汽車行業正越來越多地轉向電動汽車(EV)。雖然EV并非完全不存在環境問題，但它可以避免碳氫化合物低效燃燒，因而能夠直接應對氣候變化，而且更適合采用先進的傳感器技術實現自動駕駛。為了盡可能發揮EV的環境效益，我們還必須轉向可再生能源。以太陽能和風能為首的可再生能源是間歇性的：太陽并不總是照耀著，風也不會總是吹拂著。工程師們正在開發各種解決方案，以收集間歇性的可再生能源，將其儲存起來，然后為終端用戶持續供應。智能電網就是其中的一種解決方案，它是由硬件和軟件、發電、配電和用電基礎設施以及通信技術組成的數字網絡。

這些智能電網技術的目標是盡可能實現按需供電，而不過度生產電力。智能電網在全球去碳化努力中具有重要地位，全球智能電網市場預計將從2021年的430億美元增長到2026年的超過1,030億美元，復合年增長率(CAGR)達19%[1]。

然而，要想普及智能電網，還需要解決一大技術挑戰，就是將原本專為輸送碳氫化合物電力而建設的電網，轉變為能夠處理可再生能源的電網。此外，要在滿足復合能源需求增長的同時，盡可能提高能源利用率，就必須實現電網與EV之間的雙向電力流動。

顯示了智能電網的關鍵要素，包括可實現超高能效的車對網(V2G)充電技術。

V2G技術使EV能夠與電網通信，并按需提供和接收電力。這種靈活性非常有利于去碳化和提高能源彈性。V2G設備是一種可將電力導向所需應用的功率逆變器，是一種可實現雙向電力流動的新型智能電網技術。

本文回顧了可實現智能電網并利用EV作為移動的電源和儲能載體的V2G技術。

V2G簡介

V2G技術使EV能夠將電池中的能量輸回電網，

從而幫助穩定電網并支持可再生能源的整合。

V2G技術是EV與智能電網合作實現高效能源流動的開創性方法。V2G技術就像閥門一樣，可以根據需要控制電力在電源和電網之間的流動方向。電力可以從電量充足的設備流向需要充電的設備。V2G技術使EV可以充當移動的儲能站，為旅行全程提供輔助電源。

V2G在智能電網穩定性中的作用

現有的電網是為實現從發電站到終端用戶的單向輸能而建設的。要將供電與需求負荷曲線相匹配，并不是一件容易的事情。由于發電站的數量有限，運營商歷來都會過量發電以避免停電。此外，能源效率對現代電力系統也至關重要，這就促使運營商和消費者優化能源使用，以降低成本、提高效率。

智能電網和V2G可以實現能源再利用：在能源需求高的時候，可從其他來源獲取能源;當需求降低后，再將多余的能源送回電網。如果電網局部發生故障，V2G系統可以感知到情況，并從遠程電源(全球近10億輛汽車)獲取電力，以穩定電網。

智能電網技術主要包括能夠實現雙向電力流動的電網、智能電表和其他用于報告診斷和安全保護的家用功能。它還包括雙向通信支持，以提高能源利用率和自動化程度，讓需求與負荷曲線更加匹配。

需求響應服務

智能電網能源分配網絡中的“智能”是指數字控制。當某個應用需要電力時，V2G設備就會將電力導向該應用，直到不再需要為止。V2G設備就像智能電網技術的大腦，可以優化電力使用，盡可能降低消費者的成本。這種需求響應可為消費者提供動態能源定價，鼓勵在非高峰時段用電。能源需求的削峰填谷對電網穩定性起著至關重要的作用。

可再生能源整合

要將可再生能源并網并且盡可能充分利用，V2G可以起到非常重要的作用。風能和太陽能是間歇性能源，會導致電力波動，而V2G技術可以在電力生產過多時將能量儲存在汽車中。當電網供應不足時，汽車就可以將儲存的能量釋放回電網。通過能源提供商、用戶和公共機構之間的合作，V2G技術整合可再生能源的方案可以有效地促進開發更具可持續性和彈性的能源系統。

