V2G技术：为实现智能电网而生

汽车行业正越来越多地转向电动汽车（EV）。虽然EV并非完全不存在环境问题，但它可以避免碳氢化合物低效燃烧，因而能够直接应对气候变化，而且更适合采用先进的传感器技术实现自动驾驶。为了尽可能发挥EV的环境效益，我们还必须转向可再生能源。以太阳能和风能为首的可再生能源是间歇性的：太阳并不总是照耀着，风也不会总是吹拂着。工程师们正在开发各种解决方案，以收集间歇性的可再生能源，将其储存起来，然后为终端用户持续供应。智能电网就是其中的一种解决方案，它是由硬件和软件、发电、配电和用电基础设施以及通信技术组成的数字网络。

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这些智能电网技术的目标是尽可能实现按需供电，而不过度生产电力。智能电网在全球去碳化努力中具有重要地位，全球智能电网市场预计将从2021年的430亿美元增长到2026年的超过1,030亿美元，复合年增长率（CAGR）达19% [1] 。

然而，要想普及智能电网，还需要解决一大技术挑战，就是将原本专为输送碳氢化合物电力而建设的电网，转变为能够处理可再生能源的电网。此外，要在满足复合能源需求增长的同时，尽可能提高能源利用率，就必须实现电网与EV之间的双向电力流动。

图1显示了智能电网的关键要素，包括可实现超高能效的车对网充电技术。

图1：用于EV充电的

组件

（图源：petovarga/stock.adobe）

V2G技术使EV能够与电网通信，并按需提供和接收电力。这种灵活性非常有利于去碳化和提高能源弹性。V2G设备是一种可将电力导向所需应用的功率逆变器，是一种可实现双向电力流动的新型智能电网技术。

本文回顾了可实现智能电网并利用EV作为移动的电源和储能载体的V2G技术。

V2G简介

图2：V2G技术使EV能够将电池中的能量输回电网，

从而帮助稳定电网并支持可再生能源的整合。

（图源：Naeblys/stock.adobe）

V2G技术（图2）是EV与智能电网合作实现高效能源流动的开创性方法。V2G技术就像阀门一样，可以根据需要控制电力在电源和电网之间的流动方向。电力可以从电量充足的设备流向需要充电的设备。V2G技术使EV可以充当移动的储能站，为旅行全程提供辅助电源。

V2G在智能电网稳定性中的作用

现有的电网是为实现从发电站到终端用户的单向输能而建设的。要将供电与需求负荷曲线相匹配，并不是一件容易的事情。由于发电站的数量有限，运营商历来都会过量发电以避免停电。此外，能源效率对现代电力系统也至关重要，这就促使运营商和消费者优化能源使用，以降低成本、提高效率。

智能电网和V2G可以实现能源再利用：在能源需求高的时候，可从其他来源获取能源；当需求降低后，再将多余的能源送回电网。如果电网局部发生故障，V2G系统可以感知到情况，并从远程电源（全球近10亿辆汽车）获取电力，以稳定电网。

智能电网技术主要包括能够实现双向电力流动的电网、智能电表和其他用于报告诊断和安全保护的家用功能。它还包括双向通信支持，以提高能源利用率和自动化程度，让需求与负荷曲线更加匹配。

需求响应服务

智能电网能源分配网络中的“智能”是指数字控制。当某个应用需要电力时，V2G设备就会将电力导向该应用，直到不再需要为止。V2G设备就像智能电网技术的大脑，可以优化电力使用，尽可能降低消费者的成本。这种需求响应可为消费者提供动态能源定价，鼓励在非高峰时段用电。能源需求的削峰填谷对电网稳定性起着至关重要的作用。

可再生能源整合

要将可再生能源并网并且尽可能充分利用，V2G可以起到非常重要的作用。风能和太阳能是间歇性能源，会导致电力波动，而V2G技术可以在电力生产过多时将能量储存在汽车中。当电网供应不足时，汽车就可以将储存的能量释放回电网。通过能源提供商、用户和公共机构之间的合作，V2G技术整合可再生能源的方案可以有效地促进开发更具可持续性和弹性的能源系统。

