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400V 和 800V 電動汽車共存,如何協調這兩種不同的架構?
作者:Matt Jenks,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,還是受消費者對效能更高、續航更遠且功能更多的綠色交通解決方案的需求推動。 各大汽車製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,汽車製造商似乎正積極回應汽車的電氣化。
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採用 400V 電池,由 400V 充電基礎設施和 400V 輔助系統提供支援。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採用 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。
過去,電源系統設計師採用從左到右,即從電源到負載點的方法來設計供電網路(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”。想像一個我們可以左右開弓的世界將會如何,雙手並用,從左到右或從右到左都可以。
目前,供設計師使用的模組化電源組件有兩大關鍵内容:
要發掘雙向供電網路的潜力,重要的一點是要探索覈心使能技術,瞭解正弦振幅轉換器(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;這裡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,而另一側的佈局基本相同,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回應,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)。
鑒於 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,確保足够的互操作性,同時避免給消費者帶來困惑,造成潜在買家排斥電動汽車。
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介面,以確保駕駛員的汽車能相容任何充電站。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,擴展並增强了“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複雜。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陞級或安裝 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,就可以輕鬆解决這個充電問題。插入充電插頭後,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,以及用於量測電網能量流動的 CT 電錶(圖片來源:Clean Energy Reviews)。
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。大多數情况下需要不同程度的調節,但配電網(PDN)並不是非常複雜。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,起到緩衝作用,減輕傳統電源的壓力。
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)。
這樣就可以確保不間斷電力供應,减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餘的電力賣回給電網,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,並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新增,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,確保供暖或製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,可以减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。 除了緊急情况之外,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,然後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够為外部設備、電器或系統供電的可擕式電源。這在很難使用傳統電源的偏遠地區特別有用。想像一下,在一個僻靜的地方搭建一個露營地,並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 的潜在應用非常廣泛:從娛樂到商業無所不包。
雙向供電開啟了多種可能性。解决 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,還是向更加綜合、永續的能源格局邁出的關鍵一步。通過增强電網的彈性,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潜力,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。
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。
雙向供電的巨大潜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 母線轉換器模組,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。後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。
New York Times,2021 年10 月 1 日
Frost & Sullivan,2022 年 11 月 28 日
本文最初由 Power Electronic Tips 發表。
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,涉及模組、電源電子元件、定制集成電路和電晶體。他曾在多家一級和二級汽車公司擔任銷售、行銷、工程和現場應用職位,包括英飛淩、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。
Matthew Jenks,汽車銷售總監和現場應用工程總監
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