用于V2G高峰需求管理的智能充電算法

要實現電網與EV之間的電力雙向流動，首先需要有雙向逆變器，它既能將電網的交流電轉換為汽車電池的直流電，又能將直流電轉換為交流電。這種雙向傳輸為管理能源存儲和輸送以及整合可再生能源創造了新的機會。例如，電網可以在白天儲存來自可再生能源的多余能量，并在需要時輸送出來，這樣即使在夜間或停電期間也能供應電力。

V2G系統依靠智能充電算法來決定EV何時以及如何對電池充電或放電。這些算法會考慮系統狀況、能源價格波動、可再生能源供應情況和平均費率、EV電池電壓和充電速率等因素。

通過認真考慮這些因素，系統設計者就能制定出滿足EV充放電計劃的電力傳輸時間表，從而緩解對電力供應的需求，防止造成停電，還可以降低EV車主在非高峰時段的電池充電成本。

采用智能充電協議，可以平衡電力需求，同時有助于整合可再生能源，從而提高V2G模式的有效性和影響力。

為EV車主節約成本

在消費設備之間“回收”所產生的電能，可以削減能源需求峰值，使能源公司能夠通過更一致的需求曲線更好地預測成本。這種削峰措施每年可為每輛EV節省多達870美元[2]。

智能充電還可以通過控制充放電方式來降低電池負荷，從而延長EV電池的使用壽命。這有利于EV用戶減少更換電池的需求，并有助于促進環保交通網絡的發展。電池需要保持約20%至80%的電量才能達到極佳效率，而V2G可以更好地控制充電水平。此外，智能充電還可以節約多余的風能和太陽能，并通過解決能源供應不穩定的問題來增強電網的彈性。

V2G技術和智能電網

人工智能(AI)、機器學習(ML)、先進傳感器和無線通信協議對于推進V2G技術和實現更智能、更高效的電網系統而言至關重要。

集成AI和ML以增強V2G系統

隨著工程師開發出越來越多能夠采用V2G的技術，AI和ML可以通過自動化和預測性需求建模，進一步提高智能電網的性能。

電網為AI提供了海量數據。AI和ML算法可以分析EV的電池健康狀況、電網狀況、電價和EV使用模式。數據的變化會納入到AI軟件中，并在下次需要預測時加以考慮，從而不斷提高能源效率。AI還能通過電源管理增強自動駕駛功能，從而提高效率。

這種持續的優化可以進一步平衡電網，降低電力成本，延長電池壽命——電池壽命是EV成本中占比極高的部分。此外，AI和ML技術還可以分析可再生能源生產的趨勢，并在全年對其進行動態調整。通過利用多余的儲能容量，這些技術可以優化可再生能源與電網的整合，確保更穩定、更可靠的能源供應。

V2G技術中的無線通信協議

V2G技術的另一個重要組成部分是無線通信，它可以促進電網、EV和充電站這三個關鍵要素之間的數據交換。與AI和ML一樣，數據管理有助于控制雙向電力交換和管理系統性能。

V2G系統使用無線通信協議收集有關車輛ID、電池充電狀態、溫度、EV速度、計量電流量、電網頻率等數據。Wi-Fi、專用短程通信(DSRC)和蜂窩車聯網(C-V2X)網絡等各種協議在傳輸距離、速度和安全性方面都有其局限性和優勢，必須加以整合才能實現高性能的智能電網。

Wi-Fi

Wi-Fi適合用于局域網(LAN)，在短距離內性能可靠。它在較遠距離上存在限制，而且在用戶密度高時容易受到干擾。Wi-Fi適合用于車內通信以及與EV周圍環境交互。

DSRC

DSRC是三種協議中延遲極低的，極適合車輛與基礎設施之間的高安全性、高速直接通信。其低延遲特性非常適合用于高級輔助駕駛系統(ADAS)，此類系統需要更高的信號響應靈敏度，以提高安全性。DSRC適用于1公里以內的中距離用途，如車對車和車對基礎設施通信，以避免碰撞，或者引導避開交通堵塞。

C-V2X網絡

蜂窩網絡的覆蓋范圍非常廣，適合用于遠程功能和診斷。它的數據吞吐量高，是車輛與行人通信的理想協議。與DSRC相比，C-V2X網絡的延遲更高，因此更適合信息娛樂和無線更新等不需要快速響應的應用。

