趙世佳 劉宗巍 郝瀚 趙福全

（1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京 100048；2.清華大學(xué)，汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院 汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實驗室，北京 100084）

主題詞：汽車產(chǎn)業(yè) V2G技術(shù) 電動汽車

1 前言

全球汽車產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入節(jié)能低碳發(fā)展階段，發(fā)展新能源汽車成為各國汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略方向[1-3]，對于我國建設(shè)和諧汽車社會和構(gòu)建汽車強(qiáng)國也具有重要意義[4]。車輛和電網(wǎng)互動（Vehicle-to-Grid，V2G）技術(shù)是將電動汽車車載電池作為分布式儲能單元，實現(xiàn)車輛和電網(wǎng)之間能量與信息雙向傳遞的技術(shù)。應(yīng)用V2G技術(shù)可使無序充電轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虺潆?，并將電動汽車作為移動的、分布式儲能單元接入電網(wǎng)[5]。同時，V2G技術(shù)將在可再生能源大規(guī)模電力接入方面發(fā)揮重要作用，減少火電或其他常規(guī)機(jī)組的備用容量，提高供電穩(wěn)定性[6]，降低電網(wǎng)在備用容量和設(shè)備改造等方面的投資[7]，帶來可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。2017年，我國新能源汽車保有量達(dá)到153萬輛，我國作為全球最大的新能源汽車市場，具有發(fā)展V2G技術(shù)的基礎(chǔ)優(yōu)勢。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對V2G技術(shù)開展了大量的研究工作。翁國慶等分析了同時引入私家電動車電池集群、公交電動車電池集群和梯次利用電池集群與微網(wǎng)V2G服務(wù)的方案，提出了各集群V2G可用容量的實時評估模型，為微網(wǎng)系統(tǒng)制定能量優(yōu)化調(diào)控策略提供支撐[8]。劉曉飛提出了一種基于蒙特卡洛仿真的電動汽車V2G負(fù)荷時空分布的預(yù)測方法，構(gòu)建了電動汽車參與V2G服務(wù)的過程中實現(xiàn)用戶收益最大化的分析模型[9]。項頂?shù)冉Y(jié)合用戶起始充、放電時刻的泊松分布特性，建立了以電網(wǎng)總負(fù)荷波動最小為目標(biāo)，以滿足用戶充放電時間、充放電需求等為約束條件的V2G最優(yōu)峰谷電價模型，并以京津唐電網(wǎng)為例，進(jìn)行了案例分析[10]。李志偉等提出了滿足電動汽車電池約束、電網(wǎng)約束和車主約束基礎(chǔ)上的電動汽車分布式儲能的控制策略，可顯著提高可再生能源可調(diào)度性，大幅降低電動汽車充、放電切換次數(shù)，并且減緩動力電池壽命的衰減[11]。利用V2G技術(shù)可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，Noel和McCormack通過燃油客車和電動客車對比，指出采用V2G技術(shù)可以大幅節(jié)約使用成本[12]，且通過電動汽車調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的波峰可明顯降低電力系統(tǒng)的運(yùn)營成本[13]。文獻(xiàn)[14]對消費(fèi)者對于V2G的支付意愿進(jìn)行了情景分析，結(jié)果顯示短期內(nèi)支付意愿仍然較低，主要原因是電動汽車的里程焦慮、高昂的電池成本以及嚴(yán)苛的V2G協(xié)議。Elpiniki等對電動汽車充、放電損失進(jìn)行了測量，分析了電網(wǎng)集成車輛系統(tǒng)的功率損耗，為充電系統(tǒng)的高效設(shè)計提供了參考[8]。Yosef等在文獻(xiàn)[15]的研究基礎(chǔ)上，提出了V2G效率和經(jīng)濟(jì)分析模型[16]。

Han指出，隱私是目前V2G技術(shù)發(fā)展的一大障礙，包括匿名身份驗證、位置隱私、識別隱私、隱藏數(shù)據(jù)匯總、隱私保護(hù)計費(fèi)和支付、隱私保護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)布等，并提出了具體解決方案[17]。

