电动汽车车网互动关键技术总结及发展展望

摘 要：随着新能源汽车的发展普及，大规模电动汽车的随机充电行为会给电网负荷带来更大的峰谷差波动，致使电能质量下降，运行稳定控制难度增加。车网互动技术，被认为是可有效解决上述问题的技术方案，实现对电网的削峰填谷辅助服务作用。本文从电动汽车车网互动基础概念、车网互动系统主要组成、关键技术研究等方面，对电动汽车参与车网互动技术进行了系统介绍，并进一步对未来电动汽车车网互动重点研究方面进行了讨论。

关键词：电动汽车 车网互动 系统构成 关键技术

全球气候与环境问题日益严峻，开展环境保护、减少碳排放成为人类共识。电动汽车作为节能减排的重要手段，其发展是必然选择。但随电动汽车大规模推广，也催生出种种问题。电动汽车的电能需求，给电力电网系统带来极大考验。大量新能源电动汽车随机接入电网充电将极大增加电网的负荷压力，尤其是为提高充电速率而推广高功率充电桩，可能导致更大负荷峰谷差，影响电网稳定性。此外，电动汽车充电的非线性负荷特性可能产生谐波污染，也会对电网设备造成干扰。

为了应对上述电网负荷稳定性问题及谐波干扰，车网互动（Vehicle-to-grid，V2G）技术应运而生，其核心概念就是利用大量电动汽车电池作为电网的灵活储能单元，当电网负荷过高时，由车辆电池向电网馈电；而当电网负荷低时，电池则储存电网过剩的发电量，从而实现对电网调节作用。此举同时也可有效的应对目前电网电力系统中可再生能源系统的不连续性而引发的发电波动，平滑可再生能源的随机波动，保证电网运行频率稳定。为推动车网互动技术研究发展，本文针对车网互动基本概念、主要装置设备及关键技术等方面的技术现状进行总结，并对车网互动未来的主要技术研究方向进行总结展望。

1 车网互动基本概念

V2G技术以汽车动力电池作为储能设备，与电网进行双向能量和信息交互，不仅能够提高电网的灵活性和稳定性，还可促进了可再生能源的消纳，有助于实现能源结构的优化和碳中和目标。同时，对于电动汽车车主而言，参与V2G活动还能带来一定的经济收益。

V2G的技术构想最早可追溯到20世纪90年代，由美国落基山研究所的首席科学家Amory Lovins提出，并由特拉华大学的William Kempton教授进一步发展[1]。然而，由于当时技术和市场的限制，V2G技术并未立即得到广泛应用。随着电池技术的进步和电动汽车市场几年爆发式增长，V2G技术落地有了很好的基础。统计表明，一般家庭使用电动汽车或混合动力汽车，平均一天当中有超过20小时是处于停止状态，在停车周期内即可考虑将车辆电池接入电网为其提供能量缓冲。

近年来，全球范围内，包括美国、欧洲和中国在内的多个国家和地区都已开展V2G技术相关的示范项目和商业化尝试。根据相关资料显示，早在2014年，美国加利福尼亚州在洛杉矶空军基地就开展了V2G示范项目，参与车辆包括日产聆风、福特F系列皮卡等车型。2016年丹麦实施了首个完全商业运行V2G项目“Parker”，通过该项目为电网提供频率和电网控制等辅助服务。2020年意大利开展了目前全球最大的V2G试点项目，涉及700辆电动车的参与。

我国在V2G服务示范和市场推广方面相对步伐稍落后，但在政府的大力支持下V2G示范试点项目在也持续增多。2020年7月在北京西城区建成国内第一个实现V2G商业化运营示范站，可实现电网负荷低谷时段车辆充电，高峰时段放电引导。2021年，长城汽车工业园区V2G应用示范项目投运，充放电场站共设50个V2G充电桩，参与试点的车辆可通过手机APP便捷的完成电力系统交易。还有报道截止目前国家电网在全国10余个省市建设有V2G示范点，包括V2G场站超400多座、V2G桩2000余个，通过试点深入探究V2G参与一般工商业削峰填谷、配网互动等多场景应用[2]。

