众所周知，汽车电气化竞争已经拉开帷幕，无论是因为政府法规和奖励措施的刺激，还是受花了钱的人性能更高、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热情参加这一竞争。随着通用等汽车品牌公开声明，到年，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做出响应汽车的电气化。

  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。

  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，我们从始至终是“右撇子”。想象一个我们大家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。

  ·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

  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。

  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（图片来自：Clean Energy Reviews）。

  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，同时避免给消费的人带来困惑，造成潜在买家排斥电动汽车。

  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，我们应该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，这在某种程度上预示着行业一定要通过升级或安装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，就可以轻松解决这一个充电问题。插入充电插头后，系统会自动检验测试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（图片来自：Clean Energy Reviews）。

  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）并不是很复杂。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。

  这样就能保证不间断电力供应，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），从而大幅节省本金。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，能成为一条生命线。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，能够大大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。除了紧急状况之外，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），能带来更多可能性。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通过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的潜在应用十分普遍：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，因为它能够正常的使用任一端口的电源“启动”（建立和稳定谐振开关）。若需要隔离，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。

  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、定制集成电路与半导体。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。