本文重點(diǎn)探討了V2G技術(shù)的主要功能，分析了美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)V2G技術(shù)的進(jìn)展情況，對中國發(fā)展V2G技術(shù)的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行了梳理，并提出了有針對性的對策建議。

2 V2G技術(shù)的主要功能及國外布局分析

2.1 V2G技術(shù)的主要功能

V2G技術(shù)可實現(xiàn)信息與能量雙向、實時、可控、高速地在車輛和電網(wǎng)之間流動，其應(yīng)用將使電動汽車“無序”充電轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行颉背潆?，并將電動汽車作為移動的、分布式儲能單元接入電網(wǎng)，用于平抑負(fù)荷峰谷、提高電網(wǎng)調(diào)頻效率、保證關(guān)鍵負(fù)載正常運(yùn)行等方面，在提高電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性、可靠性和能源利用效率的同時，延緩電網(wǎng)建設(shè)投資。智能電網(wǎng)為電動汽車與電網(wǎng)間的互動提供應(yīng)用平臺，V2G的組成部分主要包括電動汽車、能源供應(yīng)商、電網(wǎng)運(yùn)營商、移動運(yùn)營商、用戶等，如圖1所示。

作為綜合應(yīng)用技術(shù)，V2G在可再生能源大規(guī)模電力接入方面發(fā)揮顯著作用，其主要功能與效益如表1所示。

圖1 V2G架構(gòu)及組成部分[18]

表1 V2G技術(shù)功能及效益

V2G的關(guān)鍵技術(shù)主要包括高性能雙向充放電技術(shù)、面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車充放電智能互動調(diào)度技術(shù)、大規(guī)模化電動汽車有序充電管理技術(shù)、電動汽車充放電運(yùn)行安全測試技術(shù)、高級智能量測體系和雙向通信技術(shù)等。

2.2 國外V2G技術(shù)布局分析

2.2.1 美國政府高度重視V2G技術(shù)

美國特拉華大學(xué)是V2G技術(shù)研究的先驅(qū)，最早提出V2G概念。2009年，美國政府撥款3000萬美元（約合2.05億元人民幣）資助福特與公用事業(yè)部門合作，推動電動汽車與電網(wǎng)整合示范項目[19]。科研院所也積極參與V2G技術(shù)研究，2014年，美國西南研究院推廣了第一代V2G集中管控系統(tǒng)，用于管理控制大批量電動汽車的充電操作，通過分析電網(wǎng)的負(fù)荷程度自動推遲汽車充電時間，該系統(tǒng)的誕生標(biāo)志著支持穩(wěn)定電能輸送的技術(shù)已走向成熟。2016年，美國出臺《促進(jìn)電動汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施指導(dǎo)原則》，鼓勵創(chuàng)新V2G應(yīng)用模式。目前，美國V2G技術(shù)已成熟，進(jìn)入智能充電和電網(wǎng)互動的應(yīng)用模式探索階段。

2.2.2 日本致力于研發(fā)商業(yè)化V2G系統(tǒng)

日本出臺多項政策及舉措支持V2G技術(shù)發(fā)展，已實現(xiàn)V2G技術(shù)小范圍應(yīng)用示范。2010年發(fā)布《日本新一代汽車戰(zhàn)略》，提出將汽車的定位由單一車輛延伸至網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)開發(fā)和推廣可雙向輸電的V2G技術(shù)。同年，以5 000家用戶為對象，日本啟動了智能儀表使用方面的試驗。2016年，日本頒布《純電動汽車與插電式混合動力汽車路線圖》，提出建立全國范圍內(nèi)電動汽車商業(yè)化V2G應(yīng)用體系。

2.2.3 歐洲多國啟動V2G技術(shù)研發(fā)

目前，歐洲V2G技術(shù)聯(lián)合研發(fā)進(jìn)入實質(zhì)階段，探索商業(yè)化運(yùn)營模式成為重點(diǎn)。2016年，德國政府投入10億歐元（約合75億元人民幣）的補(bǔ)助資金支持電力公司和汽車企業(yè)研發(fā)V2G技術(shù)，發(fā)揮電動汽車作為儲能單元的功能。2017年5月，意大利電力公司、日產(chǎn)與意大利技術(shù)研究院三方簽訂合作協(xié)議，共同推動V2G技術(shù)研發(fā)；7月，英國政府宣布出資2 000萬英鎊（約合1.77億元人民幣）推動V2G技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)電動汽車在平抑電網(wǎng)負(fù)荷方面發(fā)揮更大作用。

