半导体技术夯实V2G基础，双向充电商业化进程加速

电子发烧友网报道（文/李宁远）随着电网老化，世界各地面临着前所未有的供电挑战，而且随着汽车电气化程度越来越高，越来越普及，电网压力也进一步加剧。但是，如果电动汽车可以将电力重新投入电网，那么就会减轻不少电力系统负担。

 

 
V2G，从理论到实用
 
这一概念被称为V2G，Vehicle to Grid，一项主动配电关键技术，指电动汽车与电网间的双向送电，核心在于利用大量电动汽车的储能能源作为电网和可再生能源的缓冲。借助半导体技术，V2G双向充电可以在电力高峰需求期间提供电池电力以加固电网，并在电力昂贵或缺电时进行家用供电。V2G双向充电的应用将大大释放电动汽车的能量。
 
V2G的概念是由Amory Lovins在1995年提出的，但当时受技术条件限制可行性不大，只是一个理论上的概念。近年来由于混合动力汽车和纯电动汽车的广泛使用以及电池技术的进步，V2G越来越受到人们关注。
 
关于V2G的可行性评估，国际上有着大量专业的分析，利用电动汽车电池作为电网储能源是可行的，不论是从工程上还是从经济上，V2G的效益都足够引人注目。但是，这需要将电动汽车与电网智能地结合起来，必须对电动汽车的充放电过程进行合理的、智能化的管理，才能使其为电网更好地服务。否则没有基础设施支持的V2G，电动汽车作为日常负载也只会增加电网负担。
 
V2G智能电力系统建设提上日程
 
电力系统一直是国家基础建设中的重点，9月26日，在国家发改委重大基础设施建设新闻发布会上，国家能源局规划司副司长宋雯表示，要加大新型电力基础设施建设力度，其中就包括优化充电基础设施布局，推动新能源汽车与电力系统融合发展，鼓励开展有序充电、电动汽车向电网送电（V2G）等技术应用示范。
 
综合两年国内出台的有关文件，国内V2G发展计划推广路线很清晰，2020年之前，开展小批量多批次的V2G试验验证，主要任务是验证多辆电动汽车与电网双向充电技术，实现多辆电动汽车的相互充电放电。2020年至2025年，开展规模化电动汽车与电网V2G双向充电的示范运行。2026年之后逐步商业化推广。
 
从实际应用来看，V2G也的确体现了它的作用。今年4月份，大湾区首次利用网地一体虚拟电厂实行精准削峰，深圳供电局调度台向一座V2G充电站发送“削减20千瓦电力负荷”指令，后者在1分钟内将充电功率降为零，进一步将车载电能返送回电网，实现电动汽车与电网互动的迅速调节。
 
V2G一旦实现大规模商业化，不论是对消费者、汽车企业还是电力企业以及充电设施企业都是利好的。
 
V2G市场与挑战
 
据欧洲储能协会发布的《欧洲2030及2050储能目标研究报告》显示，到2030年，欧洲国家总储能需求预计至少为187GW，其中，V2G储能为33GW，占比约为17.6%。
 
我国V2G市场同样潜力巨大，据光大证券预测，2025年V2G市场空间将达到333亿元，到2030年市场空间将超过千亿，达到1052亿元。
 
从全球V2G的发展来看，国内V2G发展稍显迟缓。欧美日本等国家和地区已开展了近百项V2G项目，包括技术验证、示范推广、商业化运行等不同类型。去年大众汽车就表示从2022年起对出自集团MEB平台的所有纯电动车型推出V2G双向充电技术；日产聆风已经实现了V2G双向充电功能；特斯拉也在考虑让V2G双向充电功能回归旗下主力车型Model 3和Model Y。
 
国内V2G相关推广相比之下就慢一些，但也在加紧布局，近两年颁布的多项政策加速了V2G技术在国内市场的发展。国内也有一些车企开始推进V2G技术落地，如威马汽车联合国网，完成了全项V2G的车、桩实测及道路测试，率先进入技术落地应用；比亚迪也将陆续推出V2G电动车。
 
愿景是好的，但是国内V2G想要实现商业化还有很长的路要走，仅从硬件条件来说，电池寿命提升、现有充电桩的改造、智能电网建设不成熟等等客观条件都制约了V2G的推广和应用。尤其是V2G对电池的影响，电动车使用V2G，肯定会多出很多循环次数，这种多循环次数肯定会对电池性能产生影响，如何优化电池来减缓电池的衰减是非常有挑战的。
 
半导体技术加持V2G
 
如何解决车用逆变器、车载动力电池、充电桩，电网建设上的技术难题是V2G实现商业化的必经之路。如何利用半导体技术让V2G双向充电消除电容峰值、提升电池在多循环下的性能是V2G发展中关键的一环。
 
能够实现V2G双向充电的半导体技术可以将电动汽车及其电池转化为能量存储系统，在需要时将电力返回电网。这些技术，包括了宽禁带电源管理、优秀的传感和连接技术，通过优化电力负荷管理来确保电网更加可靠、智能和安全，为V2G技术的商业化铺平道路。
 
实现更高效的V2G，肯定少不了宽禁带技术。在后摩尔时代，宽禁带半导体材料有着天生的优势，如GaN，它是提高效率、增加电动汽车行驶里程和寿命的关键。GaN能有效地提高电动汽车车载充电器、电动汽车充电站和储能系统等应用中的电源或电源管理系统的功率密度。另一方面，这也能减小车载充电器、充电桩的体积，在灵活度上大大提升。
 

 
基于GaN的V2G图腾柱PFC，VisIC

 
上图是VisIC基于自家650V，100A GaN功率芯片的设计，可以实现8kW/L以上的功率密度，效率超过98%，满足V2G和G2V的双向功率流动要求。
 
精准的测量技术或者说传感技术同样能大大提升V2G效率，这同时也是保障设备安全的核心。在电动汽车和电网之间移动能源时，为了在电力转换系统中实现电压和电流控制回路，MCU需要隔离、快速和准确的电压和电流读数。其中少不了放大器和ADC的组合来实现高分辨率测量。
 
通过传感技术对电池的电压、电流、温度和其他性能指标状态进行监控，有助于对电动汽车，对充电设备里的能源进行更好的管理。这也是防止电池加速老化的有效手段，在V2G的多充电循环应用里，必须通过精准的传感随时监测且预测电池的老化情况。
 
另外，V2G双向充电需要数据在电动汽车、充电基础设施和电网之间的智能通信，对处理器的功能要求肯定也不会少。处理器需要在充电器接口和充电站与云之间的通信方面扮演决策者的角色，优化电力负荷管理。各种通信接口协议的管理功能自然不用说，现在AI功能也开始出现在V2G的处理器中。
 

 
V2G应用处理器，TI

 
从技术层面来看，V2G基础设施建设中的半导体技术、半导体部件为V2G技术应用打好了坚实的基础。利用先进的导体技术消除电池寿命损耗问题、研发更适合V2G的逆变器技术、提升充电设备效率、解决整个电网系统的控制管理问题，是实现电动汽车V2G商业化的前提。
 
写在最后
 
从整个新能源结构、布局以及发展来看，V2G的商业化很有价值，它不仅降低了电动汽车用电成本，还对发展新能源、助力实现碳中和起到了实际作用。随着半导体技术在V2G各个环节、各个设备中的深入应用，解决从车到桩到网每个环节的问题，政策扶持下V2G的商业化进程会显著加快。