双向充电的利弊

汽车原始设备制造商开始为电动汽车提供双向充电，允许电池在停电期间或任何需要的地方为家庭供电，并解决电网中的任何问题。但这项技术也可以缩短电池的寿命，并为更多的网络攻击敞开大门。

双向充电背后的想法非常简单。电动汽车可以储存大量的电力，这些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。近十年来，汽车到电网的充电一直在讨论之中，因为当电网超载时，锂离子电池可以用来弥补差额，而不是实行轮流停电。

这样做还有一个额外的好处。美国自然资源保护委员会(Natural Resources Defense Council)估计，电网中5%的电力是在输配电过程中损失的，成本约为每年60亿美元．因此，减少能量需要传播的距离使它特别有吸引力。

据业内消息人士称，汽车制造商的平均目标是每个电池系统充电1000次。粗略计算一下，每次充电300英里，最多相当于30万英里。但电池的实际寿命会有所不同，这取决于汽车是完全充电还是完全充电，还是每次都完全充电，还是反复充电，以及充电到什么程度。充电的速度也会产生影响，因为快速充电对电池来说难度更大。

通过智能充电和电池管理，至少可以改善其中的一些问题。“由于人工智能和机器学习算法，数据分析变得便宜了，”阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)能源存储科学阿贡合作中心(Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science)主任Venkat Srinivasan说。“所以有一种感觉，我们可以更好地预测电池的循环寿命。我们使用的方法是拿一块电池，在不同的温度下充放电，然后你推断说，‘好吧，在55°时我的容量是这个，在45°时它下降了这么多，所以它将持续15年。“这真的是一个非常粗略的削减，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将消失。现在我们有了足够的大型神经网络来进行插值。如果你在数据集中有足够的数据，我们可以看到不同的用例和电池在不同温度下充放电的不同方式，那么我们就可以快速计算出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，我们充电的方式，或者我们在电网上使用电池的方式，以最大限度地减少电池寿命的退化。这将自适应地改变电池的使用方式。”

电池经济学
一个典型的例子是:为加州北部和中部提供服务的太平洋天然气和电力公司三个试点项目除了与通用汽车(General Motors)和福特(Ford)合作外，还在加速“车到一切”技术的发展。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“临时电源”，或在能源过多时将多余的能量存储在电池中。该计划还包括对计划参与者的激励措施，这需要抵消与电网相连的电池的退化。

这些激励措施旨在抵消电池寿命缩短带来的成本，但由于周期性老化，电池会以多快的速度退化尚不完全清楚。有很多方法可以让电池有更多的充电周期，但价格会上涨。

Argonne的Srinivasan说:“汽车公司正试图达到1000次循环。”如果你能做到，每次充电能跑300英里，那么它可以跑30万英里。这比我们通常使用的交通工具要多。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。你可能一天有两次循环，一次是因为你在开车，第二次是因为你在发车区。这对消费者来说可能是划算的，因为他们正在使用另一个好的应用程序从中赚钱。如果你愿意，你可以让电池循环超过1000次。这取决于你能承受多大的能量密度。”

图1:电网双向充电。资料来源:阿贡国家实验室

来自全球各地的研究人员有大量不一致的数据，包括一些关于如何最大限度地减少对电池的损害的数据，以及可能影响电池寿命的不同电池化学物质。据多方估计，目前的更换成本平均约为2万美元，但这一情况可能会发生变化。

这种变化的一个原因涉及到材料，其中一些材料比其他材料更广泛和主流。通常，电动汽车电池中的阴极(电子通过其离开电池的正极)是由镍钴锰、镍钴铝或磷酸铁锂制成的。前两种材料密度更大，可以储存更多的能量，而磷酸铁锂更坚固。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持续的战争而中断。与此同时，阳极(电子进入电池的负极)传统上是由石墨制成的。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向阳极中添加更多的硅，预计最终将降低成本。

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，以及增加这个数字会增加多少成本。而且它们都需要根据正在开发的新技术进行称重，以尽量减少更频繁的充放电周期。

不同的方法
根据英飞凌的说法，一个潜在的解决电池退化的解决方案包括“图腾柱PFC (TP-PFC)与双有源桥(DAB)拓扑结构相结合，允许使用软开关和低设备数量，同时还提供高效率和必要的电隔离。这些半桥/全桥连接到电感器和高频变压器，它们也分别设置转换比。控制方法根据应用的要求和两侧支持的电压范围而有所不同。一种典型的方法是使用互补的脉宽调制(PWM)信号来控制两个桥，通常来自微控制器(MCU)。信号相位的改变决定了能量传递的方向。”

