關(guān)鍵詞：旅居車；純電架構(gòu)；能源管理系統(tǒng)；車輛對負(fù)載供電（V2L）

0 前言

隨著國民收入水平的不斷提高，人們的生活方式及消費(fèi)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多元化發(fā)展，我國旅居車行業(yè)也迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。旅居車在行駛過程中，需要停靠在專門的營地進(jìn)行水電補(bǔ)給。據(jù)統(tǒng)計，截至2021 年12 月，我國共有營地1 778 個，而美國共有營地約23 000 個，歐洲共有營地約25 000 個。營地數(shù)量少、配套設(shè)施不完善，已經(jīng)成為制約我國旅居車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

我國旅居車大多數(shù)是以內(nèi)燃機(jī)底盤汽車改制而來，但隨著智能旅居車的發(fā)展，旅居車對生活用電的需求越來越高，導(dǎo)致旅居車電池容量越來越大，電池容量的增加帶來了電能補(bǔ)給問題。純電動車的動力電池本身電量比較大，理論上可以滿足旅居車上裝用電器的用電需求，此外，純電動旅居車還可以充分利用新能源汽車快充樁和慢充樁等充電設(shè)施進(jìn)行充電，在一定程度上緩解旅居車因營地不足帶來的用電困擾［1］。

針對充放電基礎(chǔ)設(shè)施比較完善的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，可重點(diǎn)發(fā)展日均行駛里程為100～200 km 的純電架構(gòu)旅居車。本文研究了采用純電架構(gòu)的輕客底盤改制的旅居車，開發(fā)了與之相匹配的能源管理系統(tǒng)，解決了因營地少、充電設(shè)施不足對旅居車市場帶來的掣肘，滿足了旅居車的日常用電需求。

1 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

純電架構(gòu)旅居車能源系統(tǒng)一般由儲能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、用電系統(tǒng)等3 個部分組成，通過旅居車能源管理器實(shí)現(xiàn)能源的管理與分配。

1. 1 儲能系統(tǒng)

純電架構(gòu)旅居車的儲能系統(tǒng)一般通過動力電池來實(shí)現(xiàn)。從電壓平臺來區(qū)分，動力電池可分為12 V、24 V、48 V、350 V 等類型；從材料角度來區(qū)分，動力電池可分為鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池及三元鋰電池。

鉛酸電池存在電池容量小、能量密度低、充放電效率低和電池性能差等缺點(diǎn)。隨著旅居車用電量、用電功率的提升，鉛酸電池已經(jīng)無法滿足旅居車的用電需求［2］。近年來，雖然三元鋰電池的安全性有了較大提升，但是考慮到旅居車的日常使用場景和消費(fèi)者用車心態(tài)等因素，旅居車配裝三元鋰電池的比例不高。因此，選擇性能適中、安全性好的磷酸鐵鋰電池，完全能夠滿足旅居車的用電需求，尤其是48 V 磷酸鐵鋰電池正逐步成為旅居車配裝動力電池的主流產(chǎn)品［3］。

1. 2 充電系統(tǒng)

旅居車充電方式通常有：車載12 V 發(fā)電、外接220 V 市電和太陽能電池板充電。隨著我國新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，與其相配套的充電設(shè)施也越來越完善，快充樁和慢充樁的普及率持續(xù)提高，特別是在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)區(qū)域，充電樁的普及率更高。如果能充分利用這些充電設(shè)施實(shí)現(xiàn)對旅居車電池進(jìn)行充電，將極大緩解旅居車充電難的問題。

1. 3 用電系統(tǒng)

旅居車的用電系統(tǒng)包括：12 V 負(fù)載，如燈光、冰箱、水泵等；220 V 負(fù)載，如微波爐、電磁爐等；48 V負(fù)載，如48 V 空調(diào)系統(tǒng)、48 V 暖風(fēng)系統(tǒng)等。因此，旅居車的電路其實(shí)是由多種不同電壓平臺混合于一體的組合電路。

合理搭建旅居車電壓體系，既可以避免出現(xiàn)因逆變器升壓帶來的轉(zhuǎn)換效率損失問題，又可以利用發(fā)電機(jī)、新能源汽車充電樁、太陽能電池板等不同的充電系統(tǒng)，解決旅居車因營地少所帶來的充電難問題。

2 能源管理系統(tǒng)開發(fā)

