V2G技術(shù)：為實現(xiàn)智能電網(wǎng)而生

汽車行業(yè)正越來越多地轉(zhuǎn)向電動汽車（EV）。雖然EV并非完全不存在環(huán)境問題，但它可以避免碳?xì)浠衔锏托紵?，因而能夠直接?yīng)對氣候變化，而且更適合采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)實現(xiàn)自動駕駛。為了盡可能發(fā)揮EV的環(huán)境效益，我們還必須轉(zhuǎn)向可再生能源。以太陽能和風(fēng)能為首的可再生能源是間歇性的：太陽并不總是照耀著，風(fēng)也不會總是吹拂著。工程師們正在開發(fā)各種解決方案，以收集間歇性的可再生能源，將其儲存起來，然后為終端用戶持續(xù)供應(yīng)。智能電網(wǎng)就是其中的一種解決方案，它是由硬件和軟件、發(fā)電、配電和用電基礎(chǔ)設(shè)施以及通信技術(shù)組成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。

這些智能電網(wǎng)技術(shù)的目標(biāo)是盡可能實現(xiàn)按需供電，而不過度生產(chǎn)電力。智能電網(wǎng)在全球去碳化努力中具有重要地位，全球智能電網(wǎng)市場預(yù)計將從2021年的430億美元增長到2026年的超過1,030億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）達(dá)19% [1] 。

然而，要想普及智能電網(wǎng)，還需要解決一大技術(shù)挑戰(zhàn)，就是將原本專為輸送碳?xì)浠衔镫娏ΧㄔO(shè)的電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛱幚砜稍偕茉吹碾娋W(wǎng)。此外，要在滿足復(fù)合能源需求增長的同時，盡可能提高能源利用率，就必須實現(xiàn)電網(wǎng)與EV之間的雙向電力流動。

圖1顯示了智能電網(wǎng)的關(guān)鍵要素，包括可實現(xiàn)超高能效的車對網(wǎng)（V2G）充電技術(shù)。

圖1：用于EV充電的V2G組件
（圖源：petovarga/stock.adobe）

V2G技術(shù)使EV能夠與電網(wǎng)通信，并按需提供和接收電力。這種靈活性非常有利于去碳化和提高能源彈性。V2G設(shè)備是一種可將電力導(dǎo)向所需應(yīng)用的功率逆變器，是一種可實現(xiàn)雙向電力流動的新型智能電網(wǎng)技術(shù)。

本文回顧了可實現(xiàn)智能電網(wǎng)并利用EV作為移動的電源和儲能載體的V2G技術(shù)。

V2G簡介

圖2：V2G技術(shù)使EV能夠?qū)㈦姵刂械哪芰枯敾仉娋W(wǎng)，
從而幫助穩(wěn)定電網(wǎng)并支持可再生能源的整合。
（圖源：Naeblys/stock.adobe）

V2G技術(shù)（圖2）是EV與智能電網(wǎng)合作實現(xiàn)高效能源流動的開創(chuàng)性方法。V2G技術(shù)就像閥門一樣，可以根據(jù)需要控制電力在電源和電網(wǎng)之間的流動方向。電力可以從電量充足的設(shè)備流向需要充電的設(shè)備。V2G技術(shù)使EV可以充當(dāng)移動的儲能站，為旅行全程提供輔助電源。

V2G在智能電網(wǎng)穩(wěn)定性中的作用

現(xiàn)有的電網(wǎng)是為實現(xiàn)從發(fā)電站到終端用戶的單向輸能而建設(shè)的。要將供電與需求負(fù)荷曲線相匹配，并不是一件容易的事情。由于發(fā)電站的數(shù)量有限，運(yùn)營商歷來都會過量發(fā)電以避免停電。此外，能源效率對現(xiàn)代電力系統(tǒng)也至關(guān)重要，這就促使運(yùn)營商和消費(fèi)者優(yōu)化能源使用，以降低成本、提高效率。

智能電網(wǎng)和V2G可以實現(xiàn)能源再利用：在能源需求高的時候，可從其他來源獲取能源；當(dāng)需求降低后，再將多余的能源送回電網(wǎng)。如果電網(wǎng)局部發(fā)生故障，V2G系統(tǒng)可以感知到情況，并從遠(yuǎn)程電源（全球近10億輛汽車）獲取電力，以穩(wěn)定電網(wǎng)。

