400V和800V电动汽车共存，如何协调这两种不同的架构？
作者：Matt Jenks，Vicor北美汽车销售和现场应用工程总监
众所周知，汽车电气化竞争已经拉开序幕，无论是因为政府法规和奖励措施的刺激，还是受消费者对性能更高、续航更远且功能更多的绿色交通解决方案的需求推动。各大汽车制造商都正积极参与这一竞争。随着通用等汽车品牌公开声明，到2035年，通用生产的所有汽车都将实现零排放，汽车制造商似乎正积极响应汽车的电气化。
双向电源转换为所有电源系统设计师创造了一个独特的创新机会。这一概念与围绕电气化的密集研发工作相结合，带来了实用且创新的应用场景。
快速充电基础设施是个问题。最初的电动汽车平台设计采用400V电池，由400V充电基础设施和400V辅助系统提供支持。然而，早在第一批400V电动汽车推出之前，行业就已开始开发800V平台，有效地将整个电动汽车市场分成了两类电压。
业内人士预测，2027年到2030年间推出的大多数电动汽车将采用800V电池架构。然而根据以往的经验，Vicor认为这一过渡将比预期要慢，因此我们将在可预见的未来继续支持400V电池设计。
双向供电模块让设计更自由
过去，电源系统设计师采用从左到右，即从电源到负载点的方法来设计供电网络（PDN）。这是设计师遵循了几十年的传统做法。本质上，我们一直是“右撇子”。想象一个我们可以左右开弓的世界将会如何，双手并用，从左到右或从右到左都可以。
目前，供设计师使用的模块化电源组件有两大关键属性：
- 它们是有效且高效的“DC变压器”——也就是说，它们提供固定比率的DC-DC转换比
- 它们本身支持双向供电
要发掘双向供电网络的潜力，重要的一点是要探索核心使能技术，了解正弦振幅转换器（SAC）的工作原理。告别从左到右的思维模式，让我们从中间开始；这里有一个变压器和一个串联电容，与变压器的漏电感保持谐振。
一侧有一个开关桥（switching bridge），通常会被视为一个斩波DC母线的直流输入，而另一侧的布局基本相同，可以被称为同步整流器。只要这两条路径与中心“储能器”的谐振波形同步切换，整个器件就是对称的，作用就像DC变压器。
电压根据磁性元件的匝数比升高，而电流降低——反之亦然。
一个端口上的阻抗变化会反映在另一个端口，电流会相应地流动。谐振、零电压和零电流切换确保了低损耗。谐振回路中储存的能量最少，通过转换器产生良好的瞬态响应，而MHz切换使所需的电感和电容又小又轻。
图1：使用直流双向充电器的“车辆到电网”（V2G）能量流动图（图片来源：Clean Energy Reviews）。
400V和800V电动汽车如何共存？
鉴于400V和800V电动汽车可能会在一段时间内共存，行业必须有效化解以下挑战：实现两种架构的混合，确保足够的互操作性，同时避免给消费者带来困惑，造成潜在买家排斥电动汽车。
那么，我们接下来该怎么做？
要确保400V和800V系统之间的互操作性，或者反过来说，要确保800V和400V电池架构之间的互操作性，要求行业支持所有充电接口，以确保驾驶员的汽车能兼容任何充电站。同时，我们需要找到重新利用原有的400V电池的新方法，即使我们提高了400/800V系统的效率，扩展并增强了“车对车”（V2V）和“车对其他”（V2X）的充电能力。这两种电压的混用可能很复杂。将400V的电池连接到800V的充电器时需要升压；将800V的电池连接到400V的辅助系统时需要降压，而不同的V2V和V2X应用可能需要升压和降压转换及稳压的组合。
Vicor认为，这些电源系统需要高压双向电压转换，从400V转换到800V，或从800V转换到400V。电动汽车充电站是一个很好的例子，可以清楚地说明这一点。美国的绝大多数充电基础设施都是400V，这意味着行业需要通过升级或安装800V充电设施来完善充电站——这将需要大量投资。安装一个车载双向转换器，就可以轻松解决这个充电问题。插入充电插头后，系统会自动检测电源需要降压还是升压，以实现无缝充电。
