《Journal of Energy Storage》：Energy storage functions and technological developments of vehicle-to-everything enabled electric vehicle chargers: Converter designs, control strategies, services, and market readiness
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车联网（Vehicle-to-Everything，V2X）使能的充电器通过实现非高峰时段或可再生能源过剩期间的双向能量交换，并通过车到电网（vehicle-to-grid，V2G）、车到家（vehicle-to-home，V2H）、车到负载（vehicle-
车联网（Vehicle-to-Everything，V2X）使能的充电器通过实现非高峰时段或可再生能源过剩期间的双向能量交换，并通过车到电网（vehicle-to-grid，V2G）、车到家（vehicle-to-home，V2H）、车到负载（vehicle-to-load，V2L）和车到车（vehicle-to-vehicle，V2V）功能向电网、家庭、本地负载或其它车辆供电，从而将电动汽车转变为灵活的分布式储能单元。该能力使V2X充电器成为智能、有弹性和电网交互式能源系统的关键接口。本综述全面审视了实现这些功能的技术发展，重点研究了构成V2X充电器核心的双向交流-直流（AC–DC）以及隔离和非隔离直流-直流（DC–DC）变换器拓扑结构。研究人员分析了其工作原理、结构特性和性能权衡，以阐明拓扑选择如何在宽运行条件下影响效率、谐波性能、电压应力、功率密度、电气隔离和软开关鲁棒性。在并网和孤岛场景下，系统地综述了用于跟网（grid-following）和构网（grid-forming）运行的先进控制策略，包含了稳定性分析、阻抗交互、通信延迟、零电压开关（zero-voltage-switching）边界限制以及弱电网鲁棒性（有和无太阳能集成两种情况）。在变换器层面评估之外，研究人员利用基于荷电状态（state-of-charge，SoC）的监督框架综合了V2X服务，该框架管理协调模式转换、用户参与设置和电池保护约束。研究人员对实验室原型、中试规模示范和商业产品进行了比较基准测试，以识别在效率、认证就绪度、互操作性、光伏（photovoltaic，PV）和家庭能源管理系统（home energy management system，HEMS）兼容性、环境鲁棒性、电网规范合规性、部署可扩展性、生命周期成本考量、安全认证流程以及长期运行可靠性方面的差异。最后，基于态势分析（SWOT-based）的评估概述了面向可扩展、安全、可互操作且市场就绪的下一代V2X充电器的理想特性与战略发展路径。
**1. 引言**
电动汽车（EVs）正日益成为脱碳的核心，因为它们能减少温室气体排放、抑制对化石燃料的依赖，并能吸收可再生能源发电。与双向充电相结合，EVs不仅作为运输资产，还充当灵活的分布式储能单元，支持电网和家庭能源交换。如图1所示，全球EV普及正在加速，2020年至2021年新注册量增长了108%，突显了其在未来能源系统中日益增长的作用，并推动了全球范围内V2X充电基础设施的发展。
**2. V2X能量交换的功率变换架构**
V2X使能的EV充电器依赖协调的功率变换级来调节EV电池与外部系统之间的双向能量交换。典型的双级结构使用双向AC–DC变换器进行电网接口，以及一个DC–DC变换器进行电池侧调节。根据功率水平和隔离要求，DC–DC级可采用隔离或非隔离拓扑。
**2.1. 用于电网接口的双向AC–DC变换**
AC–DC变换器通过调节电网与EV电池之间的能量流，为V2X使能充电器奠定运行基础。高功率因数校正（PFC）使用脉宽调制（PWM）有源变换器，配合LCL滤波器抑制电磁干扰（EMI）。主要拓扑包括PWM型PFC变换器、中性点钳位（NPC）变换器、交错升压变换器、三电平T型变换器和三相多电平变换器。例如，基于碳化硅（SiC）的PFC变换器在25 kW时效率达99.1%，而T型变换器在10 kW时效率达99%。拓扑选择需要在功率质量、器件应力和控制复杂性之间权衡。
**2.2. 用于电池接口和储能调节的DC–DC变换**
DC–DC变换器构成第二级，用于匹配电池的充放电电压。隔离拓扑使用高频（HF）变压器，主要家族包括双有源桥（DAB）变换器及各种谐振拓扑（LC、LCL、LLC、CLLC、CLLLC）。DAB变换器效率超过97%，CLLC拓扑在16.5 kW时效率达98.8%。非隔离拓扑如PWM升降压变换器、交错升降压变换器和三电平变换器，提供紧凑和低成本方案，但缺乏整体电气隔离，限制了其在安全关键型安装中的应用。
**3. V2X使能充电器中双向能量交换的控制策略**
控制策略决定V2X充电器的性能和可行性，采用跟网（GFL）控制用于同步并网运行，或构网（GFM）控制用于自主电压和频率调节。