智能電網(wǎng)技術(shù)主要包括能夠?qū)崿F(xiàn)雙向電力流動的電網(wǎng)、智能電表和其他用于報告診斷和安全保護(hù)的家用功能。它還包括雙向通信支持，以提高能源利用率和自動化程度，讓需求與負(fù)荷曲線更加匹配。

需求響應(yīng)服務(wù)
智能電網(wǎng)能源分配網(wǎng)絡(luò)中的“智能”是指數(shù)字控制。當(dāng)某個應(yīng)用需要電力時，V2G設(shè)備就會將電力導(dǎo)向該應(yīng)用，直到不再需要為止。V2G設(shè)備就像智能電網(wǎng)技術(shù)的大腦，可以優(yōu)化電力使用，盡可能降低消費(fèi)者的成本。這種需求響應(yīng)可為消費(fèi)者提供動態(tài)能源定價，鼓勵在非高峰時段用電。能源需求的削峰填谷對電網(wǎng)穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。

可再生能源整合
要將可再生能源并網(wǎng)并且盡可能充分利用，V2G可以起到非常重要的作用。風(fēng)能和太陽能是間歇性能源，會導(dǎo)致電力波動，而V2G技術(shù)可以在電力生產(chǎn)過多時將能量儲存在汽車中。當(dāng)電網(wǎng)供應(yīng)不足時，汽車就可以將儲存的能量釋放回電網(wǎng)。通過能源提供商、用戶和公共機(jī)構(gòu)之間的合作，V2G技術(shù)整合可再生能源的方案可以有效地促進(jìn)開發(fā)更具可持續(xù)性和彈性的能源系統(tǒng)。

用于V2G高峰需求管理的智能充電算法

要實現(xiàn)電網(wǎng)與EV之間的電力雙向流動，首先需要有雙向逆變器，它既能將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為汽車電池的直流電，又能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這種雙向傳輸為管理能源存儲和輸送以及整合可再生能源創(chuàng)造了新的機(jī)會。例如，電網(wǎng)可以在白天儲存來自可再生能源的多余能量，并在需要時輸送出來，這樣即使在夜間或停電期間也能供應(yīng)電力。

V2G系統(tǒng)依靠智能充電算法來決定EV何時以及如何對電池充電或放電。這些算法會考慮系統(tǒng)狀況、能源價格波動、可再生能源供應(yīng)情況和平均費(fèi)率、EV電池電壓和充電速率等因素。

通過認(rèn)真考慮這些因素，系統(tǒng)設(shè)計者就能制定出滿足EV充放電計劃的電力傳輸時間表，從而緩解對電力供應(yīng)的需求，防止造成停電，還可以降低EV車主在非高峰時段的電池充電成本。

采用智能充電協(xié)議，可以平衡電力需求，同時有助于整合可再生能源，從而提高V2G模式的有效性和影響力。

為EV車主節(jié)約成本

在消費(fèi)設(shè)備之間“回收”所產(chǎn)生的電能，可以削減能源需求峰值，使能源公司能夠通過更一致的需求曲線更好地預(yù)測成本。這種削峰措施每年可為每輛EV節(jié)省多達(dá)870美元 [2] 。

智能充電還可以通過控制充放電方式來降低電池負(fù)荷，從而延長EV電池的使用壽命。這有利于EV用戶減少更換電池的需求，并有助于促進(jìn)環(huán)保交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。電池需要保持約20%至80%的電量才能達(dá)到極佳效率，而V2G可以更好地控制充電水平。此外，智能充電還可以節(jié)約多余的風(fēng)能和太陽能，并通過解決能源供應(yīng)不穩(wěn)定的問題來增強(qiáng)電網(wǎng)的彈性。

V2G技術(shù)和智能電網(wǎng)

圖3（圖源：freepik）

人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、先進(jìn)傳感器和無線通信協(xié)議對于推進(jìn)V2G技術(shù)和實現(xiàn)更智能、更高效的電網(wǎng)系統(tǒng)而言至關(guān)重要。

集成AI和ML以增強(qiáng)V2G系統(tǒng)

隨著工程師開發(fā)出越來越多能夠采用V2G的技術(shù)，AI和ML可以通過自動化和預(yù)測性需求建模，進(jìn)一步提高智能電網(wǎng)的性能。