2 车网互动关键设备

电动汽车要实现V2G，需要电动汽车在与电网互动过程中实时进行信息交互，了解彼此状态，同时还要对大量接入电网的电动汽车的充放电策略进行协同管理，实现对电网负荷“削峰填谷”。V2G应用实现需要电动汽车电池、电池管理系统、双向充电放电装置、电动汽车调度充放电协同控制管理中心等多个部分协同工作，以支撑车辆与电网之间的灵活互动。

2.1 电动汽车电池及管理系统

电池汽车动力电池是车辆最核心的储能装置，通过驱动电机实现车辆的运行控制。电池管理系统是动力电池的重要组件，其主要作用是通过实时采集车辆运行过程中的各类电池参数，对电池的状态进行分析监控，并据此实现对电池充放电过程的准确、合理控制。同时还要对电池安全状态进行识别，及时准确的诊断电池故障问题，并采取相应措施，避免电池出现安全问题。通过状态监测、安全诊断及控制，实现延长动力电池寿命、提高运行效率的目的。在车辆参与V2G过程实现时，动力电池本体作为电网的灵活的储能资源，支撑能量在电池和电网间双向流动。电池管理系统则负责与电网、双向充放电装置间进行信息双向交互，根据协同调度指令对电池充放电过程进行控制。

2.2 双向充放电装置

双向充放电装置是实现V2G过程的基础，其作用就是支持能量在电动汽车电池与电网间双向流动。装置的主要部件就是双向变流器，双向变流器通常由双向AC/DC变流器和双向DC/DC变流器组成，电网中交流电通过滤波电路处理后，经双向AC/DC变流器滤波后得到直流电，再通过DC/DC变流器进行电流控制转换，得到动力电池所需直流电，实现电动汽车的充电。在进行电动汽车放电时，则通过相反过程，将直流电转为交流电转回给电网。与传统的车辆充电装置类似，双向充电装置也可以有两种形式，集成到电动汽车中或独立的固定式装置。同样电动汽车集成的充电装置功率会受到限制，而通常的固定值充放电装置的输入输出功率一般都要在20kW以上。双向充放电装置根据工作需要，可以在单向充电和双向互动两种工作模式间进行工作。

2.3 协同控制管理中心

协同控制管理中心可以认为是集成车辆调度管理、车辆状态监测、充放电装置管理、电网侧管理及监控、电动汽车充放电策略决策控制等部分或全部功能在内的信息交互及协同管理平台，其主要作用就是负责控制区域内的全部电动汽车与电网互动的最优策略制定及总体过程控制管理。根据能量管理方式不同，目前V2G技术中车辆与电网连接互动包括三种方式，分散接入控制模式、集中接入是控制模式以及分层接入控制模型。分散式接入即电动汽车根据自身需求随机的接入电网，根据实时的电池状态进行独立的充放电互动，随着电动汽车规模的扩大，分散式控制效果因为用户行为和电池状态的影响而逐渐降低，最终难以保证效果整体最优。集中式模式是将某区域内所有电动汽车视为一个整体，根据区域内电网情况及车辆分布情况及电池状态情况进行统一的充放电控制调度。分层模式则介于分散式和集中式之间，设置中间集合层，在各集合内部进行灵活管理并同时实现集合整体的电网中断或接入。根据上述三种车网互动接入方式，协同控制管理平台也可以进行相应调整部署，实现对车网互动过程的控制管理。

3 车网互动过程主要技术方法

车网互动V2G技术的终极目标是建立起一个高度协同、智能且可持续的能源生态系统，电动汽车在其中不再仅仅作为出行工具，更成为智能电网的分布式储能单元，实现能量的双向流动，助力电网供需平衡，促进可再生能源消纳，提升能源利用效率。基于此国内外学者都投入了大量心血开展相关研究工作，在电动汽车充电负荷预测、最优充放电策略制定、车辆协同调度、关键部件开发及控制策略、市场激励引导等多方面都取得了实质性的进展。

