汽車原始設(shè)備制造商開始在電動(dòng)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(wǎng)中的任何問題。但這項(xiàng)技術(shù)也會(huì)縮短電池的壽命，并可能為更多的網(wǎng)絡(luò)攻擊打開大門。

雙向充電背后的想法很簡(jiǎn)單。電動(dòng)汽車可以存儲(chǔ)大量的電力，而這種電力可以像汽車一樣移動(dòng)，也可以像停在車庫(kù)里的汽車一樣本地化。十年來(lái)，車輛到電網(wǎng)充電一直在討論中，因?yàn)楫?dāng)電網(wǎng)過載時(shí)，可以使用鋰離子電池來(lái)彌補(bǔ)差額，而不是實(shí)施輪流停電。

這還有一個(gè)額外的好處。自然資源保護(hù)委員會(huì)估計(jì)，電網(wǎng)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(jù)業(yè)內(nèi)消息人士稱，汽車制造商平均目標(biāo)是為每個(gè)電池系統(tǒng)充電 1,000 次。粗略計(jì)算，每次充電 300 英里，相當(dāng)于最多 300,000 英里。但電池的實(shí)際壽命會(huì)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(fù)充滿以及處于什么水平。它們的充電速度也會(huì)產(chǎn)生影響，因?yàn)榭焖俪潆妼?duì)電池來(lái)說(shuō)更難。

至少可以通過智能充電和電池管理來(lái)改善其中的一些情況?！坝捎?a target="_blank">人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，數(shù)據(jù)分析變得便宜，”阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室阿貢儲(chǔ)能科學(xué)合作中心主任Venkat Srinivasan說(shuō)?！耙虼?，有一種感覺，我們可以更好地預(yù)測(cè)電池的循環(huán)壽命。我們過去的做法是拿一個(gè)電池，在不同的溫度下充電和放電，然后你推斷并說(shuō)，'好吧，在55°時(shí)，我的容量是這個(gè)，在45°時(shí)下降了很多，所以它會(huì)持續(xù)15年。這真的是一個(gè)非常粗略的切割，因?yàn)槿绻腋淖冸姵氐氖褂梅绞?，那么所有這些經(jīng)驗(yàn)法則都會(huì)消失?，F(xiàn)在我們有足夠多的大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以讓我們進(jìn)行插值。如果您在數(shù)據(jù)集中有足夠的數(shù)據(jù)，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(shí)弄清楚這種雙向充電應(yīng)用的影響。在未來(lái)，我們也許能夠調(diào)整我們使用電池的方式、充電方式或我們?cè)陔娋W(wǎng)上使用電池的方式，以盡量減少其生命周期內(nèi)的退化。這將自適應(yīng)地改變電池的使用方式。

電池經(jīng)濟(jì)性
例如：服務(wù)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(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目正在進(jìn)行中，以加速“車聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)。這包括為家庭和其他建筑物提供備用電源，以及建立社區(qū)微電網(wǎng)以支持“臨時(shí)電力”，或者在能量過多時(shí)將多余的能量?jī)?chǔ)存在這些電池中。該計(jì)劃還包括對(duì)計(jì)劃參與者的激勵(lì)措施，這需要抵消連接到電網(wǎng)的電池的退化。

這些激勵(lì)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(huì)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(jià)格會(huì)上漲。

“汽車公司正試圖達(dá)到1個(gè)周期，”Argonne的Srinivasan說(shuō)。如果你能做到這一點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)雙向充電，汽車公司可能會(huì)將其視為一個(gè)生命周期。你一天可能有兩個(gè)周期，一個(gè)是因?yàn)槟阍谲嚴(yán)镩_車，第二個(gè)周期是因?yàn)槟阍诰W(wǎng)格上。這對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)可能是具有成本效益的，因?yàn)樗麄冋谑褂昧硪粋€(gè)好的應(yīng)用程序來(lái)從中賺錢。如果您愿意，您可以使電池持續(xù)超過 000,1 次循環(huán)。這取決于你能承受多少能量密度。

