400V和800V電動(dòng)汽車共存，如何協(xié)調(diào)這兩種不同的架構(gòu)？
作者：Matt Jenks，Vicor北美汽車銷售和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程總監(jiān)
眾所周知，汽車電氣化競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)拉開(kāi)序幕，無(wú)論是因?yàn)檎ㄒ?guī)和獎(jiǎng)勵(lì)措施的刺激，還是受消費(fèi)者對(duì)性能更高、續(xù)航更遠(yuǎn)且功能更多的綠色交通解決方案的需求推動(dòng)。各大汽車制造商都正積極參與這一競(jìng)爭(zhēng)。隨著通用等汽車品牌公開(kāi)聲明，到2035年，通用生產(chǎn)的所有汽車都將實(shí)現(xiàn)零排放，汽車制造商似乎正積極響應(yīng)汽車的電氣化。
雙向電源轉(zhuǎn)換為所有電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師創(chuàng)造了一個(gè)獨(dú)特的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。這一概念與圍繞電氣化的密集研發(fā)工作相結(jié)合，帶來(lái)了實(shí)用且創(chuàng)新的應(yīng)用場(chǎng)景。
快速充電基礎(chǔ)設(shè)施是個(gè)問(wèn)題。最初的電動(dòng)汽車平臺(tái)設(shè)計(jì)采用400V電池，由400V充電基礎(chǔ)設(shè)施和400V輔助系統(tǒng)提供支持。然而，早在第一批400V電動(dòng)汽車推出之前，行業(yè)就已開(kāi)始開(kāi)發(fā)800V平臺(tái)，有效地將整個(gè)電動(dòng)汽車市場(chǎng)分成了兩類電壓。
業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，2027年到2030年間推出的大多數(shù)電動(dòng)汽車將采用800V電池架構(gòu)。然而根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，Vicor認(rèn)為這一過(guò)渡將比預(yù)期要慢，因此我們將在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)繼續(xù)支持400V電池設(shè)計(jì)。
雙向供電模塊讓設(shè)計(jì)更自由
過(guò)去，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用從左到右，即從電源到負(fù)載點(diǎn)的方法來(lái)設(shè)計(jì)供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）。這是設(shè)計(jì)師遵循了幾十年的傳統(tǒng)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)有一個(gè)開(kāi)關(guān)橋（switching bridge），通常會(huì)被視為一個(gè)斬波DC母線的直流輸入，而另一側(cè)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(chǔ)能器”的諧振波形同步切換，整個(gè)器件就是對(duì)稱的，作用就像DC變壓器。
電壓根據(jù)磁性元件的匝數(shù)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(yīng)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(chǔ)存的能量最少，通過(guò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應(yīng)，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(wǎng)”（V2G）能量流動(dòng)圖（圖片來(lái)源：Clean Energy Reviews）。
400V和800V電動(dòng)汽車如何共存？
鑒于400V和800V電動(dòng)汽車可能會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)共存，行業(yè)必須有效化解以下挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)兩種架構(gòu)的混合，確保足夠的互操作性，同時(shí)避免給消費(fèi)者帶來(lái)困惑，造成潛在買家排斥電動(dòng)汽車。
那么，我們接下來(lái)該怎么做？
要確保400V和800V系統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)的效率，擴(kuò)展并增強(qiáng)了“車對(duì)車”（V2V）和“車對(duì)其他”（V2X）的充電能力。這兩種電壓的混用可能很復(fù)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(tǒng)時(shí)需要降壓，而不同的V2V和V2X應(yīng)用可能需要升壓和降壓轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓的組合。
Vicor認(rèn)為，這些電源系統(tǒng)需要高壓雙向電壓轉(zhuǎn)換，從400V轉(zhuǎn)換到800V，或從800V轉(zhuǎn)換到400V。電動(dòng)汽車充電站是一個(gè)很好的例子，可以清楚地說(shuō)明這一點(diǎn)。美國(guó)的絕大多數(shù)充電基礎(chǔ)設(shè)施都是400V，這意味著行業(yè)需要通過(guò)升級(jí)或安裝800V充電設(shè)施來(lái)完善充電站——這將需要大量投資。安裝一個(gè)車載雙向轉(zhuǎn)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(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電源需要降壓還是升壓，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫充電。