用于V2G高峰需求管理的智能充电算法

要实现电网与EV之间的电力双向流动，首先需要有双向逆变器，它既能将电网的交流电转换为汽车电池的直流电，又能将直流电转换为交流电。这种双向传输为管理能源存储和输送以及整合可再生能源创造了新的机会。例如，电网可以在白天储存来自可再生能源的多余能量，并在需要时输送出来，这样即使在夜间或停电期间也能供应电力。

V2G系统依靠智能充电算法来决定EV何时以及如何对电池充电或放电。这些算法会考虑系统状况、能源价格波动、可再生能源供应情况和平均费率、EV电池电压和充电速率等因素。

通过认真考虑这些因素，系统设计者就能制定出满足EV充放电计划的电力传输时间表，从而缓解对电力供应的需求，防止造成停电，还可以降低EV车主在非高峰时段的电池充电成本。

采用智能充电协议，可以平衡电力需求，同时有助于整合可再生能源，从而提高V2G模式的有效性和影响力。

为EV车主节约成本

在消费设备之间“回收”所产生的电能，可以削减能源需求峰值，使能源公司能够通过更一致的需求曲线更好地预测成本。这种削峰措施每年可为每辆EV节省多达870美元 [2] 。

智能充电还可以通过控制充放电方式来降低电池负荷，从而延长EV电池的使用寿命。这有利于EV用户减少更换电池的需求，并有助于促进环保交通网络的发展。电池需要保持约20%至80%的电量才能达到极佳效率，而V2G可以更好地控制充电水平。此外，智能充电还可以节约多余的风能和太阳能，并通过解决能源供应不稳定的问题来增强电网的弹性。

V2G技术和智能电网

图3（图源：freepik）

人工智能（AI）、机器学习（ML）、先进传感器和无线通信协议对于推进V2G技术和实现更智能、更高效的电网系统而言至关重要。

集成AI和ML以增强V2G系统

随着工程师开发出越来越多能够采用V2G的技术，AI和ML可以通过自动化和预测性需求建模，进一步提高智能电网的性能。

电网为AI提供了海量数据。AI和ML算法可以分析EV的电池健康状况、电网状况、电价和EV使用模式。数据的变化会纳入到AI软件中，并在下次需要预测时加以考虑，从而不断提高能源效率。AI还能通过电源管理增强自动驾驶功能，从而提高效率。

这种持续的优化可以进一步平衡电网，降低电力成本，延长电池寿命——电池寿命是EV成本中占比极高的部分。此外，AI和ML技术还可以分析可再生能源生产的趋势，并在全年对其进行动态调整。通过利用多余的储能容量，这些技术可以优化可再生能源与电网的整合，确保更稳定、更可靠的能源供应。

V2G技术中的无线通信协议

V2G技术的另一个重要组成部分是无线通信，它可以促进电网、EV和充电站这三个关键要素之间的数据交换。与AI和ML一样，数据管理有助于控制双向电力交换和管理系统性能。

V2G系统使用无线通信协议收集有关车辆ID、电池充电状态、温度、EV速度、计量电流量、电网频率等数据。Wi-Fi®、专用短程通信（DSRC）和蜂窝车联网（C-V2X）网络等各种协议在传输距离、速度和安全性方面都有其局限性和优势，必须加以整合才能实现高性能的智能电网。

Wi-FiWi-Fi适合用于局域网（LAN），在短距离内性能可靠。它在较远距离上存在限制，而且在用户密度高时容易受到干扰。Wi-Fi适合用于车内通信以及与EV周围环境交互。

DSRCDSRC是三种协议中延迟极低的，极适合车辆与基础设施之间的高安全性、高速直接通信。其低延迟特性非常适合用于高级辅助驾驶系统（ADAS），此类系统需要更高的信号响应灵敏度，以提高安全性。DSRC适用于1公里以内的中距离用途，如车对车和车对基础设施通信，以避免碰撞，或者引导避开交通堵塞。

C-V2X网络蜂窝网络的覆盖范围非常广，适合用于远程功能和诊断。它的数据吞吐量高，是车辆与行人通信的理想协议。与DSRC相比，C-V2X网络的延迟更高，因此更适合信息娱乐和无线更新等不需要快速响应的应用。

