未来日本汽车将成为“移动发电站”

2014-11-06 08:58:46来源: 199IT

    如今,日本的汽车不仅可以代步,还能给家里供电。拥有这一特性的“V2H(Vehicle to home)”功能已经在电动汽车上开始了实际应用,外充电式混合动力汽车(PHV)和燃料电池车(FCV)的此项功能也在开发之中。这是以往的汽油车所不能比拟的。未来汽车与家庭之间的能源转换,极有可能为汽车增添新的附加值。

    目前,日本的研究人员已经开始探索最适合将电动汽车普及到大众的V2H系统。

    V2H的优势在于,它能通过“错峰用电”减少家庭的电费支出,并在停电时作为应急电源使用。使用V2H,在夜晚用相对便宜的深夜电力给汽车充电后,白天用电高峰期用汽车给家庭供电,这样就可以减少电费支出。

    而一旦汽车的能源可以转化为电力,在停电等非常时期该项功能便可以使汽车作为家用电源来使用。

    自从东日本大地震后,日本实行的计划停电政策使得因台风和暴风等自然灾害造成的停电情况增多,日产汽车公司指出,“消费者对V2H的实际需求正在增加”。

以提升电动汽车的附加价值为目标

    目前,致力于研发V2H功能的汽车厂商主要有日产、本田和丰田三家企业。日产目前已经开始了实际应用,而本田与丰田正处于应用试验阶段。尽管功能都是减少高峰用电和作为应急电源,不同汽车厂商的系统结构、输出功率与供电能力等都有一些不同。

图1为V2H的基本结构。通过使用电力转换装置(PCS)将直流电转化为交流电对家庭进行供电。不同汽车厂商的PCS配置、汽车输出电力方式各不相同。

    日本目前已经有太阳能发电、家用蓄电池、家用燃料电池和天然气发电等多种住宅自家发电设备。汽车厂商将V2H功能加入到电动汽车后,有的厂商旨在简化现有家庭发电系统,也有厂商与现有系统相结合,让使用方式更加灵活多样。

    尽管电动汽车有EV(电动汽车)、PHV(外充电式混合动力汽车)等多种选择,但从实际销售来看,除了混合动力汽车(HV)之外,其它种类目前都面临着市场普及不足问题。

    丰田与本田预计在2015年发售的FCV(氢燃料电池车)中的氢气补充站的建设等,也需要更长时间来推广。然而,各厂商仍都希望通过V2H的实际应用,在一定意义上提高电动汽车的附加价值,并以此推动电动汽车进一步普及。

日产公司以节约成本为先

    日产生产的世界第一个V2H系统——“EV发电站”(尼吉康制造)至今销售了约2000台。这一套装置最多可以从EV“聆风(LEAF)”的车载锂电池中转化出6kW的电力供家庭使用。

    图2为日产汽车的V2H系统。采用了尼吉康生产的电力转化装置(PCS)——“EV发电站。”这一装置可以从日产汽车电池的快速充电接口中输出直流电、在PCS内部会转化为交流电为家庭输出电力。

    图3在住宅内对使用汽车供电还是电力公司供电进行任意切换。使用V2H系统时,利用分电盘上的开关便可进行切换。

    在日本国内销售的4万台聆风中,有5%的客户选择了购买这一系统,推广的主要卖点就是注重宣传该系统可以通过错峰用电来减少电费。

    这一系统目前算上补贴的价格为34万日元。利用相对便宜的深夜电力为电池充电后,在白天为家庭提供一部分电力,据称用这种方式大约7年便可收回初期成本。而且汽车本身几乎不需重新改装接口,与丰田和本田的系统相比,日产系统更加重视实用性。

    为了让V2H系统更加实用,日产公司高效利用现有的系统以控制生产成本。利用原有的快速充电接口“CHAdeMO”可以从聆风中快速输出电力,与改装新接口相比节省了更多成本和人工。只要将EV发电站的电源插头插入聆风的快速充电接口中,按下EV发电站的开关即可实现向家庭供电。

日产考虑在欧美国家制造和销售该系统

    日产在家庭切换使用电力公司和汽车供电这一点上同样采取了节约成本的方案(图3)。对电力公司来说,要想将发电设备直接接入电力公司的电力网(称为系统连接),每个接入设备都要取得地方电力公司的许可。对于面向家庭普及的量产商品而言,这种认证手续不免耗费用户大量时间。

