電動汽車（EV）雙向供電：實用且創新的電源模塊使用機會

400V和800V電動汽車共存，如何協調這兩種不同的架構？
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作者：Matt Jenks，Vicor北美汽車銷售和現場應用工程總監

眾所周知，汽車電氣化競爭已經拉開序幕，無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。各大汽車制造商都正積極參與這一競爭。隨著通用等汽車品牌公開聲明，到2035年，通用生產的所有汽車都將實現零排放，汽車制造商似乎正積極響應汽車的電氣化。

雙向電源轉換為所有電源系統設計師創造了一個獨特的創新機會。這一概念與圍繞電氣化的密集研發工作相結合，帶來了實用且創新的應用場景。

快速充電基礎設施是個問題。最初的電動汽車平臺設計采用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電動汽車推出之前，行業就已開始開發800V平臺，有效地將整個電動汽車市場分成了兩類電壓。

業內人士預測，2027年到2030年間推出的大多數電動汽車將采用800V電池架構。然而根據以往的經驗，Vicor認為這一過渡將比預期要慢，因此我們將在可預見的未來繼續支持400V電池設計。
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雙向供電模塊讓設計更自由

過去，電源系統設計師采用從左到右，即從電源到負載點的方法來設計供電網絡（PDN）。這是設計師遵循了幾十年的傳統做法。本質上，我們一直是“右撇子”。想象一個我們可以左右開弓的世界將會如何，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鍵屬性：

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

它們本身支持雙向供電

要發掘雙向供電網絡的潛力，重要的一點是要探索核心使能技術，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，讓我們從中間開始；這里有一個變壓器和一個串聯電容，與變壓器的漏電感保持諧振。

一側有一個開關橋（switching bridge），通常會被視為一個斬波DC母線的直流輸入，而另一側的布局基本相同，可以被稱為同步整流器。只要這兩條路徑與中心“儲能器”的諧振波形同步切換，整個器件就是對稱的，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。

一個端口上的阻抗變化會反映在另一個端口，電流會相應地流動。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，通過轉換器產生良好的瞬態響應，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“車輛到電網”（V2G）能量流動圖（圖片來源：Clean Energy Reviews）。

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400V和800V電動汽車如何共存？

鑒于400V和800V電動汽車可能會在一段時間內共存，行業必須有效化解以下挑戰：實現兩種架構的混合，確保足夠的互操作性，同時避免給消費者帶來困惑，造成潛在買家排斥電動汽車。
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那么，我們接下來該怎么做？

要確保400V和800V系統之間的互操作性，或者反過來說，要確保800V和400V電池架構之間的互操作性，要求行業支持所有充電接口，以確保駕駛員的汽車能兼容任何充電站。同時，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“車對車”（V2V）和“車對其他”（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的充電器時需要升壓；將800V的電池連接到400V的輔助系統時需要降壓，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。電動汽車充電站是一個很好的例子，可以清楚地說明這一點。美國的絕大多數充電基礎設施都是400V，這意味著行業需要通過升級或安裝800V充電設施來完善充電站——這將需要大量投資。安裝一個車載雙向轉換器，就可以輕松解決這個充電問題。插入充電插頭后，系統會自動檢測電源需要降壓還是升壓，以實現無縫充電。

圖2：使用V2H系統為家庭供電時直流雙向充電器的基本能量流動圖，以及用于測量電網能量流動的CT電表（圖片來源：Clean Energy Reviews）。

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V2X及其它領域的雙向供電創新

今天，“車對電網”（V2G）和“車對家”（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（PDN）并不是非常復雜。在V2G場景下，雙向供電的好處是多方面的。V2G為提高電網穩定性和彈性鋪平了道路。電動汽車可以連接到電網，用作移動儲能單元。在能量需求高峰或意外停機期間，這些車輛可以反過來向電網供電，起到緩沖作用，減輕傳統電源的壓力。
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圖3：帶有交流電源插座的電動汽車的基本能量流動圖，稱為“車對負載”或V2L（圖片來源：Clean Energy Reviews）。

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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段投入運行），從而大幅節約成本。此外，允許電動汽車車主將多余的電力賣回給電網，催生了一種新的經濟模式。電動汽車車主可以將儲存的能量變現，抵銷部分購車用車成本，并推動電動汽車的進一步普及。

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

另一個用例是“車對負載”（V2L），可以帶來更多可能性。V2L進一步展示了雙向供電的多用途。在這種情況下，電動汽車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，在一個僻靜的地方搭建一個露營地，并使用電動汽車來為照明和烹飪設備供電，該有多好。商家和活動組織者也可以利用V2L來為他們的設備現場供電，擺脫固定電源的限制，再也不必拖運笨重的發電機。V2L的潛在應用非常廣泛：從娛樂到商業無所不包。

雙向供電開啟了多種可能性。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創新，還是向更加整合、可持續的能源格局邁出的關鍵一步。通過增強電網的彈性，為電動汽車車主帶來經濟效益，確保家庭能源安全，以及實現電力供應的便攜性，雙向供電技術利用電動汽車蘊含的潛力，將它們從單純的交通工具轉變為未來能源基礎設施的關鍵節點。

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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。

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雙向供電模塊帶來新的可能性
雙向供電的巨大潛力正在汽車領域得到發掘。兩個電源組件系列最有效地利用了雙向供電功能。一是Vicor 母線轉換器模塊，即BCM，在兩個電壓軌之間提供隔離、固定比例的轉換。另一個是非隔離版本，稱為NBM，其它方面與BCM類似。后者在雙向供電環境中更容易使用，因為它可以使用任一端口的電源“啟動”（建立和穩定諧振開關）。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”設備電源啟動它所需的偏置。
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參考文獻：
《紐約時報》，2021年10月1日；Frost & Sullivan，2022年11月28日
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作者介紹：
Matthew Jenks現任Vicor公司北美汽車銷售和現場應用工程總監。Matthew擁有超過25年的汽車電子經驗，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公司擔任銷售、營銷、工程和現場應用職位，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從密歇根州立大學獲得了電氣工程專業學士學位。
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