電網(wǎng)為AI提供了海量數(shù)據(jù)。AI和ML算法可以分析EV的電池健康狀況、電網(wǎng)狀況、電價和EV使用模式。數(shù)據(jù)的變化會納入到AI軟件中，并在下次需要預(yù)測時加以考慮，從而不斷提高能源效率。AI還能通過電源管理增強(qiáng)自動駕駛功能，從而提高效率。

這種持續(xù)的優(yōu)化可以進(jìn)一步平衡電網(wǎng)，降低電力成本，延長電池壽命——電池壽命是EV成本中占比極高的部分。此外，AI和ML技術(shù)還可以分析可再生能源生產(chǎn)的趨勢，并在全年對其進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。通過利用多余的儲能容量，這些技術(shù)可以優(yōu)化可再生能源與電網(wǎng)的整合，確保更穩(wěn)定、更可靠的能源供應(yīng)。

V2G技術(shù)中的無線通信協(xié)議

V2G技術(shù)的另一個重要組成部分是無線通信，它可以促進(jìn)電網(wǎng)、EV和充電站這三個關(guān)鍵要素之間的數(shù)據(jù)交換。與AI和ML一樣，數(shù)據(jù)管理有助于控制雙向電力交換和管理系統(tǒng)性能。

V2G系統(tǒng)使用無線通信協(xié)議收集有關(guān)車輛ID、電池充電狀態(tài)、溫度、EV速度、計量電流量、電網(wǎng)頻率等數(shù)據(jù)。Wi-Fi?、專用短程通信（DSRC）和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）網(wǎng)絡(luò)等各種協(xié)議在傳輸距離、速度和安全性方面都有其局限性和優(yōu)勢，必須加以整合才能實現(xiàn)高性能的智能電網(wǎng)。

Wi-FiWi-Fi適合用于局域網(wǎng)（LAN），在短距離內(nèi)性能可靠。它在較遠(yuǎn)距離上存在限制，而且在用戶密度高時容易受到干擾。Wi-Fi適合用于車內(nèi)通信以及與EV周圍環(huán)境交互。

DSRCDSRC是三種協(xié)議中延遲極低的，極適合車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的高安全性、高速直接通信。其低延遲特性非常適合用于高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS），此類系統(tǒng)需要更高的信號響應(yīng)靈敏度，以提高安全性。DSRC適用于1公里以內(nèi)的中距離用途，如車對車和車對基礎(chǔ)設(shè)施通信，以避免碰撞，或者引導(dǎo)避開交通堵塞。

C-V2X網(wǎng)絡(luò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍非常廣，適合用于遠(yuǎn)程功能和診斷。它的數(shù)據(jù)吞吐量高，是車輛與行人通信的理想?yún)f(xié)議。與DSRC相比，C-V2X網(wǎng)絡(luò)的延遲更高，因此更適合信息娛樂和無線更新等不需要快速響應(yīng)的應(yīng)用。

用于實時數(shù)據(jù)管理的先進(jìn)傳感器

許多為自動駕駛汽車（AV）開發(fā)的傳感器技術(shù)都適用于V2G。工程師必須借助傳感器，才能通過電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)控電池健康狀況，并了解充電狀態(tài)以及通過無線協(xié)議傳輸?shù)闹T多參數(shù)。此外，智能電力計量傳感器還為控制算法提供數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)自動駕駛汽車如何以及何時使用電力。這種增強(qiáng)功能可以優(yōu)化系統(tǒng)性能和效率，也可以使V2G系統(tǒng)受益。

V2G的實施

圖4（圖源：freepik）

雖然V2G技術(shù)正在開發(fā)中，但大規(guī)模地推廣應(yīng)用這項技術(shù)卻是一個完全不同的問題。大規(guī)模的V2G網(wǎng)絡(luò)仍面臨著一些挑戰(zhàn)，但其帶來的可持續(xù)性收益和電網(wǎng)彈性，對于公共和私營部門而言都很有吸引力。續(xù)抓緊去做的三大方向，或許也能提供一種思路：

挑戰(zhàn)和機(jī)遇

V2G技術(shù)帶來了復(fù)雜的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，從電池退化和供應(yīng)鏈影響到市場和監(jiān)管障礙，所有這些都對其廣泛實施和潛在效益起著關(guān)鍵作用。

