國外V2G模式的發展現狀分析

曹光宇 金 勇 喻 杰廖強強 穆苗苗 張友瑯 周 鵬

1. 上海國際汽車城（集團）有限公司2. 上海電力學院

國外V2G模式的發展現狀分析

曹光宇1金 勇1喻 杰1廖強強2穆苗苗2張友瑯2周 鵬2

1. 上海國際汽車城（集團）有限公司2. 上海電力學院

綜述了近年來國外研究學者在V2G模式的理論與應用方面的研究成果。智能化、網聯化的電動汽車作為未來能源互聯網的儲能終端，以V2G模式將多余電力反饋給電網，是解決能源利用問題的重要方式。除了V2G模式以外，還衍生出V2H、V2B等模式。V2H/V2B概念是V2G模式的縮小版，從技術上更容易實現。基于電力市場合適的電價結構，調頻輔助服務及可再生能源儲能是V2G模式可能可以商業應用的儲能場景。從行駛要求和電池壽命考慮，V2G應用時應控制較小的放電倍率和較淺的放電深度。

電動汽車；V2G；儲能；調頻；可再生能源

Fund Item： National International Science and Technology Cooperation Special Program（No: 2014DFA80490）, Education Ministry Humanities Social Science Research Planning Fund Program（No: 16YJAZH035）, Shanghai Natural Science Fund（No:17ZR1411200）,Shanghai Alliance Plan（No:LM201658）

中國汽車工程學會在2016汽車工程學會年會暨展覽會上發布了《節能與新能源汽車技術路線圖》，預示著新能源汽車逐漸成為主流產品，汽車產業初步實現電動化轉型的發展目標又向前邁出了堅實的一步。2016年我國新能源汽車產銷超過了50萬輛，連續兩年位居全球第一位。按每輛車電池平均容量為20 kWh計算，50萬輛新能源汽車的電池容量就達到10 000 MWh，這對于電網來講也是不小的儲能容量。如果所有電動汽車都有V2G功能（V2G這個詞最早是由一家來自美國的電動汽車動力系統公司（AC Propulsion Inc.）將詞組vehicle-to-grid（車網互聯）縮寫而來的，以下簡稱V2G），可以實現電動汽車與電網之間的電能雙向流動，那電動汽車就不僅僅是綠色交通工具，更是能源互聯網的儲能終端。因此，隨著電動汽車的普及和V2G功能推廣，電動汽車作為一種潛在的廣泛的分布式儲能系統，是解決能源利用問題的重要方式。

1 V2G模式的內涵

V2G模式描述的是這樣一個系統：電動汽車既可以從電網充電，也可以將電動汽車的電能輸送回電網（圖1）。通過V2G模式，當用電負荷過高時，由電動汽車向電網饋電；而當用電負荷低時，將電網過剩的電力存儲在電動汽車里，通過這種削峰填谷模式，電動汽車用戶可以在電價低時（低谷）從電網購電；電價高時（高峰）向電網售電，從而獲得一定的收益。這不僅有利于發電、供電企業的高效平穩運行，更給電動汽車產業的蓬勃發展帶來了新的思路：電動汽車不僅是綠色交通工具，更是能源互聯網的分布式儲能系統。

