国外V2G模式的发展现状分析

曹光宇 金 勇 喻 杰廖强强 穆苗苗 张友琅 周 鹏

1. 上海国际汽车城（集团）有限公司2. 上海电力学院

国外V2G模式的发展现状分析

曹光宇1金 勇1喻 杰1廖强强2穆苗苗2张友琅2周 鹏2

1. 上海国际汽车城（集团）有限公司2. 上海电力学院

综述了近年来国外研究学者在V2G模式的理论与应用方面的研究成果。智能化、网联化的电动汽车作为未来能源互联网的储能终端，以V2G模式将多余电力反馈给电网，是解决能源利用问题的重要方式。除了V2G模式以外，还衍生出V2H、V2B等模式。V2H/V2B概念是V2G模式的缩小版，从技术上更容易实现。基于电力市场合适的电价结构，调频辅助服务及可再生能源储能是V2G模式可能可以商业应用的储能场景。从行驶要求和电池寿命考虑，V2G应用时应控制较小的放电倍率和较浅的放电深度。

电动汽车；V2G；储能；调频；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）

中国汽车工程学会在2016汽车工程学会年会暨展览会上发布了《节能与新能源汽车技术路线图》，预示着新能源汽车逐渐成为主流产品，汽车产业初步实现电动化转型的发展目标又向前迈出了坚实的一步。2016年我国新能源汽车产销超过了50万辆，连续两年位居全球第一位。按每辆车电池平均容量为20 kWh计算，50万辆新能源汽车的电池容量就达到10 000 MWh，这对于电网来讲也是不小的储能容量。如果所有电动汽车都有V2G功能（V2G这个词最早是由一家来自美国的电动汽车动力系统公司（AC Propulsion Inc.）将词组vehicle-to-grid（车网互联）缩写而来的，以下简称V2G），可以实现电动汽车与电网之间的电能双向流动，那电动汽车就不仅仅是绿色交通工具，更是能源互联网的储能终端。因此，随着电动汽车的普及和V2G功能推广，电动汽车作为一种潜在的广泛的分布式储能系统，是解决能源利用问题的重要方式。

1 V2G模式的内涵

V2G模式描述的是这样一个系统：电动汽车既可以从电网充电，也可以将电动汽车的电能输送回电网（图1）。通过V2G模式，当用电负荷过高时，由电动汽车向电网馈电；而当用电负荷低时，将电网过剩的电力存储在电动汽车里，通过这种削峰填谷模式，电动汽车用户可以在电价低时（低谷）从电网购电；电价高时（高峰）向电网售电，从而获得一定的收益。这不仅有利于发电、供电企业的高效平稳运行，更给电动汽车产业的蓬勃发展带来了新的思路：电动汽车不仅是绿色交通工具，更是能源互联网的分布式储能系统。

