大通房车智能双发电能管理系统

王祥 郝宝青 杨卫松

摘要：随着消费升级与国民收入水平的提高[1]，中国房车行业得到了快速发展。目前通常采用的行车发电方式是额外增加1个12 V的发电机，但这依然不能满足房车电能的需求。智能双发电能管理系统创新性地改变了原有的P0架构，整车电网变成了12 V+48 V的双发电架构。通过整车控制器，根据48 V磷酸铁锂电池的电量状态与整车用电需求，智能控制12 V发电机、48 V起动发电一体机的状态与发电功率，以此满足房车电能的需求，做到了“行车2 h，用电24 h”，摆脱了对营地的依赖，做到了技术创新与市场需求的结合。

关键词：房车;48 V磷酸铁锂电池;整车控制器;智能双发电能管理

0 前言

随着消费升级、国民收入水平的提高、旅游观念的改变，以及国家政策的引导，尤其是最近几年自驾游的蓬勃发展，中国房车行业得以充分发展。图1为 2017—2020年中国房车产销量统计示意图。

与普通的车辆不同，房车需要停靠在专门的房车营地以获取补给。房车营地作为房车旅行闭环中的基础设施，要满足房车的水电需求。

由于国内房车营地的短缺，房车旅游成本高昂，便利性较差，庞大的自驾出行爱好者很难转化为房车潜在购买人群。

据统计数据显示，截至2019年12月，全国共有1 452个房车营地，其中已建成营地1 152个，在建营地330个。与此同时，欧洲、美国等地区和国家的房车已得到大规模推行，营地数量均接近3万个。

1 国内房车电能系统现状

房车营地之所以会成为制约房车发展的关键因素，主要是因为房车需要在营地获得水电补给，尤其是电能的补给。

由于我国目前的营地建设明显跟不上房车的发展，房车出厂时基本都会加大电池总容量。但是，房车本身承载能力有限，所以电池容量并非越大越好。

房车的电能系统主要分为发电系统、储存系统和用电系统3个部分。

1.1 发电系统

房车上常见的发电方式包括汽车发电机充电、市电充电和太阳能充电。

汽车发电机充电是房车上最有效的充电方式，在发动机工作时，利用车上自带的发电机，对生活电池进行充电。行车充电的特性是充电电流大，能快速有效地对电能不足的电池进行充电。

市电充电是指房车在营地或者停车点，利用民用220 V交流电或者电动汽车充电站对蓄电池进行快速有效的充电。由于目前国内房车营地数量不多，这种充电方式在旅行中使用率并不高。

太阳能充电是在房车的车顶铺装太阳能板，对蓄电池进行充电。由于车顶的面积有限，并且受天气影响较大。阴雨天基本无法充电，同时电池板也不能受到遮挡，车辆停在车库或树下同样无法充电，所以太阳能充电只能作为1种辅助手段。

然而，3种充电方式都有存在的必要性。行车充电可以利用发动机自身装配的发电机来进行，只需要发电机和蓄电池之间具有有效的电路连接。但是，随着房车用电功率的提升，行车充电功率已难以满足房车用电需求。

1.2 储能系统

房车上使用的储能电池一般分为铅酸电池和磷酸铁锂电池[2]。由于铅酸电池的体积大、质量大，放电性能较差，且能量密度较低，已难以满足房车用电需求。

磷酸铁锂电池是锂电池中的1种，其安全性高于三元锂电池，且能量密度较高[3]。目前，该类电池正在逐步成为房车市场储能电池的主流（图2）。

不论房车是选择铅酸电池还是锂电池，都需要达到一定的容量，将行车时发电机产生的电能及太阳能充电系统产生的电能存储起来，才能在房车上使用。

1.3 用电系统

房车上的电路可分为低压电部分和220 V高压电2部分。房车大多采用12 V的低压电作为室内外照明，同时配备有水泵、冰箱和部分小功率电器设备的电源等。一些大功率的电器则采用220 V的电压，如空调、微波炉、电磁炉、电视机、洗衣机等，所以房车的电路其实是2种不同电压的混合电路。