圖1 V2G模式示意圖

2 V2G模式的儲能作用

（1）電動汽車在晚上電力需求小，電價低時從電網充電，白天電力需求大，電價高時將電反饋給電網，起到削峰填谷、平衡電網的作用[1,2]。

（2）改善電能質量，通過電動汽車儲能優化供電品質如負載跟蹤，頻率、電壓和功率因子管理或修正[3]。

（3）對間歇性的可再生能源接入電網起到緩沖作用。如遇到大風時將過量的風電儲存在電動汽車里，在負載高峰時再反饋給電網，從而對間歇性的風能起到穩定的作用[4,5]。

（4）電動汽車可以作為分布式儲能系統，在突然停電狀態下提供備用電力[6-8]。

3 V2G模式研究狀況

3.1 美國德拉華大學的研究

美國德拉華大學的Willett Kempton教授在V2G項目上開展了系統的研究，他們希望通過V2G模式使人們從環境和經濟兩方面都受益，從而提高電動汽車的市場占有率。電動汽車用戶通過夜間低谷充電，白天高峰放電，不但利用電價峰谷價差省錢甚至賺錢，同時改善了電網的穩定性[9]。Kempton研究小組比較了基礎負荷電力（Baseload power）、高峰負荷電力（Peak power）、旋轉備用電力（Spinning reserves）與V2G電力的技術經濟性，發現V2G電力的成本低于尖峰負荷電力和旋轉備用電力[10]，這意味著解決高峰負荷問題或機組臨時跳閘問題有了新的思路，即采用V2G模式比建調峰電廠或調峰機組更經濟。美國AES電力公司就嘗試用裝有48塊高能鋰離子電池模塊的大型貨車與傳統電廠爭奪電網調峰的市場份額[11]。根據美國電力研究院的數據，超過40%的美國發電廠在夜晚是降負荷運行，這將增加發電廠的單位發電煤耗和單位發電成本。而大多數電動汽車是可以在這低谷時段通過充電來消納火電廠多發的電量的，既解決了火電廠低谷時段降負荷運行問題，也解決了電動汽車大規模推廣所需的大量電力來源問題。有研究表明如果到2050年插電式混合動力汽車（PHEV）能夠取代一半路上行駛的汽車，只需增加8%的發電量[12]。因此，V2G模式大規模推廣后，發電企業的發電成本將顯著降低，使用低谷電力的電動汽車用電成本將降低至1/10，而且發電企業的運行壽命將增加10～50倍[4]。由于電動汽車發展的主要瓶頸在于電池的性能和價格，基于現今電池技術，通過V2G技術提供尖峰負荷不是很合算，因為提供尖峰負荷需要電池更深的放電和更頻繁的操作。V2G的潛在市場是為電力企業提供旋轉備用電力[13]，調壓調頻等輔助服務上[14]。以2006美國的汽油價格為依據，一輛10 kW的V2G汽車能為旋轉備用服務商每年能獲取$ 920到 $ 1 117的收益，在為PJM和ERCOT電力公司調頻調壓服務上獲取$ 2 497到$ 3 285的收益[15]。在美國，為了將電網頻率維持在最佳狀態60 Hz，電力公司通常會在1 d中不斷進行電力生產調整。這種調整幅度一般為每次1MW。因此，一旦社會保有的電動汽車電池容量總和達到1 MW，它們就具備了參與V2G項目的條件。以一輛電動汽車電池容量15kWh計算，67輛電動汽車同時充電就能達到調峰的最小單位。考慮到消費者的駕駛習慣不同，這67輛電動汽車不大可能同一時間停放，同時向電網輸電或從電網取電。特拉華大學V2G項目小組認為，如果有100輛電動汽車，基本上可實現同時有67輛向電網輸電或從電網取電的可能[16]。在儲能成本居高不下的狀況下，V2G模式更適合于電力輔助服務市場，如調頻、備用、可再生能源輸出功率平滑等。一方面，輔助服務的價格較高，如美國調頻服務價格每小時在30～45美元/MW之間，備用服務價格每小時在10美元/MW左右；另一方面，輔助服務更多的是功率需求，響應快、次數多但時間短，如美國PJM公司需要的調頻服務常常每天達幾百次之多，但每次不超過5分鐘。電池儲能系統響應速度快，響應速度在秒級以下，比燃氣發電廠的分鐘級響應速度快很多。而大量的電動汽車通過網絡調度集結起來，可滿足電網功率需求大但時間短的輔助服務需求[17]。

