電動汽車車網互動關鍵技術總結及發展展望

摘 要：隨著新能源汽車的發展普及，大規模電動汽車的隨機充電行為會給電網負荷帶來更大的峰谷差波動，致使電能質量下降，運行穩定控制難度增加。車網互動技術，被認為是可有效解決上述問題的技術方案，實現對電網的削峰填谷輔助服務作用。本文從電動汽車車網互動基礎概念、車網互動系統主要組成、關鍵技術研究等方面，對電動汽車參與車網互動技術進行了系統介紹，并進一步對未來電動汽車車網互動重點研究方面進行了討論。

關鍵詞：電動汽車 車網互動 系統構成 關鍵技術

全球氣候與環境問題日益嚴峻，開展環境保護、減少碳排放成為人類共識。電動汽車作為節能減排的重要手段，其發展是必然選擇。但隨電動汽車大規模推廣，也催生出種種問題。電動汽車的電能需求，給電力電網系統帶來極大考驗。大量新能源電動汽車隨機接入電網充電將極大增加電網的負荷壓力，尤其是為提高充電速率而推廣高功率充電樁，可能導致更大負荷峰谷差，影響電網穩定性。此外，電動汽車充電的非線性負荷特性可能產生諧波污染，也會對電網設備造成干擾。

為了應對上述電網負荷穩定性問題及諧波干擾，車網互動（Vehicle-to-grid，V2G）技術應運而生，其核心概念就是利用大量電動汽車電池作為電網的靈活儲能單元，當電網負荷過高時，由車輛電池向電網饋電；而當電網負荷低時，電池則儲存電網過剩的發電量，從而實現對電網調節作用。此舉同時也可有效的應對目前電網電力系統中可再生能源系統的不連續性而引發的發電波動，平滑可再生能源的隨機波動，保證電網運行頻率穩定。為推動車網互動技術研究發展，本文針對車網互動基本概念、主要裝置設備及關鍵技術等方面的技術現狀進行總結，并對車網互動未來的主要技術研究方向進行總結展望。

1 車網互動基本概念

V2G技術以汽車動力電池作為儲能設備，與電網進行雙向能量和信息交互，不僅能夠提高電網的靈活性和穩定性，還可促進了可再生能源的消納，有助于實現能源結構的優化和碳中和目標。同時，對于電動汽車車主而言，參與V2G活動還能帶來一定的經濟收益。

V2G的技術構想最早可追溯到20世紀90年代，由美國落基山研究所的首席科學家Amory Lovins提出，并由特拉華大學的William Kempton教授進一步發展[1]。然而，由于當時技術和市場的限制，V2G技術并未立即得到廣泛應用。隨著電池技術的進步和電動汽車市場幾年爆發式增長，V2G技術落地有了很好的基礎。統計表明，一般家庭使用電動汽車或混合動力汽車，平均一天當中有超過20小時是處于停止狀態，在停車周期內即可考慮將車輛電池接入電網為其提供能量緩沖。

近年來，全球范圍內，包括美國、歐洲和中國在內的多個國家和地區都已開展V2G技術相關的示范項目和商業化嘗試。根據相關資料顯示，早在2014年，美國加利福尼亞州在洛杉磯空軍基地就開展了V2G示范項目，參與車輛包括日產聆風、福特F系列皮卡等車型。2016年丹麥實施了首個完全商業運行V2G項目“Parker”，通過該項目為電網提供頻率和電網控制等輔助服務。2020年意大利開展了目前全球最大的V2G試點項目，涉及700輛電動車的參與。

我國在V2G服務示范和市場推廣方面相對步伐稍落后，但在政府的大力支持下V2G示范試點項目在也持續增多。2020年7月在北京西城區建成國內第一個實現V2G商業化運營示范站，可實現電網負荷低谷時段車輛充電，高峰時段放電引導。2021年，長城汽車工業園區V2G應用示范項目投運，充放電場站共設50個V2G充電樁，參與試點的車輛可通過手機APP便捷的完成電力系統交易。還有報道截止目前國家電網在全國10余個省市建設有V2G示范點，包括V2G場站超400多座、V2G樁2000余個，通過試點深入探究V2G參與一般工商業削峰填谷、配網互動等多場景應用[2]。

2 車網互動關鍵設備

電動汽車要實現V2G，需要電動汽車在與電網互動過程中實時進行信息交互，了解彼此狀態，同時還要對大量接入電網的電動汽車的充放電策略進行協同管理，實現對電網負荷“削峰填谷”。V2G應用實現需要電動汽車電池、電池管理系統、雙向充電放電裝置、電動汽車調度充放電協同控制管理中心等多個部分協同工作，以支撐車輛與電網之間的靈活互動。

