电阻

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图 13 唐的放电线束和插线板

4)高压配电盒

高压配电盒包括以下几个部分

a)电池包里面有三个接触器,负接触器、两电池包分段接触器(内部分压用)

b)预充继电器:配合上盖的预充电阻

c)正极接触器:主接触器

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图14 唐的高压配电盒

放电系统整个工作过程

放电系统整个启动过程如图15所示,完全靠接触引脚CC上的电阻来判断,充电机根据这个接近电阻是否等于2Kohm来判断是否进入放电模式,一旦检测之后,通过与BMS和仪表系统进行交互来实现系统放电。这里并没有说明电子锁的动作,所以不清楚是否电子锁是否锁止。

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图 15 放电系统工作过程图

注意这个逻辑图里面,开关完全靠插头的接触电阻。 整个系统工作以后,需要涉及动力网总线、启动网总线

1)动力网:车载充电器、低压BMS、组合仪表等这条线是必须激活的。

2)启动网: 锁电子锁需要BCM进行启动

一些猜想:在边界范围比如电池电量较低的模式下使用这个功能,因为按照BMS的保护系统的设计,当SOC低于10%的时候,可以启动驻车充电模式,然后通过驻车发电模式(启动TCU+ECM),维持系统工作在电量SOC<15%的模式调整发电电流。否则按照这个模式下去,电给放完了。

合规的讨论

根据做了一个双向,使得3.3KW的充电大了好大的一圈。其实从内部的走线配置来看,从原有GB/T20234出电,目前是不被许可的,出现漏电保护的因素,没有涵盖在里头。在18487.1里面充电过程最接近的是1.5KOhm的10A线束连接,同时没有任何反向能流的规定或者说明 。这个功能其实超出了目前整个标准体系,未来需要标准进一步加入PLC的电力线载波通信,在V2G的标准体系里面,未来是可能作为一个标准的扩展功能的。

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图 16 基于PLC的双向能流体系

本文小结: 和智绿的尹总交流,感觉从未来的市场需求,特别是户外郊游乃至应急的考虑,电动汽车可以充分发挥出这个功能的作用。部署在大容量电池的纯电动汽车和增程式的电动汽车上,都会有比较好的使用效果。但是对于放电的逻辑,这个功能需要整合在V2G和V2H里面更合适一些。

参考文件:

1. 比亚迪-唐 高压电器系统技术培训 系列之二

2. 比亚迪-唐 电路系统技术培训教材 系列之四

作者:朱玉龙

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