3.2 美國Nuvve公司與丹麥的共同研究

丹麥的風電資源豐富，到2015年丹麥風電比例已經占全國用電總量的42%。但風電等可再生能源電力供應的波動較大，大規模風電入網將嚴重影響電網的安全平穩運行。丹麥電動汽車發展速度也很快，到2015年電動汽車市場份額已達2.29%。為了解決風電的波動性問題，美國Nuvve公司（Willet Kempton教授任Nuvve技術總監）通過V2G技術與丹麥政府合作，力求讓電動汽車不僅成為環保先鋒，同時能為車主帶來更多經濟效益。Nuvve的V2G技術是一套完整的解決方案，主要由3部分組成：車輛智能鏈接系統（VSL）、電動汽車供電設備(EVSE)及集成器（Aggregator）。其中，VSL可實現車輛與Nuvve主服務器之間的通訊，主要負責測量從電網獲得的或反饋電網的電量，并且可讓車主通知Nuvve公司什么時候其電動汽車的電池可以反饋電網。EVSE則是一個可實現電流雙向流動的充電器。集成器則是一個服務和軟件系統。值得注意的是，Nuvve提供的電力調節服務僅令少量電能在電網和車輛電池之間流動，淺充淺放，不會對電池壽命產生影響。電動汽車可選擇兩種模式參與Nuvve公司的V2G項目：完全參與或單向參與。完全參與的前提是，汽車電池系統中的電流可雙向流動或安裝了AC Propulsion公司的電池系統（含雙向逆變器）。這樣一來，無需增加任何硬件就可以應用V2G技術。在多數情況下，只需一個簡單的軟件，便可以讓電動汽車的電池既能儲存電能，又能將電能輸送給電網。第一批試驗有30輛車，根據市場價格和車主的協議來看，個人電動車車主將會在汽車使用壽命結束時（估計為8年）獲得1萬美元的收益。賣給電網的V2G電力費用將會是零售電價的3倍。而那些本身不能將電能輸送給電網的電池，可以選擇單向參與，即臨時儲存超出電網容量的電能。采用單向參與模式車主的收益約為第一種模式車主的25～50%。

3.3 日本日產歐洲中心的研究

2016年日產已經在其位于英國克蘭菲爾德的日產歐洲技術中心（NTCE）安裝了8個車輛到電網（V2G）充電樁，V2G充電樁是日產與英國能源供應商Enel合作研發的產品。這種充電樁不僅能快速為電動汽車充電，還可以將多余的電力輸送回國家電網。日產還將在位于法國的新辦事處采用V2G技術為其供電。建成后，這也將成為全球最大的并網電動汽車系統。日產計劃在該辦事處安裝100個V2G（汽車到電網）充電樁，其合作伙伴意大利電力公司Enel負責提供充電樁。其工作原理就是利用日產電動汽車電池技術存儲電網中非高峰用電期的電力并在適當的時候（如高峰用電期間）再轉移至電網，通過減少高峰期間電網電力消耗降低成本。

3.4 尚可能存在的疑慮

當然，學術界也有一些同行對V2G技術的可行性表示不疑。Sovacool等人[18]認為電動汽車和V2G模式推廣的障礙不僅僅來自技術層面，更多的來自社會和文化價值，商業行為和 政治利益。Peterson等人[19]研究了V2G模式下電動汽車動力電池循環性能的衰減規律，認為V2G模式下采用1/2C倍率放電會加劇動力電池的衰減。Hill等人[20]擔心V2G輔助服務收益是否能覆蓋由其導致的電池壽命衰減損失。Hein等人[21]也認為大規模V2G應用的預期收益難以彌補其應用過程中的額外成本。Mullan等人[22]認為在西澳大利亞州，V2G模式需要太多的額外的基礎設施投資，面臨巨大的商業風險。這些研究結果從技術、經濟、商業甚至政治層面評估V2G模式的可行性，更有利于深層次考量V2G推廣應用中的一些具體問題，如不會大幅影響電池衰退性能的合適的V2G放電功率和放電深度，V2G的盈利模式與某一地區的電力來源和電價結構的關系等。

