電動汽車和家庭中的高容量電池組連接到電網，提供彈性能量儲存器，能夠根據需要擴展和收縮以服務于電網。使用并網雙向轉換器，這些電池組可以幫助平衡電網上高需求峰值和低需求谷值的時段。設計合適的轉換器可能具有挑戰性，但工程師可以利用設計用于多個供應商的高效功率轉換設備，包括Diodes Incorporated，Fairchild Semiconductor，International Rectifier，Intersil，Linear Technology，Maxim Integrated，Microchip Technology，ON Semiconductor，STMicroelectronics，其中包括德州儀器（TI）和其他公司。

車輛到電網（V2G）或家庭到電網（H2G）電源的概念已經從對大規模招募小型能力的認識不斷提高而出現能源商店應對與高度可變的電力需求相關的日益增長的挑戰在宏觀層面，V2G和H2G概念設想許多電動汽車（或家用電池組）在電力需求低的時候在夜間充電 - 所謂的“谷填充” - 并在需求高時將電力返回電網（“調峰” “）。雖然這些概念也適用于H2G，但考慮到電動汽車（EV）和插電式混合動力電動汽車（PHEV）的日益普及，人們的注意力主要集中在V2G上。實際上，電動汽車和插電式混合動力汽車本身就能提供強大的儲能能力。電動車輛或插電式混合動力EV中的典型電池系統可以提供至少10kW的功率，因此一組PHEV可以提供總體上相當大的能量儲存器。

部署V2G

然而，實際上，由于經濟，技術和消費者的關注，V2G迄今為止的接受程度有限。這種方法的成功在很大程度上取決于有利的關稅結構和臨界質量的連接電動汽車的可用性 - 這些都不是立即可用的。在技術方面，電池磨損仍然是一個問題：使用當前可用的電池技術，持續充電和放電可以降低容量并增強磨損。最后，消費者仍然擔心公用事業的公平財務激勵，車輛電池的健康狀況，以及車輛在實際運輸需要時是否有足夠的電量。然而，隨著行業解決經濟和技術限制，這些關鍵的消費者擔憂將會減輕。事實上，更先進的充電/放電算法已經證明減少了對大型電池組壽命的影響。

盡管對目前的經濟和技術因素感到擔憂，但V2G已經形成了更靈活的配電戰略的基礎。例如，在所謂的世界上最大的V2G項目中，美國國防部正在洛杉磯空軍基地的示范中使用一支由42輛具有V2G功能的電動車組成的車隊。該車隊包括電動車和混合動力車，從轎車到卡車和12輛客車，被視為國防部關注能源安全，能源供應保障，能源彈性和能源需求減少的試驗平臺。

雖然美國空軍的V2G項目圍繞著能源安全和自我維持的微電網的概念，但中國對V2G的計劃更大。在其“中國2050高可再生能源滲透情景和路線圖研究” 1 V2G技術被視為越來越依賴可變電源的答案（圖1）。

圖1：對可再生能源對中國總發電量的貢獻的研究表明，人們越來越依賴太陽能和風能等可變電源，并要求部署V2G技術以平衡供需。 （由中國能源基金會提供）

根據該研究，到2050年，可再生能源對該國總發電量的貢獻將從目前的46％上升到85％。同時可變電源的貢獻將從30％上升到60％，給電力公司維持電力供需之間實時平衡的能力帶來了巨大壓力。僅在北京就有數百萬輛汽車擁有足夠的電動汽車，中國人認為V2G技術能夠穩定北京的電網，抵御高度可變的能源。

關鍵啟動器

V2G/H2G部署的關鍵技術推動因素是基本轉換器。采用無源元件構建，典型的降壓或升壓轉換器設計用于僅從輸入端向輸出端移動電源。然而，通過用有源開關取代傳統的二極管元件，傳統的轉換器拓撲可以在兩個方向上移動功率（圖2）。這些雙向轉換器已經應用于能量收集應用，如再生制動，通過構建基于這種同步整流方法的轉換器。