3 中國V2G技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及主要瓶頸

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

電動汽車市場規(guī)模逐步擴(kuò)大和動力電池技術(shù)的迭代升級為V2G技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，近年來，在車輛與電網(wǎng)互動方面，我國在政府規(guī)劃、技術(shù)研究、企業(yè)層面積極開展了多方面工作。

在政府規(guī)劃層面：《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出大力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+充電基礎(chǔ)設(shè)施”，促進(jìn)電動汽車與智能電網(wǎng)間能量和信息的雙向互動；國務(wù)院發(fā)布的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)開展電動汽車電力系統(tǒng)儲能應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，實施分布式新能源與電動汽車聯(lián)合應(yīng)用示范，推動電動汽車與智能電網(wǎng)、新能源、儲能、智能駕駛等融合發(fā)展；工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科學(xué)技術(shù)部近期聯(lián)合發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》指出，探索新能源汽車與可再生能源、智能電網(wǎng)的深度融合和協(xié)同發(fā)展的商業(yè)化推廣模式。

在技術(shù)研究層面：國家科技部、能源局、清華大學(xué)等相關(guān)單位已經(jīng)對V2G技術(shù)開展了多個項目的立項研究；國家863項目“電動汽車與電網(wǎng)互動技術(shù)研究”建立了電動汽車與電網(wǎng)互動試驗驗證系統(tǒng)，并依托大連城西充電站實現(xiàn)了示范應(yīng)用；“電動汽車充放電及與電網(wǎng)互動關(guān)鍵技術(shù)”致力于提高電動汽車與電網(wǎng)的互動性與便捷性，加快電動汽車與智能電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展；國家能源局項目“電動汽車與電網(wǎng)雙向交互終端及電動汽車智能充放電控制系統(tǒng)研究”提出了規(guī)?；妱悠囍悄艹浞烹娍刂撇呗裕治隽穗妱悠嚺c電網(wǎng)互動的可行性；清華大學(xué)對電動汽車與電網(wǎng)互動最優(yōu)峰谷電價、電動汽車充放電對電網(wǎng)影響等問題開展了深入研究。

在企業(yè)進(jìn)展層面：國家電網(wǎng)積極推動V2G領(lǐng)域發(fā)展以及能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新，開展了利用電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻，提高電網(wǎng)運(yùn)營穩(wěn)定性的研究；南方電網(wǎng)將電動汽車和電網(wǎng)互動技術(shù)列為智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究方向，提出了電動汽車與電網(wǎng)互動的統(tǒng)一架構(gòu)，并對電動汽車與電網(wǎng)的通訊結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了探討；上汽集團(tuán)長期致力于V2G領(lǐng)域的研究，2010年在上海世博園區(qū)完成電動汽車與電網(wǎng)互動演示，目前與陽光電源聯(lián)合研發(fā)基于V2G的新能源汽車能量管理技術(shù)[5]。

3.2 主要瓶頸

3.2.1 缺乏頂層設(shè)計

中國具有針對性、系統(tǒng)性的車輛和電網(wǎng)互動戰(zhàn)略及頂層設(shè)計尚未出臺，缺乏國家整體的宏觀戰(zhàn)略引導(dǎo)，不僅制約了相關(guān)企業(yè)技術(shù)研發(fā)，在新能源汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展的變革期，更影響了V2G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和布局。同時，在V2G領(lǐng)域尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的通信接口和協(xié)議阻礙了電網(wǎng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，影響車輛與電網(wǎng)的交互。