圖1：電網(wǎng)雙向充電。資料來(lái)源：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

來(lái)自全球研究人員的大量不一致數(shù)據(jù)，包括一些關(guān)于如何最大限度地減少電池?fù)p壞的數(shù)據(jù)，以及可能影響其使用壽命的不同電池化學(xué)成分。根據(jù)多項(xiàng)估計(jì)，目前更換成本平均約為 20,000 美元，但這種情況可能會(huì)改變。

這種變化的一個(gè)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(dòng)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(chǔ)存更多的能量，而磷酸鐵鋰則更堅(jiān)固。它也更便宜，部分原因是鎳的主要來(lái)源之一是烏克蘭，那里的供應(yīng)因與俄羅斯的持續(xù)戰(zhàn)爭(zhēng)而中斷。同時(shí)，陽(yáng)極（電子進(jìn)入電池的負(fù)極）傳統(tǒng)上由石墨制成。但由于與中國(guó)的地緣政治分歧，電池制造商和汽車原始設(shè)備制造商一直在陽(yáng)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(shí)際用例中進(jìn)行研究，以確定它們可以接受多少費(fèi)用，以及增加該數(shù)字的額外成本是多少。而且，它們都需要根據(jù)正在開發(fā)的新技術(shù)進(jìn)行權(quán)衡，以最大限度地減少更頻繁的充電/放電循環(huán)。

不同的方法
根據(jù)英飛凌的說(shuō)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?fù)湎嘟Y(jié)合，它允許使用軟開關(guān)和低器件數(shù)量，同時(shí)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(shè)置轉(zhuǎn)換比。控制方法根據(jù)應(yīng)用需求和兩側(cè)支持的電壓范圍而變化。一種典型的方法是使用互補(bǔ)脈寬調(diào)制 （PWM） 信號(hào)（通常來(lái)自微控制器 （MCU））來(lái)控制兩個(gè)電橋。對(duì)所施加信號(hào)相位的修改定義了功率傳輸?shù)姆较颉?/p>

另一種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是CLLC（兩個(gè)電感器和兩個(gè)電容器）諧振轉(zhuǎn)換器。這種方法適用于高頻開關(guān)，這要?dú)w功于其電流隔離和對(duì)軟開關(guān)的支持。因此，可以使用更小的無(wú)源器件。在全橋的兩側(cè)使用電容器支持雙向電流。

圖 1：采用 CLLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正 （PFC），適用于由單相交流電源供電的雙向車載充電。來(lái)源：英飛凌

根據(jù)英飛凌的一份白皮書，雙向電源轉(zhuǎn)換器已廣為人知，但在汽車領(lǐng)域?qū)⑵渫葡蚴袌?chǎng)存在一系列挑戰(zhàn)。“可靠性和功能安全性不僅對(duì)汽車和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，而且對(duì)于保持駕駛員和乘員的健康也至關(guān)重要。最后，結(jié)果還必須滿足所有汽車應(yīng)用共同的苛刻定價(jià)要求。

安全問題 在傳統(tǒng)充電中，硬件級(jí)別的安全問題
通常僅限于保護(hù)車輛操作系統(tǒng)中的敏感數(shù)據(jù)，例如密碼、用戶名和其他憑據(jù)。通過雙向充電，應(yīng)有盡有，甚至更多。

隨著汽車原始設(shè)備制造商越來(lái)越多地在其車輛中提供該技術(shù)，以及世界各國(guó)政府開發(fā)充電基礎(chǔ)設(shè)施，有關(guān)雙向充電安全性的問題可能會(huì)變得更加普遍。英飛凌電源與傳感器系統(tǒng)事業(yè)部總裁Adam White在10月份的一次公司活動(dòng)中表示，雙向充電是汽車行業(yè)的一個(gè)重要趨勢(shì)，在日本也是一個(gè)特別熱門的話題。