图2：使用V2H系统为家庭供电时直流双向充电器的基本能量流动图，以及用于测量电网能量流动的CT电表（图片来源：Clean Energy Reviews）。
V2X及其它领域的双向供电创新
今天，“车对电网”（V2G）和“车对家”（V2H）等新概念日渐普及。大多数情况下需要不同程度的调节，但配电网（PDN）并不是非常复杂。在V2G场景下，双向供电的好处是多方面的。V2G为提高电网稳定性和弹性铺平了道路。电动汽车可以连接到电网，用作移动储能单元。在能量需求高峰或意外停机期间，这些车辆可以反过来向电网供电，起到缓冲作用，减轻传统电源的压力。
图3：带有交流电源插座的电动汽车的基本能量流动图，称为“车对负载”或V2L（图片来源：Clean Energy Reviews）。
这样就可以确保不间断电力供应，减少对辅助电站的需求（这些电站通常在需求高峰时段投入运行），从而大幅节约成本。此外，允许电动汽车车主将多余的电力卖回给电网，催生了一种新的经济模式。电动汽车车主可以将储存的能量变现，抵销部分购车用车成本，并推动电动汽车的进一步普及。
再看看V2H应用，双向供电预示着实现家庭能源独立和安全的一种新模式。随着极端天气条件和停电频率的增加，拥有一辆支持V2H功能的电动汽车，可以成为一条生命线。在这种情况下，家庭可以从电动汽车中获取电力供应，确保供暖或制冷等基本系统的正常运行。这样，电动汽车就成了一种备用电源，可以减少家庭对中央电网或通常使用化石燃料的独立发电机的依赖。除了紧急情况之外，在日常生活中，V2H允许业主在高峰时段从电动汽车电池中取电，然后在低谷时段再为汽车充电，进而优化电力成本，实现成本节约。
另一个用例是“车对负载”（V2L），可以带来更多可能性。V2L进一步展示了双向供电的多用途。在这种情况下，电动汽车成了一种能够为外部设备、电器或系统供电的便携式电源。这在很难使用传统电源的偏远地区特别有用。想象一下，在一个僻静的地方搭建一个露营地，并使用电动汽车来为照明和烹饪设备供电，该有多好。商家和活动组织者也可以利用V2L来为他们的设备现场供电，摆脱固定电源的限制，再也不必拖运笨重的发电机。V2L的潜在应用非常广泛：从娱乐到商业无所不包。
双向供电开启了多种可能性。解决400/800V充电难题，是当今的重中之重。但是，其它概念不仅仅代表了技术创新，还是向更加整合、可持续的能源格局迈出的关键一步。通过增强电网的弹性，为电动汽车车主带来经济效益，确保家庭能源安全，以及实现电力供应的便携性，双向供电技术利用电动汽车蕴含的潜力，将它们从单纯的交通工具转变为未来能源基础设施的关键节点。
图4：正弦振幅转换器（SAC）拓扑提供隔离和电压转换功能，允许您将这些功能部署在所需的位置，与稳压装置分开。
双向供电模块带来新的可能性
双向供电的巨大潜力正在汽车领域得到发掘。两个电源组件系列最有效地利用了双向供电功能。一是Vicor 母线转换器模块，即BCM，在两个电压轨之间提供隔离、固定比例的转换。另一个是非隔离版本，称为NBM，其它方面与BCM类似。后者在双向供电环境中更容易使用，因为它可以使用任一端口的电源“启动”（建立和稳定谐振开关）。如果需要隔离，使用BCM®，但这需要少量额外的电路，以提供从“二次侧”设备电源启动它所需的偏置。
参考文献：
《纽约时报》，2021年10月1日；Frost & Sullivan，2022年11月28日
作者介绍：
Matthew Jenks现任Vicor公司北美汽车销售和现场应用工程总监。Matthew拥有超过25年的汽车电子经验，涉及模块、电源电子元件、定制集成电路和半导体。他曾在多家一级和二级汽车公司担任销售、营销、工程和现场应用职位，包括英飞凌、意法半导体、国际整流器、伟世通和摩托罗拉等。Matthew从密歇根州立大学获得了电气工程专业学士学位。
