在當(dāng)今追求可持續(xù)交通與能源高效利用的時代，混合動力電動汽車(HEV)和電池電動汽車(BEV)的發(fā)展備受矚目。而在設(shè)計這些車輛的動力系統(tǒng)時，設(shè)計人員始終面臨著巨大的壓力，需要在提高能效和可靠性的同時降低成本。從傳統(tǒng)的單一電源架構(gòu)向雙 12 伏和 48 伏電源軌的轉(zhuǎn)變，無疑是一個重要的進(jìn)步，它通過減輕底盤布線的重量，有效地提高了能效。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，設(shè)計人員迫切需要專用的解決方案，以進(jìn)一步優(yōu)化兩個電源的管理，使它們能夠更好地協(xié)同工作，并且使車輛具備支持雙向車輛到電網(wǎng)(V2G)應(yīng)用的能力。

正是在這樣的背景下，雙向轉(zhuǎn)換器和雙向功率因數(shù)校正(PFC)系統(tǒng)應(yīng)運而生。這些創(chuàng)新技術(shù)為優(yōu)化雙 12 伏 / 48 伏電動汽車設(shè)計的總體性能提供了可能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的雙向功率流連接，在多個層面上提升能源利用效率。

在采用 12 伏 / 48 伏雙電壓架構(gòu)的 HEV 中，雙向電源發(fā)揮著關(guān)鍵的橋梁作用。它將 12 伏和 48 伏系統(tǒng)緊密聯(lián)接到一起，達(dá)成了一個極為實用的功能：任一電池可由另一個電池進(jìn)行充電。這種巧妙的設(shè)計使得車輛在能源利用上更加靈活，比如在 48 伏電池電量充足而 12 伏電池電量較低時，48 伏電池可以為 12 伏電池充電;反之亦然。此外，在過載條件下，雙向電源允許每個電池為任一電壓軌提供額外的功率。這意味著，設(shè)計人員可以為每個系統(tǒng)選用較小的電池，卻依然能夠保障車輛在各種工況下穩(wěn)定運行。如此一來，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了因單一電池故障導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓風(fēng)險，而且顯著提升了能效，避免了大電池在部分工況下的能源浪費，同時還降低了成本，因為小容量電池的采購與維護(hù)成本通常更低。

對于 BEV 而言，雙向 PFC 扮演著舉足輕重的角色，它主要用于支持雙向電池充電以及 V2G 操作。V2G 系統(tǒng)在提高能源效率方面展現(xiàn)出了強大的潛力，具體體現(xiàn)在多個方面。首先，在用電高需求時期，BEV 能夠?qū)⒋鎯υ陔姵刂械哪芰糠祷仉娋W(wǎng)，起到緩解電網(wǎng)供電壓力的作用。想象一下，在炎熱的夏日傍晚，大量家庭開啟空調(diào)，電網(wǎng)負(fù)荷急劇上升，此時眾多的 BEV 若能將部分電能回饋給電網(wǎng)，就能有效減輕電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，避免出現(xiàn)拉閘限電等情況。其次，雙向 PFC 可以根據(jù)電網(wǎng)的實時負(fù)載情況，智能地降低電池的充電速率。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載過高時，適當(dāng)減緩充電速度，有助于平衡電網(wǎng)上的負(fù)載，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行;而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載較低時，則可加快充電速度，充分利用多余的電力資源。再者，V2G 系統(tǒng)允許車輛充當(dāng)可再生能源的儲能載體。在風(fēng)力發(fā)電場或太陽能電站等可再生能源發(fā)電充足時，將多余的電能存儲在 BEV 的電池中，實現(xiàn)能源的跨時空轉(zhuǎn)移，從而更好地利用可再生能源，減少其因無法儲存而造成的浪費。

值得注意的是，HEV 中的雙電壓系統(tǒng)主要是車輛內(nèi)部的自足式系統(tǒng)，其核心目標(biāo)是提高燃油經(jīng)濟(jì)性。而 V2G 系統(tǒng)中的雙向充電器，則有著更為廣泛的設(shè)計考量，它不僅僅著眼于改善燃油經(jīng)濟(jì)性，更重要的是要實現(xiàn)更廣泛的成本效益，并且必須與外界的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行有效的接口交互。實現(xiàn) V2G 需要綜合運用通信技術(shù)和先進(jìn)的算法，以此來精確感測電網(wǎng)狀態(tài)，同時還要具備與電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行無縫對接的能力。通過這些技術(shù)手段構(gòu)建起來的 V2G 基礎(chǔ)設(shè)施，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。一方面，車主可以在需求高峰期間為電網(wǎng)提供功率，從而有可能獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)回報;另一方面，在電力需求較低的時段為車輛電池充電，能夠降低車輛的充電成本，實現(xiàn)能源利用與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

