汽車原始設備制造商開始在電動汽車中提供雙向充電，允許電池在停電或其他需要的地方為家庭供電，并消除電網中的任何問題。但這項技術也會縮短電池的壽命，并可能為更多的網絡攻擊打開大門。

雙向充電背后的想法很簡單。電動汽車可以存儲大量的電力，而這種電力可以像汽車一樣移動，也可以像停在車庫里的汽車一樣本地化。十年來，車輛到電網充電一直在討論中，因為當電網過載時，可以使用鋰離子電池來彌補差額，而不是實施輪流停電。

這還有一個額外的好處。自然資源保護委員會估計，電網中5%的電力通過輸電和配電損失，每年的成本約為6億美元。因此，減少能量傳播所需的距離使其特別有吸引力。

據業內消息人士稱，汽車制造商平均目標是為每個電池系統充電 1,000 次。粗略計算，每次充電 300 英里，相當于最多 300,000 英里。但電池的實際壽命會有所不同，這取決于汽車是否從空載充滿電，是否每次都充滿電，或者是否反復充滿以及處于什么水平。它們的充電速度也會產生影響，因為快速充電對電池來說更難。

至少可以通過智能充電和電池管理來改善其中的一些情況。“由于人工智能和機器學習算法，數據分析變得便宜，”阿貢國家實驗室阿貢儲能科學合作中心主任Venkat Srinivasan說。“因此，有一種感覺，我們可以更好地預測電池的循環壽命。我們過去的做法是拿一個電池，在不同的溫度下充電和放電，然后你推斷并說，'好吧，在55°時，我的容量是這個，在45°時下降了很多，所以它會持續15年。這真的是一個非常粗略的切割，因為如果我改變電池的使用方式，那么所有這些經驗法則都會消失。現在我們有足夠多的大型神經網絡可以讓我們進行插值。如果您在數據集中有足夠的數據，我們研究了不同的用例以及電池在不同溫度下充電和放電的不同方式，那么我們可以即時弄清楚這種雙向充電應用的影響。在未來，我們也許能夠調整我們使用電池的方式、充電方式或我們在電網上使用電池的方式，以盡量減少其生命周期內的退化。這將自適應地改變電池的使用方式。

電池經濟性
例如：服務于加州北部和中部的太平洋天然氣和電力公司，除了與通用汽車和福特合作外，還有三個試點項目正在進行中，以加速“車聯網”技術。這包括為家庭和其他建筑物提供備用電源，以及建立社區微電網以支持“臨時電力”，或者在能量過多時將多余的能量儲存在這些電池中。該計劃還包括對計劃參與者的激勵措施，這需要抵消連接到電網的電池的退化。

這些激勵措施旨在抵消電池壽命縮短的成本，但由于周期性老化，它們會以多快的速度退化尚不完全清楚。有一些方法可以使電池獲得更多的充電周期，但價格會上漲。

“汽車公司正試圖達到1個周期，”Argonne的Srinivasan說。如果你能做到這一點，每次充電都能行駛 000 英里，那么它可以行駛 300,300 英里。這比我們通常使用的車輛要多。因此，為了實現雙向充電，汽車公司可能會將其視為一個生命周期。你一天可能有兩個周期，一個是因為你在車里開車，第二個周期是因為你在網格上。這對消費者來說可能是具有成本效益的，因為他們正在使用另一個好的應用程序來從中賺錢。如果您愿意，您可以使電池持續超過 000,1 次循環。這取決于你能承受多少能量密度。

圖1：電網雙向充電。資料來源：阿貢國家實驗室

來自全球研究人員的大量不一致數據，包括一些關于如何最大限度地減少電池損壞的數據，以及可能影響其使用壽命的不同電池化學成分。根據多項估計，目前更換成本平均約為 20,000 美元，但這種情況可能會改變。

這種變化的一個原因涉及材料，其中一些材料比其他材料更廣泛、更主流。通常，電動汽車電池中的陰極（電子通過正極離開電池）由鎳鈷錳、鎳鈷鋁或磷酸鐵鋰制成。前兩種材料密度更大，可以儲存更多的能量，而磷酸鐵鋰則更堅固。它也更便宜，部分原因是鎳的主要來源之一是烏克蘭，那里的供應因與俄羅斯的持續戰爭而中斷。同時，陽極（電子進入電池的負極）傳統上由石墨制成。但由于與中國的地緣政治分歧，電池制造商和汽車原始設備制造商一直在陽極中添加更多的硅，這最終有望降低成本。

所有這些材料都需要在各種條件下的實際用例中進行研究，以確定它們可以接受多少費用，以及增加該數字的額外成本是多少。而且，它們都需要根據正在開發的新技術進行權衡，以最大限度地減少更頻繁的充電/放電循環。

不同的方法
根據英飛凌的說法，一種潛在的電池退化解決方案涉及“圖騰柱PFC（TP-PFC）與雙有源橋（DAB）拓撲相結合，它允許使用軟開關和低器件數量，同時還提供高效率和必要的電流隔離。這些半橋/全橋連接到電感器和高頻變壓器，后者也分別設置轉換比。控制方法根據應用需求和兩側支持的電壓范圍而變化。一種典型的方法是使用互補脈寬調制 （PWM） 信號（通常來自微控制器 （MCU））來控制兩個電橋。對所施加信號相位的修改定義了功率傳輸的方向。