4 V2H/V2B模式研究狀況

4.1 V2H/V2B模式

關于電動車與電網互聯，除了電動車向電網供電模式（V2G）以外，還衍生出電動車向家庭（Vehicle to Home，V2H）或商業大樓（Vehicle to Building，V2B）供電等幾種模式。V2G側重于對電網中的電動汽車集群統一管理、統一調度，串連電網中所有電動車電池，通過儲能為電網削峰填谷，因此電能必須可在電網、充電設施與電動車三者間雙向流動，被認為是充電基礎設施的終極應用模式。V2H/V2B概念則是V2G的縮小版，是住宅或商業大樓與電動汽車之間可以進行電力雙向流動，電動車在非高峰（最好是低谷）時充電，在閑置時可做為儲能單元串聯家電與可再生能源，提供建筑物高峰用電需求或緊急備用電源。依據技術困難度、所需處理的信息復雜度及商業化可行性，由近到遠V2H、V2B與V2G可視為車網互聯未來發展的3階段。

4.2 日本日產公司的研究

為了充分利用太陽能和低谷電力，日本經濟產業省在橫濱市等4個地區開展了電動汽車V2H（Vehicle to Home）模式的實證試驗[23]。豐田、日產、三菱等汽車廠商紛紛參與了V2H項目。

4.3 日本豐田公司的研究

豐田認為插電式混合動力車（PHEV）將成為主流以及今后的家庭設置太陽能電池將變得更為普遍。為了不使來自太陽能電池的電力給電力系統帶來較大影響，家庭中將會設置蓄電池。豐田希望實現車載電池與家庭儲能電池實現通用化，通過電池的大規模量產來降低電池成本。豐田汽車和豐田住宅（Toyota Home）為此開發了具備蓄電功能的住宅能源管理系統（Home Energy Management System，HEMS）。HEMS的主要功能為能源使用狀況的顯示和空調及照明燈等家電的控制。通過豐田汽車和豐田住宅系統，可將廉價的夜間電力和家用太陽能發電裝置白天所發的剩余電力儲存在電動汽車電池中，供白天等電力不足時使用。從2010年4月起，大約10戶豐田住宅用戶采用普銳斯PHEV開展V2H驗證試驗。豐田將把普銳斯PHEV上配備的100 V交流充電器改造成“充放電器”，根據通訊指令電能可以在電動汽車、充電樁、家庭之間流動。由于日本災害事故多發，經常造成缺電現象，一輛充滿電和加滿油的普銳斯PHEV在缺電情況下，可以作為一臺發電機，為一個普通日本家庭提供4 d的電力供應。

4.4 日本三菱公司的研究

三菱的V2H項目由20 kW的光伏發電系統、可放電的5輛電動汽車、從電動汽車上回收的80kWh再利用蓄電池構成。5輛電動汽車每輛可各放電3 kW，5臺再利用蓄電池每臺可各放電3kW，太陽能電池板可發電20 kW，太陽能電池和蓄電池復合系統最大可供電50 kW。充分利用電動汽車和再利用蓄電池。由于最大限度地梯度利用了電池組，等于延長了電池組的使用壽命，從而提高了性價比，可降低儲能成本。該項目在三菱汽車名古屋制作所的工廠進行，通過儲能和太陽能發電，抑制電力變動幅度，力爭使180 kW的電力變動幅度削減33%，所供應的電力將通過能源管理系統進行控制。