房車之所以对营地依赖性较高，主要由于行车充电电流有限，无法满足房车日益增长的用电需求。铅酸储能电池能量密度较低，同样无法满足房车日益增长的用电需求。

2 智能双发电能管理系统

国内营地化的不足制约着房车市场的发展，而去营地化的关键在于提升发电机的功率和储能电池的能量密度，即从铅酸电池向磷酸铁锂电池逐步进行升级。

发电机的发电功率除了满足底盘车的电能需求之外，还须满足上装部分的电能需求，磷酸铁锂储能电池的容量需要满足7～8 h左右的生活用电要求。

2.1 需求管理

发电机的发电功率须满足整个房车的电能需求。表1是典型的房车上部分电能需求，用电功率约3 kW左右。这说明在满足电量平衡的前提下，发电机除了满足底盘车电能需求外，还需要额外提供约3 kW左右的功率，而这是底盘车自带的12 V 发电机无法满足的。

针对于此，目前市场上有几种解决方案，例如加装额外的汽油机，或者采用原厂自带的双12 V发电机。2种方案的对比如表2所示。

这2种方案的弊端均非常明显，包括噪声大、成本高、携带汽油不便，或者无法满足房车全部的电能需求等方面。不仅如此，不管采用外置汽油机，或者双12 V发电机的方式，所用电瓶基本为12 V电压平台，如要逆变为220 V，存在转化效率低、发热量大等问题，有较大的安全隐患。

2.2 智能双发电能管理系统架构

针对当前市场需求，以及对未来整车电压平台不断提升的发展预测，大通房车开发了48 V电网系统，形成了完整的发电、储能、用电，以及电压逆变体系，可以满足房车12 V、48 V、220 V等不同电压平台的用电需求，满足用户“去营地化”的要求。图3示出了智能双发电能管理系统架构。

在这种智能双发电能管理系统中，能源系统分为3个组成部分，分别是供电系统、储能系统、用电系统。这3个组成部分通过整车控制器（VCU）实现能量的管理和分配。

供电系统有底盘车12 V发动机、充电枪、太阳能板、48 V起动发电一体机。太阳能板依赖于天气，充电枪则依赖于营地电源，只有12 V发电机和48 V起动发电一体机可以成为满足全天候去营地化的供电单元。前者的设计开发是为了满足底盘车基本用电，而后者才是整个系统的核心。

储能系统有底盘车12 V铅酸电池，容量约70 A·h，以及48 V磷酸铁锂电池，容量约150 A·h，总能量约7.2 kW·h。该储能电池按照高压电池规范选取了继电器、保险丝、电流传感器等，并且严格按照高压电池规范验证了电芯、电池包的热失控试验，有效保证了安全性。

用电系统有12 V负荷，例如冰箱、灯光等，也有220 V常规用电负荷，例如插座、电磁炉等。同时，为了降低逆变过程中的能量损耗，大通房车单独配备了48 V高效变频驻车空调，由48 V储能电池直接驱动。而且，用电系统通过充电逆变一体机实现48～220 V的升压过程，以及48～12 V的降压过程，以此来满足不同电压平台的用电需求。

2.3 不同工况下的电能管理策略

智能双发电能管理系统的核心零部件为48 V起动发电一体机，其发电功率需要满足房车的电平衡需求（图4），并且能对底盘车的起动电瓶有一定的能量补充，以此来提高底盘车电瓶的使用寿命。

在智能双发电能管理系统中，通过标定电机稳态发电特性，提高了电机在转速3 000～6 000 r/min之间的持续功率。通过测试发现，电机在房车常规使用工况点，持续发电功率维持在2.25～5.00 kW，以满足常规的用电需求。

需要注意的是，发动机和48 V起动发电一体机轮系速比为1∶3，因此3 000～6 000 r/min的发电机转速所对应的发动机转速为1 000～2 000 r/min，并且为常用工况点。