另一种常见的拓扑结构是CLLC(两个电感和两个电容)谐振变换器。由于其电隔离和软开关支持，该方法适用于高频开关。因此，可以使用较小的被动语态。全桥两侧电容的使用支持双向电流流动。

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，双向功率转换器已被广泛理解，但在汽车领域将其推向市场还面临一系列挑战。“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的普遍苛刻的定价。”

安全问题
在传统的充电方式中，硬件层面的安全问题通常仅限于保护车辆操作系统中的敏感数据，比如密码、用户名和其他凭据。有了双向充电，就有了所有这些，甚至更多。

随着汽车原始设备制造商越来越多地在汽车中提供双向充电技术，以及世界各地的政府开发充电基础设施，双向充电安全问题可能会变得越来越普遍。英飞凌电力与传感器系统部门总裁亚当·怀特(Adam White)在10月份的公司活动上表示，双向充电是汽车行业的重要趋势，在日本也是一个特别热门的话题。

目前有少数车辆提供车对网(V2G)、车对家(V2H)或车对载(V2L)功能。今年早些时候，能源部宣布一份旨在加速V2X技术的谅解备忘录。美国能源部副部长戴夫·图尔克(Dave Turk)在一份关于备忘录的新闻稿中说:“整合充电技术，为汽车提供动力，同时将能源送回电网，这对清洁交通的未来和我们整体的能源弹性来说是双赢的。”

但专家表示，如果不采取某些安全防范措施，尤其是充电器本身，双向技术也可能会造成不良行为的危害。

桑迪亚国家实验室的主要技术人员杰伊·约翰逊(Jay Johnson)说:“当你实现双向时，大多数州都要求IEEE 1547，这就需要许多高级功能，包括无功功率支持。”“非统一功率因数通常可以提供无功功率，因为你可以在配电系统上实现电压稳定。但另一方面，如果这一点受到损害，你可以操纵设备，注入或吸收无功功率。”

约翰逊说，换句话说，恶意的一方可能会利用无功功率损坏充电器或耗尽车辆的电池，这只是几种可能性。如果该组织破坏了连接在车辆上的多个双向充电器，并向电网注入电力，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，汽车有多层保护措施来防止过度充电，所以双向充电器不太可能导致汽车电池爆炸。但约翰逊表示，充电器的热元素存在人身安全问题。他说:“对于一些非常大功率的充电设备，电缆是液体冷却的，这样它们就可以用更小的规格电线来泵送相同的电流。”“如果充电器在某种程度上损坏了冷却系统，电缆就会变得很热，让人不舒服。”

除此之外，单向充电还存在安全隐患。约翰逊说:“目前充电器的构造方式，在保护方面做得不是很好。”“一些电动汽车中介设备会通过网站漏洞、恶意固件更新暴露密码、用户名、WiFi证书或其他东西，或者直接提取媒体并以这种方式提取未加密的数据。他们中的许多人都有一个SD卡，可以插入到另一台机器上，试图找出那里有什么样的数据。如果你的设备上存储了你的WiFi密码，它可以连接回来，并在你的手机上给你更新。另一方面，如果你有SSH或VPN隧道返回云基础设施的凭据，如果它被破坏，对手可能会在上游进行通信并操纵云中正在发生的事情。这可能会影响连接到该公司服务器的所有设备。这些都是我们一直在看到的可怕的事情，而且这种情况至少可能还会持续几年。”

至于预防措施，约翰逊表示，充电设备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、维护或让用户检查充电状态，因为它们很容易被黑客入侵。其他重要措施包括实现安全固件更新和安全引导过程。

结论
关于本地化能源生产和储存的优势已经有很多文章了。随着越来越多的家庭利用可再生能源，在当地将能源储存在电池中是非常有吸引力的。由于距离更短，产生的能量源之间的损失更少，而且储存的能量更清洁。

但也有一些权衡需要考虑，包括对电池的影响，局部电源连接的安全性，以及在电池不能再充电时回收电池对环境的影响。在这个领域有很多研究，但解决方案的出现需要时间。与此同时，市场上有很多活动，有很多悬而未决的问题，也有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。