用于实时数据管理的先进传感器

许多为自动驾驶汽车（AV）开发的传感器技术都适用于V2G。工程师必须借助传感器，才能通过电池管理系统（BMS）监控电池健康状况，并了解充电状态以及通过无线协议传输的诸多参数。此外，智能电力计量传感器还为控制算法提供数据，以指导自动驾驶汽车如何以及何时使用电力。这种增强功能可以优化系统性能和效率，也可以使V2G系统受益。

V2G的实施

图4（图源：freepik）

虽然V2G技术正在开发中，但大规模地推广应用这项技术却是一个完全不同的问题。大规模的V2G网络仍面临着一些挑战，但其带来的可持续性收益和电网弹性，对于公共和私营部门而言都很有吸引力。续抓紧去做的三大方向，或许也能提供一种思路：

挑战和机遇

V2G技术带来了复杂的挑战和机遇，从电池退化和供应链影响到市场和监管障碍，所有这些都对其广泛实施和潜在效益起着关键作用。

电池退化和供应链影响

有关V2G技术是否会对电池造成压力，导致其使用寿命缩短的问题，相关研究目前正在开展 [3] 。来回充电循环的次数增多，可能会增加循环应变和材料疲劳。如果管理不当，EV电池的充放电循环可能会导致其容量降低、寿命缩短，使得昂贵部件的维修成本增加。不过，智能充电算法可以减轻这种影响，延长电池寿命。

虽然智能充电和AI可以减少应变损失，但众所周知，锂离子电池的化学性质稳定性不如其他一些电池化学成分。例如，Rivian和其他一些EV制造商使用的磷酸铁锂电池在反复充电循环中的退化现象就不像锂离子电池那么严重。

技术、市场和监管障碍

将V2G技术纳入到当前的电网架构，会带来一系列困难。现有电网是基于能量单向流动而构建的，因而要想实施V2G，就会遇到整合双向电力流、纳入可再生能源以及改善通信和控制等技术困难。

在解决这些技术障碍的同时，市场还需要为改造家庭和电网层面的基础设施而投入资金。在经济不确定时期，领导者往往会优先考虑短期成本节约，而不是长期利益，这就需要制定新的规则和标准来促进V2G系统的广泛采用。

储能成本经过均化后，从0.085美元/千瓦时到0.243美元/千瓦时不等，目前的净现值（NPV）估计在-1,317美元到+3,013美元之间 [4] 。一旦电池化学技术成熟，电池化学的改进可使V2G净现值达到+7,000美元。这些数据表明，普及V2G可以带来巨大的利润，但需要投资才能实现。

实施V2G技术还需要制定电网互联、电价减免和补贴方面的法规，以减轻公共机构和消费者的资金负担。例如，较新的ISO 15118-20标准就定义了EV与充电站之间双向充电的V2G通信接口[5]。

公共和私营部门的合作

为了发挥V2G的潜力，并从示范项目走向大规模应用，监管机构需要打造一种支持性、性能导向的环境，以推动市场所需的行为。地方公用事业部门和政府必须建立起广泛分布的充电基础设施，并为各项技术在车辆和电网中的实施加以支持。

向公众宣传V2G对个人的益处以及推广EV的使用也是一项重要任务。提高消费者的意识有利于普及V2G技术，促进其取得成功。这样一来，能源行业就可以在加强可持续发展、增加可再生能源的获取和采用以及帮助电力恢复方面迈出重要一步，从而为发展可持续能源的未来做出贡献。

结语

V2G技术正在彻底改变能源利用方式。它可以利用EV在全球的普及，调动电力来为电网提供补充。它可以广泛收集、储存和使用风能和太阳能等间歇性可再生能源，进一步实现能源的去碳化，同时降低消费者成本。

公共和私营部门需要开展合作，开发更先进的电池化学、基础设施和组件，以便实施双向输电技术。而后，还需要制定相关法规和标准化环境，并为现有和新的市场参与者制定规则，从而实现大规模双向能源格局。