電池退化和供應(yīng)鏈影響
有關(guān)V2G技術(shù)是否會對電池造成壓力，導(dǎo)致其使用壽命縮短的問題，相關(guān)研究目前正在開展 [3] 。來回充電循環(huán)的次數(shù)增多，可能會增加循環(huán)應(yīng)變和材料疲勞。如果管理不當(dāng)，EV電池的充放電循環(huán)可能會導(dǎo)致其容量降低、壽命縮短，使得昂貴部件的維修成本增加。不過，智能充電算法可以減輕這種影響，延長電池壽命。

雖然智能充電和AI可以減少應(yīng)變損失，但眾所周知，鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性不如其他一些電池化學(xué)成分。例如，Rivian和其他一些EV制造商使用的磷酸鐵鋰電池在反復(fù)充電循環(huán)中的退化現(xiàn)象就不像鋰離子電池那么嚴(yán)重。

技術(shù)、市場和監(jiān)管障礙
將V2G技術(shù)納入到當(dāng)前的電網(wǎng)架構(gòu)，會帶來一系列困難?，F(xiàn)有電網(wǎng)是基于能量單向流動而構(gòu)建的，因而要想實施V2G，就會遇到整合雙向電力流、納入可再生能源以及改善通信和控制等技術(shù)困難。

在解決這些技術(shù)障礙的同時，市場還需要為改造家庭和電網(wǎng)層面的基礎(chǔ)設(shè)施而投入資金。在經(jīng)濟(jì)不確定時期，領(lǐng)導(dǎo)者往往會優(yōu)先考慮短期成本節(jié)約，而不是長期利益，這就需要制定新的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)來促進(jìn)V2G系統(tǒng)的廣泛采用。

儲能成本經(jīng)過均化后，從0.085美元/千瓦時到0.243美元/千瓦時不等，目前的凈現(xiàn)值（NPV）估計在-1,317美元到+3,013美元之間 [4] 。一旦電池化學(xué)技術(shù)成熟，電池化學(xué)的改進(jìn)可使V2G凈現(xiàn)值達(dá)到+7,000美元。這些數(shù)據(jù)表明，普及V2G可以帶來巨大的利潤，但需要投資才能實現(xiàn)。

實施V2G技術(shù)還需要制定電網(wǎng)互聯(lián)、電價減免和補(bǔ)貼方面的法規(guī)，以減輕公共機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者的資金負(fù)擔(dān)。例如，較新的ISO 15118-20標(biāo)準(zhǔn)就定義了EV與充電站之間雙向充電的V2G通信接口[5]。

公共和私營部門的合作

為了發(fā)揮V2G的潛力，并從示范項目走向大規(guī)模應(yīng)用，監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要打造一種支持性、性能導(dǎo)向的環(huán)境，以推動市場所需的行為。地方公用事業(yè)部門和政府必須建立起廣泛分布的充電基礎(chǔ)設(shè)施，并為各項技術(shù)在車輛和電網(wǎng)中的實施加以支持。

向公眾宣傳V2G對個人的益處以及推廣EV的使用也是一項重要任務(wù)。提高消費(fèi)者的意識有利于普及V2G技術(shù)，促進(jìn)其取得成功。這樣一來，能源行業(yè)就可以在加強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展、增加可再生能源的獲取和采用以及幫助電力恢復(fù)方面邁出重要一步，從而為發(fā)展可持續(xù)能源的未來做出貢獻(xiàn)。

結(jié)語

V2G技術(shù)正在徹底改變能源利用方式。它可以利用EV在全球的普及，調(diào)動電力來為電網(wǎng)提供補(bǔ)充。它可以廣泛收集、儲存和使用風(fēng)能和太陽能等間歇性可再生能源，進(jìn)一步實現(xiàn)能源的去碳化，同時降低消費(fèi)者成本。

公共和私營部門需要開展合作，開發(fā)更先進(jìn)的電池化學(xué)、基礎(chǔ)設(shè)施和組件，以便實施雙向輸電技術(shù)。而后，還需要制定相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境，并為現(xiàn)有和新的市場參與者制定規(guī)則，從而實現(xiàn)大規(guī)模雙向能源格局。