电动汽车双向充电有什么优势？

汽车原始设备制造商开始在电动汽车中提供双向充电，允许电池在停电或其他需要的地方为家庭供电，并消除电网中的任何问题。但这项技术也会缩短电池的寿命，并可能为更多的网络攻击打开大门。

双向充电背后的想法很简单。电动汽车可以存储大量的电力，而这种电力可以像汽车一样移动，也可以像停在车库里的汽车一样本地化。十年来，车辆到电网充电一直在讨论中，因为当电网过载时，可以使用锂离子电池来弥补差额，而不是实施轮流停电。

这还有一个额外的好处。自然资源保护委员会估计，电网中5%的电力通过输电和配电损失，每年的成本约为6亿美元。因此，减少能量传播所需的距离使其特别有吸引力。

据业内消息人士称，汽车制造商平均目标是为每个电池系统充电 1,000 次。粗略计算，每次充电 300 英里，相当于最多 300,000 英里。但电池的实际寿命会有所不同，这取决于汽车是否从空载充满电，是否每次都充满电，或者是否反复充满以及处于什么水平。它们的充电速度也会产生影响，因为快速充电对电池来说更难。

至少可以通过智能充电和电池管理来改善其中的一些情况。“由于人工智能和机器学习算法，数据分析变得便宜，”阿贡国家实验室阿贡储能科学合作中心主任Venkat Srinivasan说。“因此，有一种感觉，我们可以更好地预测电池的循环寿命。我们过去的做法是拿一个电池，在不同的温度下充电和放电，然后你推断并说，'好吧，在55°时，我的容量是这个，在45°时下降了很多，所以它会持续15年。这真的是一个非常粗略的切割，因为如果我改变电池的使用方式，那么所有这些经验法则都会消失。现在我们有足够多的大型神经网络可以让我们进行插值。如果您在数据集中有足够的数据，我们研究了不同的用例以及电池在不同温度下充电和放电的不同方式，那么我们可以即时弄清楚这种双向充电应用的影响。在未来，我们也许能够调整我们使用电池的方式、充电方式或我们在电网上使用电池的方式，以尽量减少其生命周期内的退化。这将自适应地改变电池的使用方式。

电池经济性
例如：服务于加州北部和中部的太平洋天然气和电力公司，除了与通用汽车和福特合作外，还有三个试点项目正在进行中，以加速“车联网”技术。这包括为家庭和其他建筑物提供备用电源，以及建立社区微电网以支持“临时电力”，或者在能量过多时将多余的能量储存在这些电池中。该计划还包括对计划参与者的激励措施，这需要抵消连接到电网的电池的退化。

这些激励措施旨在抵消电池寿命缩短的成本，但由于周期性老化，它们会以多快的速度退化尚不完全清楚。有一些方法可以使电池获得更多的充电周期，但价格会上涨。

“汽车公司正试图达到1个周期，”Argonne的Srinivasan说。如果你能做到这一点，每次充电都能行驶 000 英里，那么它可以行驶 300,300 英里。这比我们通常使用的车辆要多。因此，为了实现双向充电，汽车公司可能会将其视为一个生命周期。你一天可能有两个周期，一个是因为你在车里开车，第二个周期是因为你在网格上。这对消费者来说可能是具有成本效益的，因为他们正在使用另一个好的应用程序来从中赚钱。如果您愿意，您可以使电池持续超过 000,1 次循环。这取决于你能承受多少能量密度。

图1：电网双向充电。资料来源：阿贡国家实验室

来自全球研究人员的大量不一致数据，包括一些关于如何最大限度地减少电池损坏的数据，以及可能影响其使用寿命的不同电池化学成分。根据多项估计，目前更换成本平均约为 20,000 美元，但这种情况可能会改变。

这种变化的一个原因涉及材料，其中一些材料比其他材料更广泛、更主流。通常，电动汽车电池中的阴极（电子通过正极离开电池）由镍钴锰、镍钴铝或磷酸铁锂制成。前两种材料密度更大，可以储存更多的能量，而磷酸铁锂则更坚固。它也更便宜，部分原因是镍的主要来源之一是乌克兰，那里的供应因与俄罗斯的持续战争而中断。同时，阳极（电子进入电池的负极）传统上由石墨制成。但由于与中国的地缘政治分歧，电池制造商和汽车原始设备制造商一直在阳极中添加更多的硅，这最终有望降低成本。

所有这些材料都需要在各种条件下的实际用例中进行研究，以确定它们可以接受多少费用，以及增加该数字的额外成本是多少。而且，它们都需要根据正在开发的新技术进行权衡，以最大限度地减少更频繁的充电/放电循环。

不同的方法
根据英飞凌的说法，一种潜在的电池退化解决方案涉及“图腾柱PFC（TP-PFC）与双有源桥（DAB）拓扑相结合，它允许使用软开关和低器件数量，同时还提供高效率和必要的电流隔离。这些半桥/全桥连接到电感器和高频变压器，后者也分别设置转换比。控制方法根据应用需求和两侧支持的电压范围而变化。一种典型的方法是使用互补脉宽调制 （PWM） 信号（通常来自微控制器 （MCU））来控制两个电桥。对所施加信号相位的修改定义了功率传输的方向。