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)儲備不足

中國V2G領(lǐng)域的前瞻性技術(shù)研發(fā)、儲備不足，關(guān)鍵技術(shù)停留在試驗階段，針對不同V2G目標(biāo)的調(diào)控技術(shù)和控制策略仍然空缺。在面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車充放電智能互動調(diào)度技術(shù)、電動汽車充放電運(yùn)行安全測試技術(shù)等方面有待突破，亟待加強(qiáng)電動汽車企業(yè)與電網(wǎng)企業(yè)的互動，進(jìn)一步開展產(chǎn)業(yè)化研究。

3.2.3 市場環(huán)境仍待優(yōu)化

V2G領(lǐng)域的商業(yè)模式和市場機(jī)制仍處于起步階段。一方面，消費(fèi)者對于將電動汽車電能反饋電網(wǎng)的意愿并不積極，回饋電網(wǎng)帶來的額外收益與頻繁充放電對電池壽命的影響還沒有形成科學(xué)的評估結(jié)論；另一方面，對于消費(fèi)者的參與程度考慮不足，電動汽車V2G功能宣傳力度不夠，消費(fèi)者目前還沒有關(guān)注到這一新興領(lǐng)域，而未來V2G能否成功推行取決于消費(fèi)者的參與意愿和參與數(shù)量。

中國V2G技術(shù)發(fā)展與國外對比分析見表2。

表2 國內(nèi)外V2G技術(shù)差距

4 中國V2G技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略建議

隨著能源革命的不斷推進(jìn)，V2G技術(shù)將成為將可再生能源接入電網(wǎng)并充分發(fā)揮電動汽車儲能特性的重要保障，本文分析認(rèn)為，中國V2G技術(shù)發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)在頂層設(shè)計、突破關(guān)鍵技術(shù)、培育發(fā)展環(huán)境方面著重發(fā)力。

4.1 系統(tǒng)制定V2G領(lǐng)域頂層設(shè)計

第一，我國在建設(shè)智能電網(wǎng)進(jìn)程中，應(yīng)加緊制定V2G領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在戰(zhàn)略方向、發(fā)展目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)等多方面做好頂層設(shè)計和前瞻布局，結(jié)合我國的實際情況，謀劃V2G技術(shù)商業(yè)模式，促進(jìn)交通出行和電力系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)聯(lián)化、低碳化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)多方共贏。

第二，盡快研究出臺電動汽車與智能電網(wǎng)融合的相關(guān)通信方式和標(biāo)準(zhǔn)，目前，制造企業(yè)充電設(shè)備的通信接口和協(xié)議各不相同，這為電網(wǎng)對電動汽車的統(tǒng)一調(diào)度帶來很大的挑戰(zhàn)，下一步應(yīng)重點(diǎn)激勵企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新意識，充分調(diào)動各方資源，推動電動汽車與電網(wǎng)互動的產(chǎn)學(xué)研深度合作，建立完整的通信傳輸體系，為V2G技術(shù)提供傳輸保障。

第三，積極研究制定基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電能交易模式，區(qū)塊鏈技術(shù)可以實現(xiàn)電能的數(shù)字化精準(zhǔn)管理，通過去中心化的方式促進(jìn)電能點(diǎn)對點(diǎn)交易，消費(fèi)者可將家中太陽能板產(chǎn)生的過剩電力存儲到電動汽車中并出售給其他家庭，以電動汽車分布式儲能作為電網(wǎng)和可再生能源間的緩沖。

4.2 重點(diǎn)突破V2G關(guān)鍵技術(shù)

一是充分利用我國新能源汽車快速發(fā)展的有利條件，持續(xù)跟蹤國外V2G領(lǐng)域技術(shù)研究進(jìn)展情況。我國對V2G的研究前期主要側(cè)重于可行性分析、整體結(jié)構(gòu)的描述及各組成部分功能分析等，而對其具體的實現(xiàn)技術(shù)則涉及較少。因此，我國亟需加快布局V2G關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究，將V2G列入智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)，進(jìn)一步加大資金支持，重點(diǎn)突破高效智能化雙向充放電技術(shù)、充放電智能互動調(diào)度技術(shù)、有序充電管理系統(tǒng)等V2G關(guān)鍵技術(shù)。