2.1 電動汽車電池及管理系統

電池汽車動力電池是車輛最核心的儲能裝置，通過驅動電機實現車輛的運行控制。電池管理系統是動力電池的重要組件，其主要作用是通過實時采集車輛運行過程中的各類電池參數，對電池的狀態進行分析監控，并據此實現對電池充放電過程的準確、合理控制。同時還要對電池安全狀態進行識別，及時準確的診斷電池故障問題，并采取相應措施，避免電池出現安全問題。通過狀態監測、安全診斷及控制，實現延長動力電池壽命、提高運行效率的目的。在車輛參與V2G過程實現時，動力電池本體作為電網的靈活的儲能資源，支撐能量在電池和電網間雙向流動。電池管理系統則負責與電網、雙向充放電裝置間進行信息雙向交互，根據協同調度指令對電池充放電過程進行控制。

2.2 雙向充放電裝置

雙向充放電裝置是實現V2G過程的基礎，其作用就是支持能量在電動汽車電池與電網間雙向流動。裝置的主要部件就是雙向變流器，雙向變流器通常由雙向AC/DC變流器和雙向DC/DC變流器組成，電網中交流電通過濾波電路處理后，經雙向AC/DC變流器濾波后得到直流電，再通過DC/DC變流器進行電流控制轉換，得到動力電池所需直流電，實現電動汽車的充電。在進行電動汽車放電時，則通過相反過程，將直流電轉為交流電轉回給電網。與傳統的車輛充電裝置類似，雙向充電裝置也可以有兩種形式，集成到電動汽車中或獨立的固定式裝置。同樣電動汽車集成的充電裝置功率會受到限制，而通常的固定值充放電裝置的輸入輸出功率一般都要在20kW以上。雙向充放電裝置根據工作需要，可以在單向充電和雙向互動兩種工作模式間進行工作。

2.3 協同控制管理中心

協同控制管理中心可以認為是集成車輛調度管理、車輛狀態監測、充放電裝置管理、電網側管理及監控、電動汽車充放電策略決策控制等部分或全部功能在內的信息交互及協同管理平臺，其主要作用就是負責控制區域內的全部電動汽車與電網互動的最優策略制定及總體過程控制管理。根據能量管理方式不同，目前V2G技術中車輛與電網連接互動包括三種方式，分散接入控制模式、集中接入是控制模式以及分層接入控制模型。分散式接入即電動汽車根據自身需求隨機的接入電網，根據實時的電池狀態進行獨立的充放電互動，隨著電動汽車規模的擴大，分散式控制效果因為用戶行為和電池狀態的影響而逐漸降低，最終難以保證效果整體最優。集中式模式是將某區域內所有電動汽車視為一個整體，根據區域內電網情況及車輛分布情況及電池狀態情況進行統一的充放電控制調度。分層模式則介于分散式和集中式之間，設置中間集合層，在各集合內部進行靈活管理并同時實現集合整體的電網中斷或接入。根據上述三種車網互動接入方式，協同控制管理平臺也可以進行相應調整部署，實現對車網互動過程的控制管理。

3 車網互動過程主要技術方法

車網互動V2G技術的終極目標是建立起一個高度協同、智能且可持續的能源生態系統，電動汽車在其中不再僅僅作為出行工具，更成為智能電網的分布式儲能單元，實現能量的雙向流動，助力電網供需平衡，促進可再生能源消納，提升能源利用效率。基于此國內外學者都投入了大量心血開展相關研究工作，在電動汽車充電負荷預測、最優充放電策略制定、車輛協同調度、關鍵部件開發及控制策略、市場激勵引導等多方面都取得了實質性的進展。

要實現一定區域范圍內電動汽車車網互動，需要掌握區域內充電設備信息，分析車輛電池的狀態及時空分布情況，為車輛協同調度、充放電策略制定提供基礎數據。同時考慮有參與車網互動意愿車輛當前不在充電場所內的情況，需要結合車輛出行使用情況、道路交通信息等進一步分析優化車輛響應調度策略。目前研究主要集中在充放電mUwPQ4JO5hD+2CFKqgHT8Q==負荷預測研究，基于時間、空間維度結合車主用車習慣、道路交通、地理環境因素和充電設施等多種因素考量，采用模擬分析和數據驅動分析方法實現充放電負荷特性識別分析。李奕杰等[3]在綜合動態交通信息、環境溫度、實時車流量、排隊論等因素基礎上，建立一種城市交通系統OD流量預測的新型深度學習架構，可支持進行區域范圍內的車輛充電負荷時空分布預測。邱元森等[4]在研究電動汽車出行行為概率特征基礎上，建立充電需求仿真框架，通過蒙特卡洛方法模擬車輛出行和充電過程，得到了比較理想的充放電需求估計結果。在完成區域內電動汽車充放電負荷需求分析之后，即可進一步結合電網側狀態進行電動汽車調度及充放電策略制定。