另一种常见的拓扑结构是CLLC（两个电感器和两个电容器）谐振转换器。这种方法适用于高频开关，这要归功于其电流隔离和对软开关的支持。因此，可以使用更小的无源器件。在全桥的两侧使用电容器支持双向电流。

图 1：采用 CLLC 拓扑结构的功率因数校正 （PFC），适用于由单相交流电源供电的双向车载充电。来源：英飞凌

根据英飞凌的一份白皮书，双向电源转换器已广为人知，但在汽车领域将其推向市场存在一系列挑战。“可靠性和功能安全性不仅对汽车和发电标准至关重要，而且对于保持驾驶员和乘员的健康也至关重要。最后，结果还必须满足所有汽车应用共同的苛刻定价要求。

安全问题 在传统充电中，硬件级别的安全问题
通常仅限于保护车辆操作系统中的敏感数据，例如密码、用户名和其他凭据。通过双向充电，应有尽有，甚至更多。

随着汽车原始设备制造商越来越多地在其车辆中提供该技术，以及世界各国政府开发充电基础设施，有关双向充电安全性的问题可能会变得更加普遍。英飞凌电源与传感器系统事业部总裁Adam White在10月份的一次公司活动中表示，双向充电是汽车行业的一个重要趋势，在日本也是一个特别热门的话题。

目前，少数车辆提供车辆到电网 （V2G）、车辆到家庭 （V2H） 或车辆到负载 （V2L） 功能。今年早些时候，美国能源部宣布了一项谅解备忘录，旨在加速车联网（V2X）技术的发展。“整合充电技术，为车辆提供动力，同时将能源推回电网，对于清洁交通的未来和我们的整体能源弹性来说是双赢的，”能源部副部长Dave Turk在一份关于备忘录的新闻稿中说。

但专家表示，如果不采取某些安全预防措施，双向技术也可能对不良行为者造成伤害，特别是在充电器本身方面。

“当你达到双向时，大多数州都需要IEEE 1547，这带来了许多所需的高级功能，包括无功功率支持，”桑迪亚国家实验室的首席技术人员Jay Johnson说。“可以提供无功功率的非单位功率因数通常很好，因为您可以在配电系统上实现电压稳定性。但另一方面，如果这受到损害，你可以操纵设备并注入或吸收无功功率。

换句话说，约翰逊说，恶意方可能会利用无功功率来损坏充电器或耗尽车辆的电池，仅举几例。如果该方破坏了连接到车辆的多个双向充电器并向电网注入电力，则可能会导致区域间振荡或其他潜在的破坏性情况。

幸运的是，车辆具有多层保护来防止过度充电，因此不太可能使用双向充电器来制造车辆电池爆炸。但约翰逊表示，充电器的热元件存在人身安全问题。“对于一些非常高功率的充电设备，电缆是液冷的，因此它们可以有更小规格的电线来泵送相同数量的电流，”他说。“如果充电器以关闭冷却系统的方式受到损害，电缆可能会变得不舒服。”

这都是对单向充电存在的现有安全问题的补充。“充电器现在的构造方式，它们在保护方面做得不是很好，”约翰逊说。“一些电动汽车中间设备会通过网站漏洞、恶意固件更新，或者只是直接提取媒体并以这种方式提取未加密的数据来暴露密码、用户名、WiFi 凭据或其他内容。他们中的许多人都有一张SD卡，可以插入另一台机器，以试图弄清楚那里有什么类型的数据。如果您已将 WiFi 密码存储在该设备上，它可以重新连接并在您的手机上为您提供更新。另一方面，如果您拥有将 SSH 或 VPN 隧道返回到云基础架构的凭据，那么如果它遭到入侵，攻击者可能会向上游通信并操纵云中发生的事情。这可能会影响连接到该公司服务器的整个设备群。这些都是我们一直在看到的那种可怕的事情，而且至少可能会再持续几年。

至于预防，约翰逊说，充电制造商应该考虑禁用设备上的物理端口，这些端口通常用于调试、维护或允许用户检查他们的充电状态，因为它们很容易被黑客入侵。其他重要措施包括实施安全固件更新和安全启动过程。

结论
关于局部化发电和储能的优势，已经有很多文章。随着越来越多的家庭利用可再生能源，将这种能量储存在地方层面的电池中非常有吸引力。由于距离更短，产生的能量源之间的损失更少，并且存储的能量更清洁。

但需要考虑一些权衡，包括对电池的影响、局部电源连接的安全性，以及当电池不再能充电时回收电池对环境的影响。这方面有很多研究，但解决方案的出现需要时间。与此同时，还有很多活动，很多悬而未决的问题，以及一些有趣的新可能性，包括不同的所有权模式和电池即服务。

审核编辑：黄飞