圖2：使用V2H系統(tǒng)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(cè)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，“車對(duì)電網(wǎng)”（V2G）和“車對(duì)家”（V2H）等新概念日漸普及。大多數(shù)情況下需要不同程度的調(diào)節(jié)，但配電網(wǎng)（PDN）并不是非常復(fù)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(wěn)定性和彈性鋪平了道路。電動(dòng)汽車可以連接到電網(wǎng)，用作移動(dòng)儲(chǔ)能單元。在能量需求高峰或意外停機(jī)期間，這些車輛可以反過(guò)來(lái)向電網(wǎng)供電，起到緩沖作用，減輕傳統(tǒng)電源的壓力。
圖3：帶有交流電源插座的電動(dòng)汽車的基本能量流動(dòng)圖，稱為“車對(duì)負(fù)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(yīng)，減少對(duì)輔助電站的需求（這些電站通常在需求高峰時(shí)段投入運(yùn)行），從而大幅節(jié)約成本。此外，允許電動(dòng)汽車車主將多余的電力賣回給電網(wǎng)，催生了一種新的經(jīng)濟(jì)模式。電動(dòng)汽車車主可以將儲(chǔ)存的能量變現(xiàn)，抵銷部分購(gòu)車用車成本，并推動(dòng)電動(dòng)汽車的進(jìn)一步普及。
再看看V2H應(yīng)用，雙向供電預(yù)示著實(shí)現(xiàn)家庭能源獨(dú)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(dòng)汽車，可以成為一條生命線。在這種情況下，家庭可以從電動(dòng)汽車中獲取電力供應(yīng)，確保供暖或制冷等基本系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這樣，電動(dòng)汽車就成了一種備用電源，可以減少家庭對(duì)中央電網(wǎng)或通常使用化石燃料的獨(dú)立發(fā)電機(jī)的依賴。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)汽車電池中取電，然后在低谷時(shí)段再為汽車充電，進(jìn)而優(yōu)化電力成本，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。
另一個(gè)用例是“車對(duì)負(fù)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)汽車成了一種能夠?yàn)橥獠吭O(shè)備、電器或系統(tǒng)供電的便攜式電源。這在很難使用傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)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)汽車來(lái)為照明和烹飪?cè)O(shè)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(shè)備現(xiàn)場(chǎng)供電，擺脫固定電源的限制，再也不必拖運(yùn)笨重的發(fā)電機(jī)。V2L的潛在應(yīng)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(dāng)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(xù)的能源格局邁出的關(guān)鍵一步。通過(guò)增強(qiáng)電網(wǎng)的彈性，為電動(dòng)汽車車主帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，確保家庭能源安全，以及實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的便攜性，雙向供電技術(shù)利用電動(dòng)汽車蘊(yùn)含的潛力，將它們從單純的交通工具轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥?lái)能源基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
圖4：正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）拓?fù)涮峁└綦x和電壓轉(zhuǎn)換功能，允許您將這些功能部署在所需的位置，與穩(wěn)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 母線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。另一個(gè)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(huán)境中更容易使用，因?yàn)樗梢允褂萌我欢丝诘碾娫?ldquo;啟動(dòng)”（建立和穩(wěn)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(cè)”設(shè)備電源啟動(dòng)它所需的偏置。
參考文獻(xiàn)：
《紐約時(shí)報(bào)》，2021年10月1日；Frost & Sullivan，2022年11月28日
作者介紹：
Matthew Jenks現(xiàn)任Vicor公司北美汽車銷售和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程總監(jiān)。Matthew擁有超過(guò)25年的汽車電子經(jīng)驗(yàn)，涉及模塊、電源電子元件、定制集成電路和半導(dǎo)體。他曾在多家一級(jí)和二級(jí)汽車公司擔(dān)任銷售、營(yíng)銷、工程和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用職位，包括英飛凌、意法半導(dǎo)體、國(guó)際整流器、偉世通和摩托羅拉等。Matthew從密歇根州立大學(xué)獲得了電氣工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位。