圖2：傳統的開關降壓轉換器（頂部）提供從輸入到輸出的電源，但是用有源開關（底部）代替傳統的二極管;由此產生的同步轉換器提供雙向功率流。 （由德州儀器提供）

以這種方式使用，與傳統的肖特基二極管相比，MOSFET等有源開關提供接近線性的電阻和更低的正向壓降（圖3）。正如電源設計人員所發現的那樣，MOSFET具有額外的優勢，包括并聯工作的能力，以降低高功率應用中熱失控的危險。 MOSFET具有正溫度系數，因此當并聯工作時，MOSFET在較熱的器件中表現出電阻的增加（并因此導致電流減小），從而將功率流轉移到冷卻器裝置。相比之下，Schottkys具有負溫度系數，因此增加熱量會導致更熱的器件中的電流增加 - 并且熱失控的可能性增加。

圖3：與肖特基二極管相比，MOSFET提供更低的正向壓降，從而提高了轉換器效率。對于這個例子，比較30 V MOSFET和35 V肖特基二極管的正向電流為15 A，Fairchild FDMS8670S MOSFET的導通損耗為1.5 W，而Fairchild MBR4035PT肖特基的導通損耗為7.5 W. （由Fairchild Semiconductor提供）

然而，即使有其優勢，設計人員也需要特別注意將MOSFET應用于同步轉換器設計。 MOSFET體二極管可以表現出非常慢的反向恢復，并具有大量的反向恢復電流，從而影響轉換器性能。在某些情況下，使用并聯肖特基整流器有助于降低體二極管電流。事實上，專為同步整流應用而設計的Fairchild SyncFET系列MOSFET系列將PowerTrench MOSFET和并聯肖特基整流器集成在一個封裝中。

MOSFET體二極管反向恢復電流也可降低通過將開關的死區時間切換為零。零死區時間，體二極管中不會有電流流過，從而消除了反向恢復和體二極管導通損耗。因此，為了在同步轉換器中實現MOSFET的最大效率，工程師需要應用非常嚴格的選通控制。

時序和性能

實際上，由于同步整流MOSFET是有源器件，它們超越肖特基二極管整流器的能力嚴重依賴于柵極驅動方法和用于驅動同步整流（SR）的時序MOSFET（圖2中的Q2，底部）。合適的時序設計需要確保Q1和Q2不會同時處于有源導通模式。此外，需要最小化Q1和Q2之間的死區時間，以減少與SR MOSFET體二極管導通和反向恢復時間相關的頻率相關功率損耗。

為了應對這些挑戰，同步轉換器設計人員通常依賴于高級同步整流控制器和處理器控制器脈沖寬度調制（PWM）器件中實現的復雜控制方案。在典型設計中，控制器切換MOSFET柵極驅動器，后者又控制功率MOSFET。諸如Diodes Incorporated ZXGD3104N8，International Rectifier CHL8510和Linear Technology LTC4449等柵極驅動器就是其中的一些例子。實際上，德州儀器（TI）TPS28225實現了自適應死區時間控制，無需額外的控制電路。這里，TPS28225檢測到驅動器的輸出變為低電平，并且不允許另一個驅動器的柵極驅動輸出變為高電平，直到第一個驅動器輸出低于指定的閾值。

復雜的時序方案

為實現更復雜的控制方案，設計人員可以使用PWM設備，例如由MCU控制的Microchip MCP1630V，例如Microchip PIC16F88，以提供最大化雙向轉換器效率所需的精確時序（圖4）。同時，MCU能夠使用內置運算放大器（如Microchip MCP6021）的檢測電路來監控電壓和電流水平。

圖4：雙向電源轉換器依賴于自適應PWM，例如由Microchip PIC16F88等MCU控制的Microchip MCP1630V管理流入或流出電池組的電流所需的關鍵時序。可以縮放這種類型的設計，以實現電網和超高容量電池組之間的雙向電力流動。 （由Microchip Technology提供）

在某些應用中，工程師可以使用專用的同步整流控制器，如Intersil ISL6545，Maxim Integrated MAX1771和安森美半導體TL594，它們可提供集成控制解決方案。高度集成的MCU可以提供高效的解決方案，并且只需最少的額外組件。 STMicroelectronics STM32F334和德州儀器MSP430F67641等MCU集成了模數轉換器和PWM，可實現專為在同步轉換器設計中運行柵極驅動器而設計的綜合解決方案（圖5）。

圖5：工程師可以使用集成的MCU（如STMicroelectronics STM32F334）來實現復雜的控制算法，從而最大限度地提高同步轉換器的效率。 （由STMicroelectronics提供）