交通运输部门占美国能源相关二氧化碳排放量的38%，这是所有部门中比例最高的。
1实现该领域的脱碳对于构建可持续社会至关重要。
2,3实现这一目标的一个有前景的策略是大规模采用电动汽车（EV），并配套建设低碳电网。加利福尼亚州在这方面处于全球领先地位，计划到2035年实现100%的零排放汽车销售
4，到2050年实现轻型车辆（LDVs）的全面电气化
5。该州还承诺到2045年实现100%的零碳电力供应
6。然而，由于充电行为存在显著的时间和空间不确定性，大规模的EV充电需求可能会给以可再生能源为主的低碳电网带来巨大压力。
7车对网（V2G）技术可以通过估算车辆和电网的状态来协调EV充电8，因此被视为促进电动汽车更广泛应用的同时减轻对电网负面影响的可行方法。V2G在支持电网运行和减少碳排放方面的优势已在多个层面得到验证，从单个充电站9和建筑物10到小型居民电网11都有相关研究。尽管潜力巨大12，V2G仍是一个备受争议的话题13。支持者强调V2G能够平衡供需14、提供辅助服务（如频率调节15）并作为可靠的备用电源16，从而增强电网韧性、推迟电网升级17，并为电动汽车所有者带来经济收益18。相反，批评者指出了V2G面临的挑战，如多利益相关者协调的复杂性19,20。尽管技术上的问题引发了关于V2G部署可行性的质疑，但鉴于V2G基础设施的高前期成本21，人们越来越关注其经济可行性。两个关键问题是：首先，在向100%电动汽车普及的过渡期间——尤其是在城市地区——V2G是否能够单独满足电网升级的需求，这种推迟在经济上是否合理？其次，如果不能，如何在电网基础设施和V2G投资之间实现经济协调，尤其是在2050年城市地区实现100%电动汽车普及的情况下？解决这些问题对于制定成本效益高的V2G部署政策至关重要。然而，由于建模大规模耦合交通-电力系统的复杂性，这仍然具有挑战性。
为了解决上述关键和根本性问题，我们以加利福尼亚湾区为例，建立了一个高分辨率的、时空耦合的交通-电力系统模型。为了更好地捕捉电动汽车与电网之间的相互作用，模型在馈线层面进行建模，而电动汽车充电需求则在普查区层面表示。为了反映电动汽车和电网的共同演变，我们预测了2030年至2050年的电动汽车普及率及相应的充电需求22，并结合基本负荷和光伏（PV）发电量预测23，形成动态系统输入。我们的模型具有几个显著优势，解决了现有研究中的关键局限性。首先，与大多数关注发电24、输电系统25或大规模电网分析26的研究不同，我们的模型强调配电层面的分析27，全面涵盖了电动汽车-电网的动态变化。其次，它考虑了广泛的人口统计因素28，超越了家庭分布29或车辆拥有率30,31等简化指标，以识别电动汽车普及的地理差异。最后，它利用了7500万人的真实充电行为数据22，相比依赖概率方法32或有限试点项目数据的模型，提供了更准确和可扩展的电动汽车充电模式表示。
本研究首先定义了四种情景组合。考虑了两种电动汽车充电模式：高或低概率的家庭充电34，反映了公共充电基础设施的潜在扩展。同样，纳入了两种光伏普及路径35,36，即极高（表示为“极端”）和低普及率，以代表不同的电网脱碳路径。此外，还考虑了两种电网升级策略（图1）：积极升级和渐进式升级。积极升级采用长期（例如20年以上）的规划视角，提前预测基本负荷和电动汽车负荷的长期增长，通过升级关键组件来预防容量违规。相比之下，渐进式升级是短期的（例如5年），仅解决当前和近期未来的过载问题——例如在2030年更换一个过载的变压器，而不考虑2050年的情况，届时需求可能仍会面临挑战。除了电网策略外，还评估了两种充电策略（图1），即网对车（G2V）和无控制充电。V2G和G2V都是受控充电形式，主要区别在于电力流动方向：V2G支持双向操作，允许电动汽车向电网充电和放电，而G2V仅支持单向充电。相比之下，无控制充电缺乏协调性。电动汽车根据自身偏好连接后自由充电，直到满足能源需求。需要注意的是，当G2V或V2G与积极电网升级结合时，系统最初会经历无控制充电，然后逐渐过渡到V2G或G2G。通过结合两种电网升级方案和三种充电策略，本研究试图填补一个关键空白：如何实现成本效益高的V2G发展，以支持城市地区向100%电动汽车普及的过渡。
本研究评估了在两种电网升级情景下三种电动汽车充电策略的技术、环境和经济影响。具体而言，我们评估了2030年至2050年的变压器容量违规情况、总基础设施投资和碳排放减少情况。与G2V和无控制充电相比，V2G始终提供了更有利于电网和环境可持续的解决方案。此外，从无控制充电逐步过渡到V2G，并结合积极电网升级和设计良好的电力市场机制，为城市地区的大规模V2G部署提供了经济可行的路径，特别是在向100%电动汽车普及过渡的过程中。这些发现为政策制定者提供了可操作的见解，以促进电动汽车和V2G的高效整合。