二是激勵企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新意識，充分協(xié)調(diào)電力企業(yè)、整車企業(yè)、零部件企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、科研院所等多方資源，通過技術(shù)創(chuàng)新中心、聯(lián)合攻關(guān)小組等方式，促進(jìn)V2G技術(shù)聯(lián)合研發(fā)與應(yīng)用相融合。

三是加大首臺（套）政策在V2G技術(shù)領(lǐng)域的實施力度，支持自主技術(shù)裝備的研發(fā)和推廣應(yīng)用，我國首臺（套）重大技術(shù)裝備試驗、示范項目實施多年，通過政策引導(dǎo)推動V2G技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，充分調(diào)動參與V2G重大技術(shù)裝備創(chuàng)新的積極性，形成市場需求與研發(fā)示范相互促進(jìn)、良性互動的格局。

四是研究制定V2G技術(shù)應(yīng)用示范發(fā)展計劃，加強(qiáng)V2G技術(shù)應(yīng)用場景的研究論證，加大對車輛和電網(wǎng)互動的支持力度，選擇具有代表性的地區(qū)適時開展應(yīng)用示范，以V2G技術(shù)為載體，促進(jìn)電動汽車、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)全方位融合發(fā)展。

4.3 積極培育V2G技術(shù)發(fā)展環(huán)境

首先，通過特許經(jīng)營、股權(quán)合作等方式以及政府與社會資本合作（Public-Private Partnership，PPP）等模式吸引社會資本參與V2G技術(shù)研發(fā)及商業(yè)化推廣應(yīng)用，V2G技術(shù)是極具市場前景的前瞻性技術(shù)，需要企業(yè)投入大量的研發(fā)資金，充分發(fā)揮社會資本融資、專業(yè)、管理等優(yōu)勢。其次，將電動汽車參與電網(wǎng)電能調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行情景分析并實現(xiàn)量化評估，對由技術(shù)改進(jìn)給消費(fèi)者帶來的更大的經(jīng)濟(jì)利益及時公布于眾，正確引導(dǎo)消費(fèi)者參與V2G系統(tǒng)中電網(wǎng)調(diào)峰及電能交易活動。再次，建立與汽車使用能耗和污染排放掛鉤的長效稅收機(jī)制，如環(huán)境稅、能源稅、碳稅等，引導(dǎo)電動汽車消費(fèi)和可再生能源使用，同時增加傳統(tǒng)燃油汽車的使用成本，進(jìn)一步鼓勵消費(fèi)者購買和使用電動汽車，中央可以通過對示范省市以及示范運(yùn)營項目給予綜合獎勵，鼓勵相關(guān)省市將更多的資金用于V2G技術(shù)使用環(huán)境建設(shè)。最后，制定合理、精準(zhǔn)的電價控制策略，充分利用閑置電動汽車儲能能力以及對可再生能源入網(wǎng)造成擾動的平抑，提高電動汽車的社會利用效率，積極引導(dǎo)電動汽車用戶深度參與V2G系統(tǒng)中電網(wǎng)調(diào)峰及電能交易活動。

5 結(jié)束語

作為綜合應(yīng)用技術(shù)，V2G具備削峰填谷、調(diào)節(jié)頻率、旋轉(zhuǎn)備用等功能，可實現(xiàn)車載電池與電網(wǎng)的能量與信息互動，進(jìn)而在可再生能源大規(guī)模電力接入中發(fā)揮顯著作用。近年來，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)政府高度重視V2G技術(shù)并從政策、財政等多方面提供支持，為推動V2G技術(shù)發(fā)展和商業(yè)化運(yùn)營營造了良好的環(huán)境。我國盡管在多項政策文件中提及發(fā)展V2G技術(shù)，但仍缺乏系統(tǒng)性的戰(zhàn)略支撐，在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)上進(jìn)展相對緩慢，消費(fèi)者端也沒有建立起充分利用電能剩余價值的意識。綜上，我國應(yīng)重點(diǎn)加快布局V2G領(lǐng)域，系統(tǒng)開展V2G領(lǐng)域的頂層設(shè)計，重點(diǎn)突破V2G相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，積極培育V2G技術(shù)發(fā)展環(huán)境，依托新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)優(yōu)勢，加快推動V2G技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。