要实现一定区域范围内电动汽车车网互动，需要掌握区域内充电设备信息，分析车辆电池的状态及时空分布情况，为车辆协同调度、充放电策略制定提供基础数据。同时考虑有参与车网互动意愿车辆当前不在充电场所内的情况，需要结合车辆出行使用情况、道路交通信息等进一步分析优化车辆响应调度策略。目前研究主要集中在充放电mUwPQ4JO5hD+2CFKqgHT8Q==负荷预测研究，基于时间、空间维度结合车主用车习惯、道路交通、地理环境因素和充电设施等多种因素考量，采用模拟分析和数据驱动分析方法实现充放电负荷特性识别分析。李奕杰等[3]在综合动态交通信息、环境温度、实时车流量、排队论等因素基础上，建立一种城市交通系统OD流量预测的新型深度学习架构，可支持进行区域范围内的车辆充电负荷时空分布预测。邱元森等[4]在研究电动汽车出行行为概率特征基础上，建立充电需求仿真框架，通过蒙特卡洛方法模拟车辆出行和充电过程，得到了比较理想的充放电需求估计结果。在完成区域内电动汽车充放电负荷需求分析之后，即可进一步结合电网侧状态进行电动汽车调度及充放电策略制定。

在V2G车网互动过程中，车网协同调度管理及车辆bv8frytIxMvpPakaAFSSyg==电池层级的充放电策略的制定的目的是结合当前时段电网特性以及电动车辆时空分布、充电需求的情况，计算各充放电装置、电动汽车的充放电功率要求，实现削峰填谷降低电网负荷波动，辅助电网频率调节，达到优化区域内电网供电情况的目的。目前针对电动汽车V2G充放电策略优化的研究开展的比较广泛，主要内容就是结合车辆侧可用充放电负荷与电网侧供电情况，基于特定的优化目标及约束条件对电动车辆的入网状态及充放电策略进行调整。董龙昌等[5]分别以电网侧负荷曲线均方差最小、以电动汽车用户侧参与V2G获得的经济收益最大化，结合电动汽车实际的状态及负荷约束条件采用粒子群优化算法进行了车辆动力电池V2G过程的充放电控制策略优化，仿真验证了其优化效果。包宁宁等[6]以分时电价为前提，建立以高、低电价时段负荷曲线波动最小及充电费用最低为目标的多目标函数优化模型，对各个阶段接入电网的电动汽车集群充放电策略进行优化。

在完成电动汽车调度及充放电策略制定之后，即可逐层或直接下发充放电计划到服务运营商或充放电设施，区域内各参与调节的充电桩根据策略与电动车辆进行电能交互。在这个过程中，为了保证交互过程的稳定以及尽可能的提高效率，还需要做好双向充放电装置的变流器实时控制，合适的电路拓扑以及合理的控制策略是实现V2G的重要支撑。当前针对双向变流器的研究主要围绕以电路拓扑结构设计优化和以提高系统效率为目标的变流器控制策略开发两个方面展开。李宏玉等[7]提出了一种改进的无无功环流的双向隔离型DC/DC变换器的电路拓扑，在电路中增加CLLC谐振电路环节，用以提高电压电流动态响应速率及稳定电压波形。周静雯等[8]设计了一种基于脉宽调制型整流器和双向DC-DC变换器的拓扑结构，并同时提出了一种充电和放电时分别采用电压电流双闭环控制以及有限集模型预测电流控制的策略，可实现较好的抑制网侧电流谐波和降低谐波畸变率的效果。

