《eTransportation》：Battery-Electric Vehicle-Charging Station-Power Grid Synergies: A Technical Roadmap from Vehicle to Grid
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李亚伦|王坤|冯学春|郭东旭|高新佳|窦迪|吴宇|杨世春北京航空航天大学交通科学与技术学院，中国北京100191摘要车对网（V2G）通过电动汽车（EV）与电网之间的双向能量交互，为提高电网稳定性、整合可再生能源和优化经济效率提供了变革潜力。尽管全球有许多示范项目，但扩大V2G的推
李亚伦|王坤|冯学春|郭东旭|高新佳|窦迪|吴宇|杨世春
北京航空航天大学交通科学与技术学院，中国北京100191
摘要
车对网（V2G）通过电动汽车（EV）与电网之间的双向能量交互，为提高电网稳定性、整合可再生能源和优化经济效率提供了变革潜力。尽管全球有许多示范项目，但扩大V2G的推广规模以释放其潜力仍然是一个关键挑战。本综述从经济可行性基础、能源潜力利用、电力潜力利用和交易价值捕获机制等方面全面探讨了V2G系统。在可行性基础方面，讨论了电池充电模式、相关退化现象和寿命管理策略。作为释放分布式电动汽车能源潜力的关键手段，总结了实施虚拟电厂所面临的挑战，如异构资源聚合和行为预测的不确定性。作为协调电动汽车电力潜力的中心，进一步回顾了微电网内充电设施的单独控制和协同控制。最后，介绍了协调不同利益相关者的能源和容量市场机制及决策框架。综合来看，V2G作为未来可持续能源系统的基石具有可行性，并指出了跨学科研究方向。通过全面讨论各种参与者和多层次技术，概述了支持电网的V2G实施所面临的挑战和解决方案。
引言
将风能和太阳能等可再生能源发电整合到电网中需要大规模的储能系统（ESSs）[1]。此外，由于电动汽车（EV）的大规模增长带来的充电问题日益突出。为寻求解决方案，车对网（V2G）互动成为不可避免的选择，并有望得到广泛推广。作为分布式储能单元，电动汽车正在成为解决可再生能源输出与电力需求时空不匹配问题的核心要素，从而实现可再生能源资源的高效利用，并满足电动汽车日益增长的充电需求。通过控制充电时间或双向充电，V2G通过与充电场景的协调提供储能能力。广义上讲，V2G不一定涉及电网系统，还可以是车对车（V2V）互动、车对家庭（V2H）互动、车对建筑（V2B）互动、车对微电网（V2mG）互动，这些都具有高度灵活性。
可扩展的电动汽车具备参与电网调节的能力，有助于稳定新的电力系统，例如提高光伏（PV）利用率[2]、减少峰值负荷、平衡三相负荷、参与频率调节[3]以及降低充电成本。在微电网中，可再生能源的不稳定电力输出可能影响电网稳定性。将电动汽车充电站或换电站与光伏发电[4]整合到微电网调度[5]中也已被证明具有经济效益。例如，在孤岛微电网中，V2G的实施对于缓解由可再生能源或瞬态条件引起的系统故障至关重要[6]。高功率电动汽车放电可以提供紧急备用电源，防止因光伏和风力发电输出突然下降导致的微电网系统停电。在用户需求方面，聚合的电动汽车可以通过峰谷套利提供稳定的电力供应，减少对配电网扩展的需求，并为家庭和关键工业用户提供紧急备用电源。凭借巨大的潜力，V2G被视为解决大规模分布式能源接入电网问题的核心需求侧ESS。在电网方面，电动汽车是缓解波动性和不确定性的有效工具。大规模部署电动汽车可以通过电动汽车聚合系统提供足够的电力容量，参与电网侧的辅助服务。
V2G的实施涉及多个利益相关者的参与和复杂的交互系统。图1展示了通过电力流、能量流和价值流相互作用的车辆、站点和电网的框架。
从电力流的角度来看，电动汽车和电网通过充电器中的双向电力电子设备连接，并进行通信以调整充电电流。交流充电器通常连接到车载充电器，将交流电转换为直流电，而直流充电器通常直接连接到电池，无需电压转换。由于直流充电堆的电力间歇性，站点内总是配备有ESSs。当充电站需要脉冲充电功率时，ESSs会过滤掉电力波动。