    因此,EV发电站在分电盘上安装了切换开关,用户可用于选择切换使用汽车供电或者电力公司供电;而使用聆风汽车供电时,分电盘便可以在物理上将汽车与电力网隔开,这样一来便不再需要系统连接的单独许可。

    该项课题也在根据消费者的建议进行改进调整。EV发电站在一开始无法在屋内观察电池剩余电量和设置开始时间,必须去屋外的EV发电站上进行设置。而从2014年1月开始,系统增加了在室内设置时间和观察电量的监控设备,更加方便了用户使用。

    尽管EV发电站的销售量只有2000台,但日产仍计划进行新的开发方案。目前的设备虽然主要由尼吉康生产制造,但在今后,日产准备更广泛采用零部件制造商的产品,用于“以高性能和低成本来参与竞争”。日产现在已经开始使用日产椿本兴业的系统在设备上进行应用试验。

    日产公司同样开始进一步研究V2H系统在欧美国家的制造和销售。日产公司准备在全世界销售10万台以上聆风汽车,尤其是美国的夜间电力比日本价格更加低廉,“如果用汽车储存深夜电力后用于日间发电的话,用户2到3年内便可收回成本,这比在日本的时间更短”,日产汽车企划与尖端技术开发本部主任中野智之对此非常有信心。

本田汽车提供更大供电能力

图4为本田正在试验中的V2H系统。氢燃料电池车的后备箱内搭载了可移动电力转换装置。在不使用V2H系统时可以取出PCS,充分利用车内空间。

    本田已经开始进行利用氢燃料电池车(FCV)“FCX Clarity”发电的供电应用试验(图4)。FCV的特点是供电能力更强,在停电等非常时期可以更加有效地作为应急电源使用。

    与日产聆风中容量为24kWh的锂电池相比,FCX Clarity拥有60 kWh供电能力,约为日产聆风的2.5倍,相当于普通家庭6天所需电量。拥有如此强大的供电能力,是因为FCX Clarity车内配备了大容量的氢气罐,用以实现媲美汽油车的续航距离。

    为了使汽车能够储蓄更多的能源,电力转化装置设计为可移动型。在非常时期可以将该套设备装于汽车后备箱内,在几个住宅或公共设施之间来回供电,与仅为一处住宅供电相比,该系统的利用率更高。

    FCV的另一个特点就是氢气可以在短时间内补充完毕。只要附近有氢气补充站,车载氢气罐3分钟内便可充满。而EV即使利用快速充电系统,充满电也需要花费30分钟左右,紧急情况下需要频繁供电时使用就会难免受到限制。

    有了FCV后,在停电等特殊情况下便可以“不仅方便自己,也为他人提供帮助”,本田技术研究所主任研究员冈部昌规说。

“移动的发电站”

    FCX Clarity不仅拥有强大的供电能力,事实上输出功率也相当高。依靠氢气与空气中的氧气发生化学反应发电的氢燃料电池最大的输出功率可以高达100kW,相当于30户家庭的用电。本田公司的冈部称,“FCX Clarity最终有作为‘移动发电站’使用的潜力”。

    但是根据日本目前的电力事业法规定,输出功率超过10kW的发电设备,将认定为发电站对其进行管理,必须取得经济产业省的认可。因此,这次开发的产品将输出功率控制在10kW以下。

    具体来说,每台汽车输出功率为9kW,其中6 kW将通过电力转换设备“可移动变电箱”提供给住宅,剩余3kW将为100V的插座提供电源。

    可移动变电箱安装在汽车的后备箱内。分配给家庭供电的6kW足够一般家庭使用,并且可以直接利用现有的普通充电接口从可移动变电箱内输出电力。冈部说,“重新制造可以负荷9kW电力的接口和电缆会大大提高成本,利用现有的系统既可以降低成本,又能保证使用上的便利性。”

图5为电力转换装置。(a)最大输出功率为9kW。家用电器直插接口3kW,对住宅供电6kW。通过为V2H系统新增的CHAdeMO接口与汽车相连输出电流。(b)系统构成。使用V2H系统时,将住宅安装的接线盒的插头插入PCS中即可。

    汽车本身主要改装的地方就是需要增加CHAdeMO接口。与EV和PHV不同的是,FCV以氢气作为燃料,因此车上没有普通充电和快速充电用的接口。不能利用现有的这些充电接口,FCX Clarity便在后备箱内加装了CHAdeMO接口。