图1 V2G模式示意图

2 V2G模式的储能作用

（1）电动汽车在晚上电力需求小，电价低时从电网充电，白天电力需求大，电价高时将电反馈给电网，起到削峰填谷、平衡电网的作用[1,2]。

（2）改善电能质量，通过电动汽车储能优化供电品质如负载跟踪，频率、电压和功率因子管理或修正[3]。

（3）对间歇性的可再生能源接入电网起到缓冲作用。如遇到大风时将过量的风电储存在电动汽车里，在负载高峰时再反馈给电网，从而对间歇性的风能起到稳定的作用[4,5]。

（4）电动汽车可以作为分布式储能系统，在突然停电状态下提供备用电力[6-8]。

3 V2G模式研究状况

3.1 美国德拉华大学的研究

美国德拉华大学的Willett Kempton教授在V2G项目上开展了系统的研究，他们希望通过V2G模式使人们从环境和经济两方面都受益，从而提高电动汽车的市场占有率。电动汽车用户通过夜间低谷充电，白天高峰放电，不但利用电价峰谷价差省钱甚至赚钱，同时改善了电网的稳定性[9]。Kempton研究小组比较了基础负荷电力（Baseload power）、高峰负荷电力（Peak power）、旋转备用电力（Spinning reserves）与V2G电力的技术经济性，发现V2G电力的成本低于尖峰负荷电力和旋转备用电力[10]，这意味着解决高峰负荷问题或机组临时跳闸问题有了新的思路，即采用V2G模式比建调峰电厂或调峰机组更经济。美国AES电力公司就尝试用装有48块高能锂离子电池模块的大型货车与传统电厂争夺电网调峰的市场份额[11]。根据美国电力研究院的数据，超过40%的美国发电厂在夜晚是降负荷运行，这将增加发电厂的单位发电煤耗和单位发电成本。而大多数电动汽车是可以在这低谷时段通过充电来消纳火电厂多发的电量的，既解决了火电厂低谷时段降负荷运行问题，也解决了电动汽车大规模推广所需的大量电力来源问题。有研究表明如果到2050年插电式混合动力汽车（PHEV）能够取代一半路上行驶的汽车，只需增加8%的发电量[12]。因此，V2G模式大规模推广后，发电企业的发电成本将显著降低，使用低谷电力的电动汽车用电成本将降低至1/10，而且发电企业的运行寿命将增加10～50倍[4]。由于电动汽车发展的主要瓶颈在于电池的性能和价格，基于现今电池技术，通过V2G技术提供尖峰负荷不是很合算，因为提供尖峰负荷需要电池更深的放电和更频繁的操作。V2G的潜在市场是为电力企业提供旋转备用电力[13]，调压调频等辅助服务上[14]。以2006美国的汽油价格为依据，一辆10 kW的V2G汽车能为旋转备用服务商每年能获取$ 920到 $ 1 117的收益，在为PJM和ERCOT电力公司调频调压服务上获取$ 2 497到$ 3 285的收益[15]。在美国，为了将电网频率维持在最佳状态60 Hz，电力公司通常会在1 d中不断进行电力生产调整。这种调整幅度一般为每次1MW。因此，一旦社会保有的电动汽车电池容量总和达到1 MW，它们就具备了参与V2G项目的条件。以一辆电动汽车电池容量15kWh计算，67辆电动汽车同时充电就能达到调峰的最小单位。考虑到消费者的驾驶习惯不同，这67辆电动汽车不大可能同一时间停放，同时向电网输电或从电网取电。特拉华大学V2G项目小组认为，如果有100辆电动汽车，基本上可实现同时有67辆向电网输电或从电网取电的可能[16]。在储能成本居高不下的状况下，V2G模式更适合于电力辅助服务市场，如调频、备用、可再生能源输出功率平滑等。一方面，辅助服务的价格较高，如美国调频服务价格每小时在30～45美元/MW之间，备用服务价格每小时在10美元/MW左右；另一方面，辅助服务更多的是功率需求，响应快、次数多但时间短，如美国PJM公司需要的调频服务常常每天达几百次之多，但每次不超过5分钟。电池储能系统响应速度快，响应速度在秒级以下，比燃气发电厂的分钟级响应速度快很多。而大量的电动汽车通过网络调度集结起来，可满足电网功率需求大但时间短的辅助服务需求[17]。

3.2 美国Nuvve公司与丹麦的共同研究

丹麦的风电资源丰富，到2015年丹麦风电比例已经占全国用电总量的42%。但风电等可再生能源电力供应的波动较大，大规模风电入网将严重影响电网的安全平稳运行。丹麦电动汽车发展速度也很快，到2015年电动汽车市场份额已达2.29%。为了解决风电的波动性问题，美国Nuvve公司（Willet Kempton教授任Nuvve技术总监）通过V2G技术与丹麦政府合作，力求让电动汽车不仅成为环保先锋，同时能为车主带来更多经济效益。Nuvve的V2G技术是一套完整的解决方案，主要由3部分组成：车辆智能链接系统（VSL）、电动汽车供电设备(EVSE)及集成器（Aggregator）。其中，VSL可实现车辆与Nuvve主服务器之间的通讯，主要负责测量从电网获得的或反馈电网的电量，并且可让车主通知Nuvve公司什么时候其电动汽车的电池可以反馈电网。EVSE则是一个可实现电流双向流动的充电器。集成器则是一个服务和软件系统。值得注意的是，Nuvve提供的电力调节服务仅令少量电能在电网和车辆电池之间流动，浅充浅放，不会对电池寿命产生影响。电动汽车可选择两种模式参与Nuvve公司的V2G项目：完全参与或单向参与。完全参与的前提是，汽车电池系统中的电流可双向流动或安装了AC Propulsion公司的电池系统（含双向逆变器）。这样一来，无需增加任何硬件就可以应用V2G技术。在多数情况下，只需一个简单的软件，便可以让电动汽车的电池既能储存电能，又能将电能输送给电网。第一批试验有30辆车，根据市场价格和车主的协议来看，个人电动车车主将会在汽车使用寿命结束时（估计为8年）获得1万美元的收益。卖给电网的V2G电力费用将会是零售电价的3倍。而那些本身不能将电能输送给电网的电池，可以选择单向参与，即临时储存超出电网容量的电能。采用单向参与模式车主的收益约为第一种模式车主的25～50%。