目前，少數(shù)車輛提供車輛到電網(wǎng) （V2G）、車輛到家庭 （V2H） 或車輛到負(fù)載 （V2L） 功能。今年早些時(shí)候，美國(guó)能源部宣布了一項(xiàng)諒解備忘錄，旨在加速車聯(lián)網(wǎng)（V2X）技術(shù)的發(fā)展。“整合充電技術(shù)，為車輛提供動(dòng)力，同時(shí)將能源推回電網(wǎng)，對(duì)于清潔交通的未來(lái)和我們的整體能源彈性來(lái)說(shuō)是雙贏的，”能源部副部長(zhǎng)Dave Turk在一份關(guān)于備忘錄的新聞稿中說(shuō)。

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

“當(dāng)你達(dá)到雙向時(shí)，大多數(shù)州都需要IEEE 1547，這帶來(lái)了許多所需的高級(jí)功能，包括無(wú)功功率支持，”桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的首席技術(shù)人員Jay Johnson說(shuō)?！翱梢蕴峁o(wú)功功率的非單位功率因數(shù)通常很好，因?yàn)槟梢栽谂潆娤到y(tǒng)上實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定性。但另一方面，如果這受到損害，你可以操縱設(shè)備并注入或吸收無(wú)功功率。

換句話說(shuō)，約翰遜說(shuō)，惡意方可能會(huì)利用無(wú)功功率來(lái)?yè)p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(gè)雙向充電器并向電網(wǎng)注入電力，則可能會(huì)導(dǎo)致區(qū)域間振蕩或其他潛在的破壞性情況。

幸運(yùn)的是，車輛具有多層保護(hù)來(lái)防止過度充電，因此不太可能使用雙向充電器來(lái)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(duì)于一些非常高功率的充電設(shè)備，電纜是液冷的，因此它們可以有更小規(guī)格的電線來(lái)泵送相同數(shù)量的電流，”他說(shuō)?！叭绻潆娖饕躁P(guān)閉冷卻系統(tǒng)的方式受到損害，電纜可能會(huì)變得不舒服?！?/p>

這都是對(duì)單向充電存在的現(xiàn)有安全問題的補(bǔ)充?！俺潆娖鳜F(xiàn)在的構(gòu)造方式，它們?cè)诒Ｗo(hù)方面做得不是很好，”約翰遜說(shuō)?！耙恍╇妱?dòng)汽車中間設(shè)備會(huì)通過網(wǎng)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(shù)據(jù)來(lái)暴露密碼、用戶名、WiFi 憑據(jù)或其他內(nèi)容。他們中的許多人都有一張SD卡，可以插入另一臺(tái)機(jī)器，以試圖弄清楚那里有什么類型的數(shù)據(jù)。如果您已將 WiFi 密碼存儲(chǔ)在該設(shè)備上，它可以重新連接并在您的手機(jī)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(chǔ)架構(gòu)的憑據(jù)，那么如果它遭到入侵，攻擊者可能會(huì)向上游通信并操縱云中發(fā)生的事情。這可能會(huì)影響連接到該公司服務(wù)器的整個(gè)設(shè)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(huì)再持續(xù)幾年。

至于預(yù)防，約翰遜說(shuō)，充電制造商應(yīng)該考慮禁用設(shè)備上的物理端口，這些端口通常用于調(diào)試、維護(hù)或允許用戶檢查他們的充電狀態(tài)，因?yàn)樗鼈兒苋菀妆?a target="_blank">黑客入侵。其他重要措施包括實(shí)施安全固件更新和安全啟動(dòng)過程。

結(jié)論
關(guān)于局部化發(fā)電和儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)有很多文章。隨著越來(lái)越多的家庭利用可再生能源，將這種能量?jī)?chǔ)存在地方層面的電池中非常有吸引力。由于距離更短，產(chǎn)生的能量源之間的損失更少，并且存儲(chǔ)的能量更清潔。

但需要考慮一些權(quán)衡，包括對(duì)電池的影響、局部電源連接的安全性，以及當(dāng)電池不再能充電時(shí)回收電池對(duì)環(huán)境的影響。這方面有很多研究，但解決方案的出現(xiàn)需要時(shí)間。與此同時(shí)，還有很多活動(dòng)，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(quán)模式和電池即服務(wù)。

審核編輯：黃飛