    将接线盒的插头插入汽车的CHAdeMO接口后,便可从汽车中获取直流电。而汽车和接线盒之间只有进行CAN通信(Controller Area Network)确认安全后才会输出电流。

FCV或在2025到2030年左右得到普及

    FCV在住宅使用时与聆风一样,采取FCV供电与电力公司供电自由切换使用的方式。用户可以通过操作平板电脑上的应用软件,来对分电盘上的切换开关进行遥控设置。

    拥有供电能力的FCX Clarity和日产聆风一样,通过汽车对家庭供电以进行错峰用电。但除了氢燃料相关设施建设需要时间来普及以外,针对FCV的氢气销售价格也尚未确定。因此,目前只是作为应急电源对消费者有一定吸引力。

    本田计划在2015年对FCV进行量产,届时也将计划安装与V2H相应的端口。由于FCV同时还需要提供氢气相关的基础设施建设,因此关于面向个人的V2H量产商品的普及时间问题,冈部说,“以10到15年后,也就是2015至2030年为目标”。

丰田汽车结合使用住宅蓄电池

    丰田汽车的实验车辆为在“普锐斯PHV”上增加了供电功能的改良款。但是这种车型的电池容量只有4.4kWh,输出功率为1.5kW,相比蓄电池车和FCX都要低。因此,为了弥补较小的输出功率,汽车的电力将输送进家用蓄电系统储存。在需要时通过蓄电系统利用分电盘为家庭输出电力。

               图6为丰田汽车正在试验中的V2H系统。(a)从普锐斯PHV的普通充电接口将电力输送给室内的蓄电池储存。(b)日常使用时将汽车输出的电力储存于蓄电池内使用。

    这种使用方式有两个优点。一是由于利用了家用蓄电系统,汽车内安装的电力转换装置便可以做到低成本和小型化;二是即使从汽车中输出的电流不够稳定,经过家用蓄电池内部的电力转换装置后也可以获得稳定电流。

    一般1kW左右家用蓄电池的价格通常在20万日元以上,如果汽车包含了蓄电池,成本就会相应增加。而利用家用蓄电池的普锐斯PHV电力转换装置因此成功地降低了成本。

    在丰田的应用试验中,普锐斯PHV还可以进行日产和本田的系统无法进行的系统连接。住宅本身的蓄电系统已经通过个别协议获得了系统联系的许可,因此在住宅内可以同时用电力公司和汽车来供电,这样一来丰田的系统的利用率相对更高。

    汽车配备了日常用与应急用两种对住宅供电的电源线。在错峰用电时使用日常用电源线将汽车电力输送进蓄电池内存储,需要时通过分电盘将蓄电池内电量输送进家庭内使用。

    另一方面,在停电等特殊情况下,住户可以手动切换电源线,利用应急电源线为住宅内的专用插座(100V交流电)直接供电。这种特殊情况下可以不用通过分电盘便能对住宅进行供电。在应急使用时普锐斯PHV可以利用汽油维持汽车发电机的运转,加上车载电池(4.4kWh)一共可以确保40kWh(可供一般家庭使用4天)的电力供给能力。

    在今后,作为和家庭分电盘连接的自家发电装置(可以进行系统连接的自家发电装置),如果电动汽车(EV、PHV和FCV等)能够和住宅用太阳能发电系统、蓄电池、燃料电池一样,获得汽车电力转换装置许可的话,那么V2H功能的使用将会更加简便。

    在丰田的应用试验中,除了由丰田公司负责整体操作以及提供汽车实验之外,电装公司负责参与了HEMS(家庭能源管理系统)和充放电站的工作,丰田房地产则为之提供了住宅。

日本充电器厂商制定指导方针

    在汽车制造商不断强化V2H系统结构的同时,充电器厂商也在致力于开展标准化生产。虽然目前充电器只面向日本的汽车制造商销售,但充电器厂商预计在今后国外的汽车制造商也将陆续在日本国内推出EV以及PHV等产品。随之而来的是国外充电器厂商逐渐进入市场,由此可能会带来V2H方式的多样化。

    由各充电器厂商加盟组成的EVPOSSA(电动汽车用电力供给系统商讨会)在2014年4月末公布了V2H的指导方针。该指导方针对使用普通充电以及快速充电接口的V2H系统制定了相关规定。它的发布也将有利于促进国外制造商采用日本研发的V2H系统.

关键字:汽车  移动发电站

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2014/1106/article_9961.html
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