電動(dòng)汽車(chē)（EV）雙向供電：實(shí)用且創(chuàng )新的電源模塊使用機會(huì )

眾所周知，汽車(chē)電氣化競爭已經(jīng)拉開(kāi)序幕，無(wú)論是因為政府法規和獎勵措施的刺激，還是受消費者對性能更高、續航更遠且功能更多的綠色交通解決方案的需求推動(dòng)。各大汽車(chē)制造商都正積極參與這一競爭。隨著(zhù)通用等汽車(chē)品牌公開(kāi)聲明，到2035年，通用生產(chǎn)的所有汽車(chē)都將實(shí)現零排放，汽車(chē)制造商似乎正積極響應汽車(chē)的電氣化。

雙向電源轉換為所有電源系統設計師創(chuàng )造了一個(gè)獨特的創(chuàng )新機會(huì )。這一概念與圍繞電氣化的密集研發(fā)工作相結合，帶來(lái)了實(shí)用且創(chuàng )新的應用場(chǎng)景。

快速充電基礎設施是個(gè)問(wèn)題。最初的電動(dòng)汽車(chē)平臺設計采用400V電池，由400V充電基礎設施和400V輔助系統提供支持。然而，早在第一批400V電動(dòng)汽車(chē)推出之前，行業(yè)就已開(kāi)始開(kāi)發(fā)800V平臺，有效地將整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)分成了兩類(lèi)電壓。

業(yè)內人士預測，2027年到2030年間推出的大多數電動(dòng)汽車(chē)將采用800V電池架構。然而根據以往的經(jīng)驗，Vicor認為這一過(guò)渡將比預期要慢，因此我們將在可預見(jiàn)的未來(lái)繼續支持400V電池設計。

雙向供電模塊讓設計更自由

過(guò)去，電源系統設計師采用從左到右，即從電源到負載點(diǎn)的方法來(lái)設計供電網(wǎng)絡(luò )（PDN）。這是設計師遵循了幾十年的傳統做法。本質(zhì)上，我們一直是“右撇子”。想象一個(gè)我們可以左右開(kāi)弓的世界將會(huì )如何，雙手并用，從左到右或從右到左都可以。

目前，供設計師使用的模塊化電源組件有兩大關(guān)鍵屬性：

· 它們是有效且高效的“DC變壓器”——也就是說(shuō)，它們提供固定比率的DC-DC轉換比

· 它們本身支持雙向供電

要發(fā)掘雙向供電網(wǎng)絡(luò )的潛力，重要的一點(diǎn)是要探索核心使能技術(shù)，了解正弦振幅轉換器（SAC）的工作原理。告別從左到右的思維模式，讓我們從中間開(kāi)始；這里有一個(gè)變壓器和一個(gè)串聯(lián)電容，與變壓器的漏電感保持諧振。

一側有一個(gè)開(kāi)關(guān)橋（switching bridge），通常會(huì )被視為一個(gè)斬波DC母線(xiàn)的直流輸入，而另一側的布局基本相同，可以被稱(chēng)為同步整流器。只要這兩條路徑與中心“儲能器”的諧振波形同步切換，整個(gè)器件就是對稱(chēng)的，作用就像DC變壓器。

電壓根據磁性元件的匝數比升高，而電流降低——反之亦然。

一個(gè)端口上的阻抗變化會(huì )反映在另一個(gè)端口，電流會(huì )相應地流動(dòng)。諧振、零電壓和零電流切換確保了低損耗。諧振回路中儲存的能量最少，通過(guò)轉換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應，而MHz切換使所需的電感和電容又小又輕。

圖1：使用直流雙向充電器的“車(chē)輛到電網(wǎng)”（V2G）能量流動(dòng)圖（圖片來(lái)源：Clean Energy Reviews）。 

400V和800V電動(dòng)汽車(chē)如何共存？

鑒于400V和800V電動(dòng)汽車(chē)可能會(huì )在一段時(shí)間內共存，行業(yè)必須有效化解以下挑戰：實(shí)現兩種架構的混合，確保足夠的互操作性，同時(shí)避免給消費者帶來(lái)困惑，造成潛在買(mǎi)家排斥電動(dòng)汽車(chē)。 

那么，我們接下來(lái)該怎么做？

要確保400V和800V系統之間的互操作性，或者反過(guò)來(lái)說(shuō)，要確保800V和400V電池架構之間的互操作性，要求行業(yè)支持所有充電接口，以確保駕駛員的汽車(chē)能兼容任何充電站。同時(shí)，我們需要找到重新利用原有的400V電池的新方法，即使我們提高了400/800V系統的效率，擴展并增強了“車(chē)對車(chē)”（V2V）和“車(chē)對其他”（V2X）的充電能力。這兩種電壓的混用可能很復雜。將400V的電池連接到800V的充電器時(shí)需要升壓；將800V的電池連接到400V的輔助系統時(shí)需要降壓，而不同的V2V和V2X應用可能需要升壓和降壓轉換及穩壓的組合。

Vicor認為，這些電源系統需要高壓雙向電壓轉換，從400V轉換到800V，或從800V轉換到400V。電動(dòng)汽車(chē)充電站是一個(gè)很好的例子，可以清楚地說(shuō)明這一點(diǎn)。美國的絕大多數充電基礎設施都是400V，這意味著(zhù)行業(yè)需要通過(guò)升級或安裝800V充電設施來(lái)完善充電站——這將需要大量投資。安裝一個(gè)車(chē)載雙向轉換器，就可以輕松解決這個(gè)充電問(wèn)題。插入充電插頭后，系統會(huì )自動(dòng)檢測電源需要降壓還是升壓，以實(shí)現無(wú)縫充電。