**3.1. 用于电网交互和孤岛能量交换的AC–DC变换器控制**
在无太阳能集成时，控制器集中调节电网电流、功率方向和直流母线电压。在有太阳能集成时，需集成最大功率点跟踪（MPPT）和直流母线稳定功能。滑动模式控制（SMC）和二阶广义积分器-锁频环-直流抑制（SOGI-FLL-DR）用于提高鲁棒性和电网同步。
**3.2. V2X能量交换系统中隔离DC–DC变换器的控制策略**
DAB变换器通过移相控制实现功率调节。在充电（G2V）模式下，采用级联的恒流/恒压（CC/CV）控制；在放电（V2G）模式下，根据所需电网功率确定电流参考；在家用负载供电（V2H/V2L）模式下，根据负载需求和电网贡献调整放电电流。
**3.3. V2X能量交换系统中非隔离DC–DC变换器的控制策略**
PWM升降压变换器通过占空比调制实现双向能量交换。G2V模式下采用降压运行，V2G模式下采用升压运行，并采用级联的电压-电流控制结构。在孤岛运行（V2H/V2L）下，控制目标转为稳定直流母线电压。
**3.4. V2X充电器控制系统的稳定性、鲁棒性和敏感性考量**
实际部署受稳定性、鲁棒性和不确定性敏感性的强烈影响。AC–DC控制稳定性受电网阻抗交互影响，可采用有源阻尼和虚拟阻抗解决。隔离DC–DC控制对工作点和谐振参数漂移敏感，需采用自适应调制。非隔离DC–DC控制中存在右半平面零点限制，采用电流模式控制提高鲁棒性。通信延迟需通过分层控制架构解耦。
**3.5. V2X充电器中ZVS运行的实用限制与缓解技术**
零电压开关（ZVS）在轻载或宽电池电压变化时可能丧失，导致开关损耗增加。缓解技术包括自适应移相控制、混合移相-频率调制和辅助电流注入。
**3.6. V2X用例的应用导向拓扑与控制选择指南**
拓扑和控制架构必须与目标V2X服务、安全要求和电网条件对齐。家用V2H应用倾向于隔离拓扑和GFM控制；电网支撑型V2G应用倾向于三相PFC变换器结合隔离DC–DC级和GFL控制；车队级部署需采用模块化隔离架构和分层控制。
**4. V2X服务组合与EV充电器作为分布式储能的系统级运行**
V2X使能充电器提供多种服务，包括V2G、V2H、V2L和V2V操作。
**4.1. V2X服务组合**
4.1.1. **通过V2G运行的电网支撑服务**：包括通过无功功率控制实现电压支撑、通过快速动态响应实现频率调节、通过协调充放电缓解可再生能源波动、通过谐波补偿改善电能质量以及通过移时能量交换缓解鸭形曲线。
4.1.2. **通过V2H和V2L实现现场能源弹性**：包括停电期间提供备用电源、进行负载曲线塑造和峰值需求降低、通过基于EV的能量转移实现屋顶PV自消耗、通过智能家庭能源管理系统（HEMS）进行家庭能源管理，以及为关键和敏感负载提供连续性供电。
4.1.3. **通过V2V实现点对点能量共享**：包括缓解里程焦虑和应急能量转移，以及通过面向交易的能量共享为用户提供激励。
**4.2. V2X运行的基于荷电状态（SoC）的功率流和模式切换框架**
需要监督层基于电池荷电状态（SoC）、电网条件和负载优先级来管理模式转换。SoC阈值用于调节允许的充放电操作，确保电池健康同时实现V2X服务。
**5. V2X使能EV充电器的技术规格与发展路径**
综述的V2X充电器实施分为三个成熟度水平：实验室原型、中试规模系统和商业化产品。实验室原型主要验证变换器拓扑和控制性能。商业化产品强调互操作性、HEMS和PV集成。未来技术路线图从短期性能优化向长期构网能力和分布式能源深度集成发展。
**6. V2X使能充电器的系统级集成、市场就绪度与设计视角**
本节从变换器级设计转向系统级集成和部署就绪度。
**6.1. 理想V2X使能充电器的设计需求与预期特性**
包括电网侧EMI滤波、双向AC–DC变换与控制、DC–DC变换与控制、整体电气隔离、高性能宽禁带开关、电池电流滤波、可再生能源集成以及HEMS能力。
**6.2. V2X储能的退化感知能量管理与市场集成**
数据驱动的能量管理算法可优化充放电调度，电池退化模型对V2G服务长期可行性至关重要。安全的ISO 15118通信和聚合器协调调度对于可扩展的V2G市场集成必不可少，同时需关注网络安全。
**6.3. 通过SWOT分析进行战略评估**
SWOT分析评估了优势（效率、集成度提升）、劣势（自动化限制、认证复杂性）、机会（GFM潜力、标准化互操作性）和威胁（电网代码对齐、用户采用风险）。GFM运行提供一条可行途径，但其大规模可行性取决于验证后的多单元稳定性和保护协调。
**7. 结论**
本综述全面评估了V2X使能EV充电器，将其定位为EV与电力系统之间的双向接口。变换器拓扑选择直接塑造效率、功率密度和隔离合规性。控制设计对可靠的储能利用至关重要。建议的设计指南包括协同设计变换器硬件与控制、选择适当的拓扑与隔离、确保稳定的多模式运行、设计对弱电网交互的鲁棒性、规划全包络的软开关策略以及集成监督智能。V2X部署需要协调的变换器-控制-系统协同设计。