日產生產了世界第一個V2H系統——“EV發電站”（尼吉康制造），至今銷售了約2000臺。這一套裝置最多可以從EV“聆風（Leaf）”的車載鋰電池中轉化出6 kW的電力供家庭使用。采用了尼吉康生產的電力轉化裝置（PCS）——“EV發電站。”這一裝置可以從日產汽車電池的快速充電接口中輸出直流電、在PCS內部會轉化為交流電為家庭輸出電力。支持V2H的Leaf不僅能在家中充電，還可使用電源線向家中供電。以V2H向家庭提供的電力設想與普通充電相同，為3 kW左右（200 V×15 A）。從行駛要求和電池壽命要求考慮，建議不從1輛車上交換太多的電力。如果通過特定的一輛汽車來反復存儲并輸出大功率電力的話，不僅會使電池加快劣化，而且在用戶再次使用車輛時也無法保證電動汽車的行駛距離。另外，日產公司還推出了一款名為”Vehicle-To-Building”（V2B）的能源系統解決方案。該系統可以利用日產聆風（LEAF）純電動汽車的電池與建筑用電相互協調達到節約用電的功能，一個V2B系統最多可以同時連接6輛日產聆風，6臺聆風電動汽車能夠在任何時候進行串聯供電。該系統在2013年7月份在日本厚木市進行了測試，其中參與測試的日產聆風車輛是日產公司員工的日常工作通勤班車。

通過V2H或V2B系統，電動汽車盡可能使用光伏電力或深夜低谷電力充電，在白天高峰時給家庭或建筑大樓供電，減輕電網高峰時段的供電壓力。如在夏季出現電力不足時，各個家庭、辦公室及企業通過V2H/V2B模式能夠將高峰用電量削減10～15%，將大大減輕電網的供電壓力，也延緩了發電廠的擴建和電網輸變電線路的升級改造。以家庭為例，如果將用電高峰時家庭的每小時用電量估計為2 kWh，其15%就是300 kWh。要想在用電6 h的過程中削減這一電量的話，只要用電動汽車供給1.8 kWh的電力即可。如果配置的是24 kWh的Leaf，只用了蓄電池容量的7.5%。如果配置的是18 kWh的榮威e50，只用了蓄電池容量的10%。這么小的供電功率和供電量對電動汽車電池的性能劣化影響甚微，但卻大大減輕電網的供電壓力。

5 結語

電動汽車作為未來能源互聯網的儲能終端，以V2G模式將多余電力反饋給電網，是解決能源利用問題的重要方式。除了V2G模式以外，還衍生出V2H、V2B等模式。依據技術困難度、所需處理的信息復雜度及商業化可行性， V2H、V2B與V2G可視為電動汽車與電網互聯模式由近及遠的三個階段。基于電力市場合適的電價結構，調頻輔助服務及可再生能源儲能是V2G模式可能可以商業應用的儲能場景。從行駛要求和電池壽命考慮，V2G應用時應控制較小的放電倍率和較淺的放電深度。

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Analysis on Development Situation of Foreign V2G Mode

Cao Guangyu1, Jin Yong1, Yu Jie1, Liao Qiangqiang2, Mu Miaomiao2, Zhang Youlang2, Zhou Peng2
1.Shanghai lnternational Automobile City (Group) Co.,Ltd 2.Shanghai Electrical Power University

The article introduces theory and application research results of V2G mode by foreign scholars in recent years. Intelligent and connected-net electrical vehicles are energy storage terminals for future energy internet, which feeds back excess power to the grid that is an important method to deal with energy utilization problem. Except V2G mode, there are V2H, V2B modes as derivatives. V2H/V2B concept is reduced edition of V2G mode, which is easier to be implemented technologically. Basedon electrical price structure that is suitable to electrical power market, frequency modulation ancillary service and renewable energy storage are available commercial energy storage scenarios application for V2G mode. As far as driving requirements and battery life-span concerned, V2G application focuses on smaller discharge rate and discharge depth.

Electrical Vehicles, V2G, Energy Storage, Frequency Modulation, Renewable Energy

國家國際科技合作專項項目（No: 2014DFA80490），教育部人文社會科學研究規劃基金項目 （No: 16YJAZH035），上海市自然科學基金（No:17ZR1411200），上海市聯盟計劃（No:LM201658）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.03.001