在具體的技術(shù)實現(xiàn)層面，鑒于典型 12 伏 / 48 伏雙向 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的高功率水平，多相拓?fù)渫蔀槭走x。多相設(shè)計具有諸多優(yōu)勢，它通過實現(xiàn)相降功能，極大地提高了總體轉(zhuǎn)換能效。隨著功率需求的下降，系統(tǒng)能夠自動減少主動相的數(shù)量，避免不必要的能源損耗。此外，多相設(shè)計允許在每個相的輸出端使用更小的濾波組件，較小的電感不僅能夠改善負(fù)載瞬態(tài)性能，使系統(tǒng)在負(fù)載突變時能夠快速響應(yīng)并保持穩(wěn)定，而且在運行時，通過適當(dāng)?shù)慕诲e相位，可以顯著降低輸出紋波，提高輸出電源的質(zhì)量。在主 / 從架構(gòu)的多相設(shè)計中，單個價格較高的主 IC 能夠控制多個成本較低的從屬 IC，這種方式有效地降低了整體解決方案的成本。當(dāng)從屬 IC 連接到主 IC 時，它們能夠按比例提高系統(tǒng)的功率和電流能力，但必須確保從屬 IC 與主 IC 具有相同的導(dǎo)電模式，以保證電流和功率能夠在相同方向上順暢傳導(dǎo)，并且從屬 IC 需要嚴(yán)格遵守主 IC 設(shè)定的總體電流和電壓限制，從而保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

為了進(jìn)一步提高能效，在一些對能效和功率密度要求極高的應(yīng)用中，如部分高性能 BEV 的車載充電器(OBC)，無橋圖騰柱 PFC 板成為了理想選擇。這種 PFC 板能夠?qū)崿F(xiàn)約 99% 的高能效以及每立方英寸 72 瓦的高功率密度。通過采用寬帶隙半導(dǎo)體，使得在具有連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)操作的 PFC 應(yīng)用中采用圖騰柱拓?fù)涑蔀榭赡?。以英飛凌的 IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET 為例，它采用 TO - 247 四引腳封裝，可用于將半負(fù)載時的能效提高到 99%。該轉(zhuǎn)換器專門以 65 千赫茲(kHz)的開關(guān)頻率，在 CCM 中的高線路電壓(最低 176 Vrms，標(biāo)稱 230 Vrms)下穩(wěn)定工作。此外，還有如 3300 瓦無橋雙向(PFC/AC - DC 和逆變器 / AC - DC)圖騰柱這樣的系統(tǒng)解決方案，它是使用英飛凌功率半導(dǎo)體以及其驅(qū)動器和控制器開發(fā)而成，充分滿足了設(shè)計人員對提升能效的迫切需求。

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面，LV 148 / VDA 320 規(guī)范明確了在雙電壓汽車系統(tǒng)中組合 48 伏總線和 12 伏總線的電氣要求和測試條件，該規(guī)范已被德國汽車制造商奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾等廣泛采用，涵蓋了傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛和混合動力電動汽車。目前，標(biāo)準(zhǔn) ISO 21780 “道路車輛 - 48 V 供電電壓 - 電氣要求和測試” 也正在緊鑼密鼓地開發(fā)當(dāng)中。同時，針對 V2G 系統(tǒng)，也有多種通信協(xié)議可供應(yīng)用。例如，ISO/IEC 15118 定義了電動汽車雙向充電 / 放電的 V2G 通信接口，該協(xié)議采用 IEEE P1901.2 Homeplug Green PHY(HPGP)寬帶電力線通信(PLC)規(guī)范作為最優(yōu)協(xié)議，以確保穩(wěn)定的通信和高數(shù)據(jù)速率，HPGP 在 2 MHz 至 30 MHz 的頻率范圍內(nèi)運行，能夠使系統(tǒng)有效區(qū)分連接線路上的有效數(shù)據(jù)與來自其他附近源的噪聲。而 IEC 61850 則定義了變電站中智能電子設(shè)備的通信協(xié)議，有助于管理可再生電源與電動汽車供電設(shè)備(如充電器)之間的能量流動。

總之，雙向電源轉(zhuǎn)換器和雙向 PFC 系統(tǒng)為 HEV、BEV 以及電網(wǎng)之間構(gòu)建了一座高效能源交互的橋梁。它們在提升車輛能效、實現(xiàn) V2G 應(yīng)用以及優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)載等方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，必將在未來的可持續(xù)交通與能源領(lǐng)域發(fā)揮更為關(guān)鍵的作用，推動整個行業(yè)向更加綠色、高效的方向邁進(jìn)。