用于實時數據管理的先進傳感器

許多為自動駕駛汽車(AV)開發的傳感器技術都適用于V2G。工程師必須借助傳感器，才能通過電池管理系統(BMS)監控電池健康狀況，并了解充電狀態以及通過無線協議傳輸的諸多參數。此外，智能電力計量傳感器還為控制算法提供數據，以指導自動駕駛汽車如何以及何時使用電力。這種增強功能可以優化系統性能和效率，也可以使V2G系統受益。

V2G的實施

雖然V2G技術正在開發中，但大規模地推廣應用這項技術卻是一個完全不同的問題。大規模的V2G網絡仍面臨著一些挑戰，但其帶來的可持續性收益和電網彈性，對于公共和私營部門而言都很有吸引力。續抓緊去做的三大方向，或許也能提供一種思路：

挑戰和機遇

V2G技術帶來了復雜的挑戰和機遇，從電池退化和供應鏈影響到市場和監管障礙，所有這些都對其廣泛實施和潛在效益起著關鍵作用。

電池退化和供應鏈影響

有關V2G技術是否會對電池造成壓力，導致其使用壽命縮短的問題，相關研究目前正在開展[3]。來回充電循環的次數增多，可能會增加循環應變和材料疲勞。如果管理不當，EV電池的充放電循環可能會導致其容量降低、壽命縮短，使得昂貴部件的維修成本增加。不過，智能充電算法可以減輕這種影響，延長電池壽命。

雖然智能充電和AI可以減少應變損失，但眾所周知，鋰離子電池的化學性質穩定性不如其他一些電池化學成分。例如，Rivian和其他一些EV制造商使用的磷酸鐵鋰電池在反復充電循環中的退化現象就不像鋰離子電池那么嚴重。

技術、市場和監管障礙

將V2G技術納入到當前的電網架構，會帶來一系列困難?，F有電網是基于能量單向流動而構建的，因而要想實施V2G，就會遇到整合雙向電力流、納入可再生能源以及改善通信和控制等技術困難。

在解決這些技術障礙的同時，市場還需要為改造家庭和電網層面的基礎設施而投入資金。在經濟不確定時期，領導者往往會優先考慮短期成本節約，而不是長期利益，這就需要制定新的規則和標準來促進V2G系統的廣泛采用。

儲能成本經過均化后，從0.085美元/千瓦時到0.243美元/千瓦時不等，目前的凈現值(NPV)估計在-1,317美元到+3,013美元之間[4]。一旦電池化學技術成熟，電池化學的改進可使V2G凈現值達到+7,000美元。這些數據表明，普及V2G可以帶來巨大的利潤，但需要投資才能實現。

實施V2G技術還需要制定電網互聯、電價減免和補貼方面的法規，以減輕公共機構和消費者的資金負擔。例如，較新的ISO 15118-20標準就定義了EV與充電站之間雙向充電的V2G通信接口[5]。

公共和私營部門的合作

為了發揮V2G的潛力，并從示范項目走向大規模應用，監管機構需要打造一種支持性、性能導向的環境，以推動市場所需的行為。地方公用事業部門和政府必須建立起廣泛分布的充電基礎設施，并為各項技術在車輛和電網中的實施加以支持。

向公眾宣傳V2G對個人的益處以及推廣EV的使用也是一項重要任務。提高消費者的意識有利于普及V2G技術，促進其取得成功。這樣一來，能源行業就可以在加強可持續發展、增加可再生能源的獲取和采用以及幫助電力恢復方面邁出重要一步，從而為發展可持續能源的未來做出貢獻。

結語

V2G技術正在徹底改變能源利用方式。它可以利用EV在全球的普及，調動電力來為電網提供補充。它可以廣泛收集、儲存和使用風能和太陽能等間歇性可再生能源，進一步實現能源的去碳化，同時降低消費者成本。

公共和私營部門需要開展合作，開發更先進的電池化學、基礎設施和組件，以便實施雙向輸電技術。而后，還需要制定相關法規和標準化環境，并為現有和新的市場參與者制定規則，從而實現大規模雙向能源格局。