电动汽车在参与V2G服务之后，在为电网侧提供电能缓冲的辅助服务外，电动汽车车主也能够获得一定的收入补偿，但这之外还有一个不可忽略的问题就是参与V2G服务的车载动力电池会产生额外的使用损耗，其寿命会受到一定程度的影响，进而阻碍车网互动服务的推广应用。为此也有学者针对V2G过程对车载动力电池寿命衰减的影响进行研究，并同时提出可以改善车网互动过程电池老化的控制策略。罗国庆等[9]在设计V2G调频优化策略时，结合电池机理老化模型，建立以降低电池衰减老化的目标优化模型，基于模型预测控制方法开发了一种全新的优化控制器，在实现电动汽车充放电功率实时的高效控制的同时也能够较大程度的抑制电池老化，降低电池衰减速率。陈丽娟等[10]基于电池损耗影响因素分析结合工程经济原理构建电池损耗模型，以包括电池损耗成本在内运营成本最小为上层优化目标联合下层配电网负荷峰谷差最下目标，完成车网互动调度策略在多时间尺度上的双层优化。

4 总结与展望

本文首先对电动汽车车网互动的基础概念做了介绍，并梳理了车网互动过程实现涉及主要需求组成部分及各部分的主要功能定义。重点从电动汽车充放电负荷需求分布研究预测、车网互动车辆充放电协同调度策略、双向变流器拓扑设计及优化控制研究等方面对V2G车网互动过程的关键技术及发展情况进行了总结。未来随着V2G技术的不断发展及电动汽车参与车网互动的普及推广，还需在以下方面深入研究：

充分利用大数据技术对电动汽车充放电负荷时空分布规律进行挖掘，持续拓宽数据来源打破行业间的数据共享壁垒，把车企、充电运行商、电网侧企业数据充分融合，深入分析电动车辆负荷的时空分布特性以揭示其内在规律和影响因素，以实现更准确的电动汽车可调度容量预测分析。

电动车辆车网互动充放电及调度策略制定，要充分考虑各维度影响因素，兼顾各参与主体的利益，建立多目标多层级的调度控制策略。并基于此建立相应的车网互动市场激励机制和市场模式，促进车网互动市场的持续发展与推广。

推动融合车辆、电网、运营商在内多元信息互联互动平台的建设研究，做好大规律数据接入处理能力开发，保证多主体间网络信息安全及信息的交互开发，为车网互动提供服务落地载体。

基金项目：规模化电动汽车与电网互动关键技术研究与示范应用（二期）（项目编号：090000KK52222138）。

参考文献：

[1]刘晓飞，张千帆，崔淑梅.电动汽车V2G技术综述[J].电工技术学报，2012，27（02）：121-127.

[2]王怡，白宇，冯聪聪.车网互动，反向充电如何获益？[N].中国电力报，2024-01-12（001）.

[3]李奕杰，宋恒，叶晨晖，等.基于融合模型驱动和数据驱动的电动汽车充电负荷预测[J].湖南电力，2023，43（03）：9-15.

[4]邱元森，张奕源，付玉雪，等.考虑用户有限理性的电动汽车充电需求[J].综合运输，2024，46（01）：71-78.

[5]董龙昌，陈民铀，李哲，等.基于V2G的电动汽车有序充放电控制策略[J].重庆大学学报，2019，42（01）：1-15.

[6]包宁宁，刘晓波.分时电价下电动汽车有序充放电优化策略[J].电力科学与工程，2023，39（02）：14-20.

[7]李宏玉，李洪强，孙钧太，等.基于V2G的CLLC无无功环流双向隔离型DC/DC变换器[J].国外电子测量技术，2021，40（05）：126-130.

[8]周静雯，黄勇，来春庆，等.基于V2G技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究[J].湖北民族大学学报（自然科学版），2023，41（02）：232-239.

[9]罗国庆，张永志，贾元威.主动抑制电池老化V2G最优调频策略开发[J].电气工程学报，2022，17（04）：133-144.

[10]陈丽娟，秦萌，顾少平，等.计及电池损耗的电动公交车参与V2G的优化调度策略[J].电力系统自动化，2020，44（11）：52-60.