2. 1 用電需求分析

旅居車的電壓平臺包括12 V 負(fù)載平臺、220 V負(fù)載平臺和48 V 負(fù)載平臺，不同的電壓平臺及用電器用電功率情況見表1。

目前的旅居車用電器所需的生活用電主要通過12 V 或者48 V 儲能電池來獲得，經(jīng)過升壓直流?交流（DC?AC）逆變器轉(zhuǎn)換成220 V 生活用電，如圖1所示。這種供電方式存在升壓轉(zhuǎn)換效率低、線路發(fā)熱量高、安全隱患大等問題。因此，優(yōu)化電壓平臺，避免使用低效的升壓轉(zhuǎn)換方式，是解決旅居車系統(tǒng)高能效問題的關(guān)鍵所在。

2. 2 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計，我國約有80% 的旅居車都是基于輕客底盤進(jìn)行改裝的。本文基于國內(nèi)某款純電動輕客底盤，通過改變底盤車的控制邏輯策略，以及重新設(shè)計高壓放電架構(gòu)，使原底盤車的動力電池能夠支持旅居車驅(qū)動用電需求的同時，滿足旅居車日常生活用電需求，同時開發(fā)了車輛對負(fù)載供電（V2L）功能。該款旅居車的性能參數(shù)見表2。

基于該款純電動輕客底盤開發(fā)的旅居車能源管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。該系統(tǒng)架構(gòu)的能源鏈路主要包括動力電池、高壓配電機(jī)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、V2L 系統(tǒng)、太陽能電池板、12 V 電池，以及快充系統(tǒng)、慢充系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)等部件。

另外，通過實(shí)現(xiàn)車輛控制決策的核心電子控制單元（VCU）、連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）控制單元等軟件策略的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對旅居車驅(qū)動用電、車載電器用電的合理分配。試驗(yàn)用旅居車采用該軟件策略，經(jīng)過春、夏、秋、冬不同季節(jié)的實(shí)際使用情況進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定，并進(jìn)行自適應(yīng)數(shù)據(jù)修正，達(dá)到了旅居車驅(qū)動用電與車載電器用電之間的均衡。

2. 3 核心零部件

2. 3. 1 動力電池

目前，新能源汽車普遍采用的動力電池有三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。出于電池安全性及消費(fèi)者用車心態(tài)等因素考慮，本文研究的旅居車采用磷酸鐵鋰電池，該動力電池的性能參數(shù)見表3。

通過優(yōu)化電池管理系統(tǒng)（BMS）參數(shù)，動力電池具備了為旅居車生活倉提供電力的能力，并兼具儲能功能。

2. 3. 2 太陽能管理系統(tǒng)

為了充分利用太陽能，開發(fā)了車頂太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用背場鈍化單晶硅電池片，與傳統(tǒng)電池片結(jié)構(gòu)相比，在電池片背面增加了鈍化層，使電池的效率得到明顯提升。電池片被切割成若干個小單元，可使太陽能電池板的尺寸設(shè)計更加靈活。同時，減小電池片單元尺寸，相應(yīng)的電流也會減小，從而降低了電阻損耗，降低了能量損失，使旅居車的用電消耗率得到有效改進(jìn)［4］。

在光照充足的情況下，車頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最大發(fā)電功率為150～200 W。旅居車12 V 負(fù)載平臺將優(yōu)先使用車頂太陽能發(fā)電產(chǎn)生的電能，為冰箱、燈光、小家電等用電設(shè)備進(jìn)行供電。根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)顯示，在夏季高溫條件下，車頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)的瞬時發(fā)電功率可達(dá)160 W，24 h 累積發(fā)電量約為1.2 kW·h，基本能夠滿足12 V 負(fù)載平臺全天所需的用電量。車頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)的日發(fā)電量統(tǒng)計情況如圖3 所示。

根據(jù)太陽能電池板產(chǎn)生的能量變化，在設(shè)計過程中增加了太陽能天窗驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在溫度較高的條件下自動打開旅居車的通風(fēng)系統(tǒng)，提升用戶的用車舒適度，而且增加車內(nèi)外空氣循環(huán)可以避免車內(nèi)有害氣體的聚集，有效降低內(nèi)飾件釋放的有害氣體對人體造成的危害。實(shí)際測量數(shù)據(jù)表明，在夏季高溫條件下，采用該系統(tǒng)可以降低車內(nèi)溫度30 ℃ 以上。太陽能天窗系統(tǒng)的使用效果如圖4所示。

2. 3. 3 車輛對負(fù)載供電

隨著純電動汽車?yán)m(xù)航里程不斷提升，很多汽車制造商推出了具備V2L 功能的車型。擁有V2L 功能的純電動汽車，可以將動力電池的高壓直流電通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V 交流電對外輸出，讓純電動汽車變?yōu)閼敉庖苿与娫?，支持大功率電器運(yùn)行，為人們自駕旅行或戶外露營提供電力支持。圖5 為V2L功能實(shí)現(xiàn)的示意圖。