在行车过程中，为保持电量平衡，智能双发电能管理系统通过VCU，对原发动机自带的12 V发电机和48 V起动发电一体机的发电策略进行管理，并且通过48.12 V 直流转换器（DC/DC）对底盘车充电，保证底盘车12 V铅酸电池始终处于满电状态，使基型车的起动安全性有了很大的提升。

在车辆正常行驶中， VCU根据电池荷电状态（SOC）状态，结合发动机运行工况点[4]，控制48 V起动发电一体机的发电电流，在满足整车行驶过程中用电需求基础上，依然有富余功率给电池充电。

充电逻辑如下：从充电时刻开始23.476 s后，当电池SOC低于42.6%，48 V起发电一体机以56.0 A的电流开始给电池充电，在充电结束前的5 459.96 s，除了满足整车各种负荷需求之外，电池电量被充到766%。整个过程用时1.5 h左右，车辆正常行驶，无任何负面影响，并且因为48 V起动发电一体机是安装在整车前部，可以借助于整车的隔音措施，因此整个过程无噪聲.振动.平顺性（NVH）问题。

房车由于用电负荷比较多，产生的电耗较大，如果不与底盘车的起动电瓶做好隔离，很容易造成基型车起动电瓶损坏，进而导致起动困难等情况发生。

针对于此，房车智能双发电能管理系统通过48.12 V DC/DC在发动机起动瞬间，将48 V磷酸铁锂电池的电流进行逆变处理，并传输到12 V起动电瓶里。在发动机起动瞬间，逆变电流可以达到132 A，这可以有效解决起动瞬间底盘车的电流冲击。

图7中，当车辆起动，准备前进时，此时48 V起动发电一体机尚未开始工作，IDC_Current为0，而整车控制器VCU控制高压电池放电，此时高压控制系统母线电流can_num_HVCurrent为36 A，通过48 V～12 V DC/DC开始给12 V底盘车起动电瓶放电，DC/DC_I14为降压逆变电流，此时其数值为132 A。通过这种方式，来给底盘车12 V蓄电池补电，可以解决大部分房车改装因为大量增加的负荷引起的起动困难、12 V蓄电池损害等故障，大幅提高了房车使用安全性。

为验证48 V起动发电一体机在发动机全生命运行周期电平衡的情况，研究人员测试了在循环工况下的发电量。将发动机在台架上按照图5的工况运行 800 h，每循环为5个小节，每小节约1 h，共运行160循环，并统计每循环发电量，循环发电量与运行时间的关系见图6。

试验结果表明，在5 h循环中，48 V起动发电一体机单独发电量约为14 kW·h，平均发电量为2.8 kW·h，这与前述的房车用电需求基本一致。这也说明大通房车智能双发电能管理系统在保证系统安全性的前提下，充分满足了用电需求。

3 总结

随着新能源汽车市场的发展，新能源汽车及充电桩的保有量逐渐增多。部分充电桩及场地可用于房车用电及停靠，这有利于中国房车租赁市场的发展。

很多一线房车制造商已经在开始研究以增程式纯电动车作为底盘车的新能源房车，既能充分利用日益成熟的新能源配套体系，例如充电桩、高压驻车空调、PTC加热膜等，又可以利用增程式新能源汽车电池容量较大的特点，充分实现“去营地化”的目标。这可能是未来几年房车市场1个重要的研究方向。

参考文献

[1]倪维斗. 我国的能源现状与战略对策[J].山西能源与节能，2008（2）：1.5.

[2]李成学，杨大柱.电动汽车蓄电池组电池管理及其状态检测[J].电源技术，2010，34（1）：80.83.

[3]汪涵.基于混合动力汽车的磷酸铁锂电池管理系统研究[D].南京林业大学，2011.

[4]苏建徽，余世杰，赵为，等.硅太阳电池工程用数学模型[J].太阳能学报，2001，22（4）：409.412.