3.3 日本日产欧洲中心的研究

2016年日产已经在其位于英国克兰菲尔德的日产欧洲技术中心（NTCE）安装了8个车辆到电网（V2G）充电桩，V2G充电桩是日产与英国能源供应商Enel合作研发的产品。这种充电桩不仅能快速为电动汽车充电，还可以将多余的电力输送回国家电网。日产还将在位于法国的新办事处采用V2G技术为其供电。建成后，这也将成为全球最大的并网电动汽车系统。日产计划在该办事处安装100个V2G（汽车到电网）充电桩，其合作伙伴意大利电力公司Enel负责提供充电桩。其工作原理就是利用日产电动汽车电池技术存储电网中非高峰用电期的电力并在适当的时候（如高峰用电期间）再转移至电网，通过减少高峰期间电网电力消耗降低成本。

3.4 尚可能存在的疑虑

当然，学术界也有一些同行对V2G技术的可行性表示不疑。Sovacool等人[18]认为电动汽车和V2G模式推广的障碍不仅仅来自技术层面，更多的来自社会和文化价值，商业行为和 政治利益。Peterson等人[19]研究了V2G模式下电动汽车动力电池循环性能的衰减规律，认为V2G模式下采用1/2C倍率放电会加剧动力电池的衰减。Hill等人[20]担心V2G辅助服务收益是否能覆盖由其导致的电池寿命衰减损失。Hein等人[21]也认为大规模V2G应用的预期收益难以弥补其应用过程中的额外成本。Mullan等人[22]认为在西澳大利亚州，V2G模式需要太多的额外的基础设施投资，面临巨大的商业风险。这些研究结果从技术、经济、商业甚至政治层面评估V2G模式的可行性，更有利于深层次考量V2G推广应用中的一些具体问题，如不会大幅影响电池衰退性能的合适的V2G放电功率和放电深度，V2G的盈利模式与某一地区的电力来源和电价结构的关系等。

4 V2H/V2B模式研究状况

4.1 V2H/V2B模式

关于电动车与电网互联，除了电动车向电网供电模式（V2G）以外，还衍生出电动车向家庭（Vehicle to Home，V2H）或商业大楼（Vehicle to Building，V2B）供电等几种模式。V2G侧重于对电网中的电动汽车集群统一管理、统一调度，串连电网中所有电动车电池，通过储能为电网削峰填谷，因此电能必须可在电网、充电设施与电动车三者间双向流动，被认为是充电基础设施的终极应用模式。V2H/V2B概念则是V2G的缩小版，是住宅或商业大楼与电动汽车之间可以进行电力双向流动，电动车在非高峰（最好是低谷）时充电，在闲置时可做为储能单元串联家电与可再生能源，提供建筑物高峰用电需求或紧急备用电源。依据技术困难度、所需处理的信息复杂度及商业化可行性，由近到远V2H、V2B与V2G可视为车网互联未来发展的3阶段。

4.2 日本日产公司的研究

为了充分利用太阳能和低谷电力，日本经济产业省在横滨市等4个地区开展了电动汽车V2H（Vehicle to Home）模式的实证试验[23]。丰田、日产、三菱等汽车厂商纷纷参与了V2H项目。

4.3 日本丰田公司的研究

丰田认为插电式混合动力车（PHEV）将成为主流以及今后的家庭设置太阳能电池将变得更为普遍。为了不使来自太阳能电池的电力给电力系统带来较大影响，家庭中将会设置蓄电池。丰田希望实现车载电池与家庭储能电池实现通用化，通过电池的大规模量产来降低电池成本。丰田汽车和丰田住宅（Toyota Home）为此开发了具备蓄电功能的住宅能源管理系统（Home Energy Management System，HEMS）。HEMS的主要功能为能源使用状况的显示和空调及照明灯等家电的控制。通过丰田汽车和丰田住宅系统，可将廉价的夜间电力和家用太阳能发电装置白天所发的剩余电力储存在电动汽车电池中，供白天等电力不足时使用。从2010年4月起，大约10户丰田住宅用户采用普锐斯PHEV开展V2H验证试验。丰田将把普锐斯PHEV上配备的100 V交流充电器改造成“充放电器”，根据通讯指令电能可以在电动汽车、充电桩、家庭之间流动。由于日本灾害事故多发，经常造成缺电现象，一辆充满电和加满油的普锐斯PHEV在缺电情况下，可以作为一台发电机，为一个普通日本家庭提供4 d的电力供应。