基于國內(nèi)某款純電動旅居車，開發(fā)了VCU、高壓配電單元（PDU）、直流轉(zhuǎn)交流逆變器（CCU）等模塊和BMS，并開發(fā)了具備車內(nèi)、車外放電功能的V2L 系統(tǒng)。V2L 系統(tǒng)構(gòu)成如圖6 所示。

為滿足旅居車車載電器的用電需求，甚至為滿足戶外作業(yè)所需沖擊鉆、電鋸等動力設(shè)備的用電需求，采用了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊，使V2L系統(tǒng)的最大放電功率達(dá)到6.6 kW，解決了旅居車的各項用電需求。V2L 系統(tǒng)如圖7 所示。

在V2L 系統(tǒng)的使用過程中，當(dāng)系統(tǒng)接到放電請求時，通過VCU，旅居車結(jié)合車輛當(dāng)前的檔位、車速、高壓系統(tǒng)架構(gòu)有無故障等信息進(jìn)行邏輯判斷。如果滿足放電條件，BMS 通過電偶吸合電池正極、負(fù)極，并根據(jù)放電請求來判斷是否為車內(nèi)放電或者為車外放電，分別通過吸合車內(nèi)配電箱或車外放電槍進(jìn)行放電。V2L 系統(tǒng)的放電策略如圖8 所示。

2. 3. 4 網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對旅居車驅(qū)動用電和車載電器用電的合理分配，通過將旅居車總線與底盤總線同時接入網(wǎng)關(guān)的方式，開發(fā)了針對此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的通信矩陣與軟件，實(shí)現(xiàn)了將VCU、CCU 等模塊布置在同一網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的目的，從而達(dá)到了整車控制架構(gòu)與車載電器架構(gòu)的貫通，優(yōu)化并提升純電架構(gòu)旅居車BMS的工作效率。該旅居車的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖9所示。

2. 4 能量分配優(yōu)化

該旅居車各車載電器的日均用電量情況統(tǒng)計見表4。根據(jù)表4 可以制定出該旅居車在不同季節(jié)、不同溫度條件下的能量分配策略。通過開發(fā)放電策略，旅居車V2L 系統(tǒng)在升壓過程中的能量損失得到了優(yōu)化。此外，通過VCU 能量管理優(yōu)化策略的實(shí)施，旅居車在夏季使用空調(diào)系統(tǒng)、冬季使用暖風(fēng)系統(tǒng)過程中的能量損失進(jìn)一步降低，系統(tǒng)效率得到了提升。該旅居車在不同環(huán)境下的續(xù)航里程見表5。

受到新能源牌照、路權(quán)等政策的影響，環(huán)上海經(jīng)濟(jì)圈、海南島經(jīng)濟(jì)區(qū)等區(qū)域的地方政府對推廣純電動汽車等新能源汽車的意愿較為強(qiáng)烈，且這些地區(qū)的充電配套基礎(chǔ)設(shè)施較為完善。

據(jù)統(tǒng)計，在上述地區(qū)，在150～300 km 的范圍內(nèi)基本都可以找尋到充電樁。因此，在這些地區(qū)投放純電架構(gòu)的旅居車，即使用戶在夏季使用空調(diào)系統(tǒng)、在冬季使用暖風(fēng)系統(tǒng)等大功率電器設(shè)備，仍然可以滿足旅居車的用電需求，用戶的用車成本較低，且無續(xù)航里程焦慮。

如果按照旅居車每天運(yùn)營150 km、每年運(yùn)營200 d 的通勤頻率進(jìn)行測算，采用純電架構(gòu)的旅居車，其年運(yùn)營成本將比柴油版旅居車節(jié)省2.1 萬～3.3 萬元，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)語

基于純電架構(gòu)旅居車，開發(fā)了與之相匹配的BMS，實(shí)現(xiàn)了動力電池既可以作為驅(qū)動車輛行駛的動力來源，又可以滿足旅居車車載電器用電需求的開發(fā)目標(biāo)。此外，通過開發(fā)V2L 功能、優(yōu)化系統(tǒng)電壓平臺，解決了因逆變器升壓帶來的能量損失問題。V2L 系統(tǒng)放電策略的實(shí)施，提升了該旅居車的續(xù)航里程，滿足了旅居車車載電器的用電需求。