另一種常見的拓撲結構是CLLC（兩個電感器和兩個電容器）諧振轉換器。這種方法適用于高頻開關，這要歸功于其電流隔離和對軟開關的支持。因此，可以使用更小的無源器件。在全橋的兩側使用電容器支持雙向電流。

圖 1：采用 CLLC 拓撲結構的功率因數校正 （PFC），適用于由單相交流電源供電的雙向車載充電。來源：英飛凌

根據英飛凌的一份白皮書，雙向電源轉換器已廣為人知，但在汽車領域將其推向市場存在一系列挑戰。“可靠性和功能安全性不僅對汽車和發電標準至關重要，而且對于保持駕駛員和乘員的健康也至關重要。最后，結果還必須滿足所有汽車應用共同的苛刻定價要求。

安全問題 在傳統充電中，硬件級別的安全問題
通常僅限于保護車輛操作系統中的敏感數據，例如密碼、用戶名和其他憑據。通過雙向充電，應有盡有，甚至更多。

隨著汽車原始設備制造商越來越多地在其車輛中提供該技術，以及世界各國政府開發充電基礎設施，有關雙向充電安全性的問題可能會變得更加普遍。英飛凌電源與傳感器系統事業部總裁Adam White在10月份的一次公司活動中表示，雙向充電是汽車行業的一個重要趨勢，在日本也是一個特別熱門的話題。

目前，少數車輛提供車輛到電網 （V2G）、車輛到家庭 （V2H） 或車輛到負載 （V2L） 功能。今年早些時候，美國能源部宣布了一項諒解備忘錄，旨在加速車聯網（V2X）技術的發展。“整合充電技術，為車輛提供動力，同時將能源推回電網，對于清潔交通的未來和我們的整體能源彈性來說是雙贏的，”能源部副部長Dave Turk在一份關于備忘錄的新聞稿中說。

但專家表示，如果不采取某些安全預防措施，雙向技術也可能對不良行為者造成傷害，特別是在充電器本身方面。

“當你達到雙向時，大多數州都需要IEEE 1547，這帶來了許多所需的高級功能，包括無功功率支持，”桑迪亞國家實驗室的首席技術人員Jay Johnson說。“可以提供無功功率的非單位功率因數通常很好，因為您可以在配電系統上實現電壓穩定性。但另一方面，如果這受到損害，你可以操縱設備并注入或吸收無功功率。

換句話說，約翰遜說，惡意方可能會利用無功功率來損壞充電器或耗盡車輛的電池，僅舉幾例。如果該方破壞了連接到車輛的多個雙向充電器并向電網注入電力，則可能會導致區域間振蕩或其他潛在的破壞性情況。

幸運的是，車輛具有多層保護來防止過度充電，因此不太可能使用雙向充電器來制造車輛電池爆炸。但約翰遜表示，充電器的熱元件存在人身安全問題。“對于一些非常高功率的充電設備，電纜是液冷的，因此它們可以有更小規格的電線來泵送相同數量的電流，”他說。“如果充電器以關閉冷卻系統的方式受到損害，電纜可能會變得不舒服。”

這都是對單向充電存在的現有安全問題的補充。“充電器現在的構造方式，它們在保護方面做得不是很好，”約翰遜說。“一些電動汽車中間設備會通過網站漏洞、惡意固件更新，或者只是直接提取媒體并以這種方式提取未加密的數據來暴露密碼、用戶名、WiFi 憑據或其他內容。他們中的許多人都有一張SD卡，可以插入另一臺機器，以試圖弄清楚那里有什么類型的數據。如果您已將 WiFi 密碼存儲在該設備上，它可以重新連接并在您的手機上為您提供更新。另一方面，如果您擁有將 SSH 或 VPN 隧道返回到云基礎架構的憑據，那么如果它遭到入侵，攻擊者可能會向上游通信并操縱云中發生的事情。這可能會影響連接到該公司服務器的整個設備群。這些都是我們一直在看到的那種可怕的事情，而且至少可能會再持續幾年。

至于預防，約翰遜說，充電制造商應該考慮禁用設備上的物理端口，這些端口通常用于調試、維護或允許用戶檢查他們的充電狀態，因為它們很容易被黑客入侵。其他重要措施包括實施安全固件更新和安全啟動過程。

結論
關于局部化發電和儲能的優勢，已經有很多文章。隨著越來越多的家庭利用可再生能源，將這種能量儲存在地方層面的電池中非常有吸引力。由于距離更短，產生的能量源之間的損失更少，并且存儲的能量更清潔。

但需要考慮一些權衡，包括對電池的影響、局部電源連接的安全性，以及當電池不再能充電時回收電池對環境的影響。這方面有很多研究，但解決方案的出現需要時間。與此同時，還有很多活動，很多懸而未決的問題，以及一些有趣的新可能性，包括不同的所有權模式和電池即服務。

審核編輯：黃飛