圖2：使用V2H系統為家庭供電時(shí)直流雙向充電器的基本能量流動(dòng)圖，以及用于測量電網(wǎng)能量流動(dòng)的CT電表（圖片來(lái)源：Clean Energy Reviews）。

V2X及其它領(lǐng)域的雙向供電創(chuàng )新

今天，“車(chē)對電網(wǎng)”（V2G）和“車(chē)對家”（V2H）等新概念日漸普及。大多數情況下需要不同程度的調節，但配電網(wǎng)（PDN）并不是非常復雜。在V2G場(chǎng)景下，雙向供電的好處是多方面的。V2G為提高電網(wǎng)穩定性和彈性鋪平了道路。電動(dòng)汽車(chē)可以連接到電網(wǎng)，用作移動(dòng)儲能單元。在能量需求高峰或意外停機期間，這些車(chē)輛可以反過(guò)來(lái)向電網(wǎng)供電，起到緩沖作用，減輕傳統電源的壓力。 

圖3：帶有交流電源插座的電動(dòng)汽車(chē)的基本能量流動(dòng)圖，稱(chēng)為“車(chē)對負載”或V2L（圖片來(lái)源：Clean Energy Reviews）。 

這樣就可以確保不間斷電力供應，減少對輔助電站的需求（這些電站通常在需求高峰時(shí)段投入運行），從而大幅節約成本。此外，允許電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主將多余的電力賣(mài)回給電網(wǎng)，催生了一種新的經(jīng)濟模式。電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主可以將儲存的能量變現，抵銷(xiāo)部分購車(chē)用車(chē)成本，并推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)一步普及。

再看看V2H應用，雙向供電預示著(zhù)實(shí)現家庭能源獨立和安全的一種新模式。隨著(zhù)極端天氣條件和停電頻率的增加，擁有一輛支持V2H功能的電動(dòng)汽車(chē)，可以成為一條生命線(xiàn)。在這種情況下，家庭可以從電動(dòng)汽車(chē)中獲取電力供應，確保供暖或制冷等基本系統的正常運行。這樣，電動(dòng)汽車(chē)就成了一種備用電源，可以減少家庭對中央電網(wǎng)或通常使用化石燃料的獨立發(fā)電機的依賴(lài)。除了緊急情況之外，在日常生活中，V2H允許業(yè)主在高峰時(shí)段從電動(dòng)汽車(chē)電池中取電，然后在低谷時(shí)段再為汽車(chē)充電，進(jìn)而優(yōu)化電力成本，實(shí)現成本節約。

另一個(gè)用例是“車(chē)對負載”（V2L），可以帶來(lái)更多可能性。V2L進(jìn)一步展示了雙向供電的多用途。在這種情況下，電動(dòng)汽車(chē)成了一種能夠為外部設備、電器或系統供電的便攜式電源。這在很難使用傳統電源的偏遠地區特別有用。想象一下，在一個(gè)僻靜的地方搭建一個(gè)露營(yíng)地，并使用電動(dòng)汽車(chē)來(lái)為照明和烹飪設備供電，該有多好。商家和活動(dòng)組織者也可以利用V2L來(lái)為他們的設備現場(chǎng)供電，擺脫固定電源的限制，再也不必拖運笨重的發(fā)電機。V2L的潛在應用非常廣泛：從娛樂(lè )到商業(yè)無(wú)所不包。

雙向供電開(kāi)啟了多種可能性。解決400/800V充電難題，是當今的重中之重。但是，其它概念不僅僅代表了技術(shù)創(chuàng )新，還是向更加整合、可持續的能源格局邁出的關(guān)鍵一步。通過(guò)增強電網(wǎng)的彈性，為電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主帶來(lái)經(jīng)濟效益，確保家庭能源安全，以及實(shí)現電力供應的便攜性，雙向供電技術(shù)利用電動(dòng)汽車(chē)蘊含的潛力，將它們從單純的交通工具轉變?yōu)槲磥?lái)能源基礎設施的關(guān)鍵節點(diǎn)。 

圖4：正弦振幅轉換器（SAC）拓撲提供隔離和電壓轉換功能，允許您將這些功能部署在所需的位置，與穩壓裝置分開(kāi)。 

雙向供電模塊帶來(lái)新的可能性

雙向供電的巨大潛力正在汽車(chē)領(lǐng)域得到發(fā)掘。兩個(gè)電源組件系列最有效地利用了雙向供電功能。一是Vicor 母線(xiàn)轉換器模塊，即BCM，在兩個(gè)電壓軌之間提供隔離、固定比例的轉換。另一個(gè)是非隔離版本，稱(chēng)為NBM，其它方面與BCM類(lèi)似。后者在雙向供電環(huán)境中更容易使用，因為它可以使用任一端口的電源“啟動(dòng)”（建立和穩定諧振開(kāi)關(guān)）。如果需要隔離，使用BCM^?，但這需要少量額外的電路，以提供從“二次側”設備電源啟動(dòng)它所需的偏置。 

參考文獻：

《紐約時(shí)報》，2021年10月1日；Frost & Sullivan，2022年11月28日

作者介紹：

Matthew Jenks現任Vicor公司北美汽車(chē)銷(xiāo)售和現場(chǎng)應用工程總監。Matthew擁有超過(guò)25年的汽車(chē)電子經(jīng)驗，涉及模塊、電源電子元件、定制集成電路和半導體。他曾在多家一級和二級汽車(chē)公司擔任銷(xiāo)售、營(yíng)銷(xiāo)、工程和現場(chǎng)應用職位，包括英飛凌、意法半導體、國際整流器、偉世通和摩托羅拉等。Matthew從密歇根州立大學(xué)獲得了電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)士學(xué)位。