在V2G車網互動過程中，車網協同調度管理及車輛bv8frytIxMvpPakaAFSSyg==電池層級的充放電策略的制定的目的是結合當前時段電網特性以及電動車輛時空分布、充電需求的情況，計算各充放電裝置、電動汽車的充放電功率要求，實現削峰填谷降低電網負荷波動，輔助電網頻率調節，達到優化區域內電網供電情況的目的。目前針對電動汽車V2G充放電策略優化的研究開展的比較廣泛，主要內容就是結合車輛側可用充放電負荷與電網側供電情況，基于特定的優化目標及約束條件對電動車輛的入網狀態及充放電策略進行調整。董龍昌等[5]分別以電網側負荷曲線均方差最小、以電動汽車用戶側參與V2G獲得的經濟收益最大化，結合電動汽車實際的狀態及負荷約束條件采用粒子群優化算法進行了車輛動力電池V2G過程的充放電控制策略優化，仿真驗證了其優化效果。包寧寧等[6]以分時電價為前提，建立以高、低電價時段負荷曲線波動最小及充電費用最低為目標的多目標函數優化模型，對各個階段接入電網的電動汽車集群充放電策略進行優化。

在完成電動汽車調度及充放電策略制定之后，即可逐層或直接下發充放電計劃到服務運營商或充放電設施，區域內各參與調節的充電樁根據策略與電動車輛進行電能交互。在這個過程中，為了保證交互過程的穩定以及盡可能的提高效率，還需要做好雙向充放電裝置的變流器實時控制，合適的電路拓撲以及合理的控制策略是實現V2G的重要支撐。當前針對雙向變流器的研究主要圍繞以電路拓撲結構設計優化和以提高系統效率為目標的變流器控制策略開發兩個方面展開。李宏玉等[7]提出了一種改進的無無功環流的雙向隔離型DC/DC變換器的電路拓撲，在電路中增加CLLC諧振電路環節，用以提高電壓電流動態響應速率及穩定電壓波形。周靜雯等[8]設計了一種基于脈寬調制型整流器和雙向DC-DC變換器的拓撲結構，并同時提出了一種充電和放電時分別采用電壓電流雙閉環控制以及有限集模型預測電流控制的策略，可實現較好的抑制網側電流諧波和降低諧波畸變率的效果。

電動汽車在參與V2G服務之后，在為電網側提供電能緩沖的輔助服務外，電動汽車車主也能夠獲得一定的收入補償，但這之外還有一個不可忽略的問題就是參與V2G服務的車載動力電池會產生額外的使用損耗，其壽命會受到一定程度的影響，進而阻礙車網互動服務的推廣應用。為此也有學者針對V2G過程對車載動力電池壽命衰減的影響進行研究，并同時提出可以改善車網互動過程電池老化的控制策略。羅國慶等[9]在設計V2G調頻優化策略時，結合電池機理老化模型，建立以降低電池衰減老化的目標優化模型，基于模型預測控制方法開發了一種全新的優化控制器，在實現電動汽車充放電功率實時的高效控制的同時也能夠較大程度的抑制電池老化，降低電池衰減速率。陳麗娟等[10]基于電池損耗影響因素分析結合工程經濟原理構建電池損耗模型，以包括電池損耗成本在內運營成本最小為上層優化目標聯合下層配電網負荷峰谷差最下目標，完成車網互動調度策略在多時間尺度上的雙層優化。

4 總結與展望

本文首先對電動汽車車網互動的基礎概念做了介紹，并梳理了車網互動過程實現涉及主要需求組成部分及各部分的主要功能定義。重點從電動汽車充放電負荷需求分布研究預測、車網互動車輛充放電協同調度策略、雙向變流器拓撲設計及優化控制研究等方面對V2G車網互動過程的關鍵技術及發展情況進行了總結。未來隨著V2G技術的不斷發展及電動汽車參與車網互動的普及推廣，還需在以下方面深入研究：

充分利用大數據技術對電動汽車充放電負荷時空分布規律進行挖掘，持續拓寬數據來源打破行業間的數據共享壁壘，把車企、充電運行商、電網側企業數據充分融合，深入分析電動車輛負荷的時空分布特性以揭示其內在規律和影響因素，以實現更準確的電動汽車可調度容量預測分析。

電動車輛車網互動充放電及調度策略制定，要充分考慮各維度影響因素，兼顧各參與主體的利益，建立多目標多層級的調度控制策略。并基于此建立相應的車網互動市場激勵機制和市場模式，促進車網互動市場的持續發展與推廣。

推動融合車輛、電網、運營商在內多元信息互聯互動平臺的建設研究，做好大規律數據接入處理能力開發，保證多主體間網絡信息安全及信息的交互開發，為車網互動提供服務落地載體。

基金項目：規模化電動汽車與電網互動關鍵技術研究與示范應用（二期）（項目編號：090000KK52222138）。

參考文獻：

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