4.4 日本三菱公司的研究

三菱的V2H项目由20 kW的光伏发电系统、可放电的5辆电动汽车、从电动汽车上回收的80kWh再利用蓄电池构成。5辆电动汽车每辆可各放电3 kW，5台再利用蓄电池每台可各放电3kW，太阳能电池板可发电20 kW，太阳能电池和蓄电池复合系统最大可供电50 kW。充分利用电动汽车和再利用蓄电池。由于最大限度地梯度利用了电池组，等于延长了电池组的使用寿命，从而提高了性价比，可降低储能成本。该项目在三菱汽车名古屋制作所的工厂进行，通过储能和太阳能发电，抑制电力变动幅度，力争使180 kW的电力变动幅度削减33%，所供应的电力将通过能源管理系统进行控制。

日产生产了世界第一个V2H系统——“EV发电站”（尼吉康制造），至今销售了约2000台。这一套装置最多可以从EV“聆风（Leaf）”的车载锂电池中转化出6 kW的电力供家庭使用。采用了尼吉康生产的电力转化装置（PCS）——“EV发电站。”这一装置可以从日产汽车电池的快速充电接口中输出直流电、在PCS内部会转化为交流电为家庭输出电力。支持V2H的Leaf不仅能在家中充电，还可使用电源线向家中供电。以V2H向家庭提供的电力设想与普通充电相同，为3 kW左右（200 V×15 A）。从行驶要求和电池寿命要求考虑，建议不从1辆车上交换太多的电力。如果通过特定的一辆汽车来反复存储并输出大功率电力的话，不仅会使电池加快劣化，而且在用户再次使用车辆时也无法保证电动汽车的行驶距离。另外，日产公司还推出了一款名为”Vehicle-To-Building”（V2B）的能源系统解决方案。该系统可以利用日产聆风（LEAF）纯电动汽车的电池与建筑用电相互协调达到节约用电的功能，一个V2B系统最多可以同时连接6辆日产聆风，6台聆风电动汽车能够在任何时候进行串联供电。该系统在2013年7月份在日本厚木市进行了测试，其中参与测试的日产聆风车辆是日产公司员工的日常工作通勤班车。

通过V2H或V2B系统，电动汽车尽可能使用光伏电力或深夜低谷电力充电，在白天高峰时给家庭或建筑大楼供电，减轻电网高峰时段的供电压力。如在夏季出现电力不足时，各个家庭、办公室及企业通过V2H/V2B模式能够将高峰用电量削减10～15%，将大大减轻电网的供电压力，也延缓了发电厂的扩建和电网输变电线路的升级改造。以家庭为例，如果将用电高峰时家庭的每小时用电量估计为2 kWh，其15%就是300 kWh。要想在用电6 h的过程中削减这一电量的话，只要用电动汽车供给1.8 kWh的电力即可。如果配置的是24 kWh的Leaf，只用了蓄电池容量的7.5%。如果配置的是18 kWh的荣威e50，只用了蓄电池容量的10%。这么小的供电功率和供电量对电动汽车电池的性能劣化影响甚微，但却大大减轻电网的供电压力。

5 结语

电动汽车作为未来能源互联网的储能终端，以V2G模式将多余电力反馈给电网，是解决能源利用问题的重要方式。除了V2G模式以外，还衍生出V2H、V2B等模式。依据技术困难度、所需处理的信息复杂度及商业化可行性， V2H、V2B与V2G可视为电动汽车与电网互联模式由近及远的三个阶段。基于电力市场合适的电价结构，调频辅助服务及可再生能源储能是V2G模式可能可以商业应用的储能场景。从行驶要求和电池寿命考虑，V2G应用时应控制较小的放电倍率和较浅的放电深度。

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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

国家国际科技合作专项项目（No: 2014DFA80490），教育部人文社会科学研究规划基金项目 （No: 16YJAZH035），上海市自然科学基金（No:17ZR1411200），上海市联盟计划（No:LM201658）

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