从能量流的角度来看，电动汽车的充电需求具有高度不确定性。分析并预测各种类型电动汽车的行驶行为，以获得充电和放电需求的时空分布。在此基础上，在特定时间和地点将电动汽车聚合到一定规模。配电系统运营商（DSO）管理来自电动汽车和多样化负载（充电站、公交车站、公共建筑）的区域电力需求，参与电网管理并提供电力服务。
从价值流的角度来看，电动汽车所有者参与电网调度的意愿至关重要，特别是考虑到电池退化造成的损失。包括电动汽车、光伏和ESSs在内的可调度分布式资源组成虚拟电厂（VPPs），以响应电网的调度指令需求。响应需求后，参与电力市场的收入形成并分配给参与者。
总体而言，V2G是一个涉及多个利益相关者、多个层次和多样化应用场景的重要而复杂的系统项目。如何释放电动汽车的能源和电力价值并实现大规模V2G推广仍然是一个热门的行业话题。现有的综述大多关注V2G的单一技术点，但尚未解决其大规模实施问题。为了填补这一空白，本综述从更全面的视角分析V2G，并提出其技术发展趋势。本文结构如下：第2节总结V2G试点示范项目并展示V2G路线图；第3节涵盖V2G的技术基础——电池充电和退化控制；第4节讨论使电动汽车在满足行驶需求的同时提供电网能源价值的关键技术；第5节探讨使电动汽车在充电/放电过程中传递电力价值的关键技术；第6节研究电动汽车在电网中产生的能源和电力价值。最后，我们总结了各种V2G利益相关者的发展前景。
章节片段
现有示范项目
截至2024年6月，全球已实施了140多个V2G试点示范项目，覆盖27个国家的6500多个充电设施[7]。图2总结了不同国家的V2G项目及其对应的充电堆数量。此外，还总结了在多样化V2G示范场景中安装的交流或直流充电器类型。
美国在V2G验证方面处于领先地位，无论是充电堆的数量还是
V2G的基础——电池充电和退化控制
电池充电会导致电极反应和退化。充电过程中，锂离子从正极释放，与电解质溶剂形成溶剂化分子，然后在电场和浓度场的驱动下移动到负极表面。之后，这些分子脱溶并穿透固体电解质界面（SEI），嵌入负极[24]。通常认为
通过虚拟电厂释放V2G的能源潜力
V2G的能源存储潜力源于聚合区域内电动汽车的能源调度灵活性。电动汽车主要通过VPPs参与电力服务。VPPs在市场上注册，提供必要的资质，并将太阳能、风能和储能等分布式资源聚合为一个统一的发电单元。之后，VPPs监控市场动态，根据供需情况制定出价策略，并通过市场平台提交报价。
通过微电网释放V2G的电力潜力
电动汽车的电力能力源于电池的充放电能力，通过控制连接到电网或微电网的电力电子模块来实现。通过调节电动汽车的充放电功率，可以支持微电网或电网的稳定性。图9a显示了电动汽车的充电/换电设备与光伏/风能/ESSs共同连接到电网的电气拓扑结构——本质上是一个包含直流和交流电路的微电网。随着可再生能源比例的提高
通过与电力市场的互动促进V2G
V2G的大规模推广和应用需要经济可行性，因此依赖于电动汽车充电和放电在电力市场中的收益。电网中的电力市场包括中长期市场和辅助服务市场。电动汽车聚合形成的巨大容量和能源池预计能够参与现货市场和辅助服务市场。图12a展示了典型的电网调节
结论
V2G技术代表了电动汽车融入电力系统的变革性整合，为提高电网稳定性、支持可再生能源整合和提升交通-能源领域的经济效率提供了有前景的途径。本综述系统地探讨了V2G技术的关键方面，包括作为基础的电池充电和退化控制、释放能源潜力的VPPs、释放能源潜力的微电网以及与电力市场的互动
CRediT作者贡献声明
李亚伦：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。吴宇：撰写——审阅与编辑。窦迪：正式分析、数据整理。杨世春：撰写——审阅与编辑、资源。冯学春：撰写——原始草稿、可视化。王坤：撰写——原始草稿、正式分析。高新佳：可视化、正式
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52577223）的支持，由智能绿色车辆与移动性国家重点实验室（编号：KFZ2260102）的开放基金赞助，并由储能和电池安全国家重点实验室以及市场监管总局（KLBS-KF2025B01）资助。我们还要感谢上海工程技术大学机械工程学院的徐超杰、康鹏和宋攀，以及谢银林
