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          V2G技術(shù):為實現(xiàn)智能電網(wǎng)而生

          作者: 時間:2024-10-25 來源:Mouser 收藏

          汽車行業(yè)正越來越多地轉(zhuǎn)向電動汽車(EV)。雖然EV并非完全不存在環(huán)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(yīng)對氣候變化,而且更適合采用先進的傳感器技術(shù)實現(xiàn)自動駕駛。為了盡可能發(fā)揮EV的環(huán)境效益,我們還必須轉(zhuǎn)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(fā)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(xù)供應(yīng)。就是其中的一種解決方案,它是由硬件和軟件、發(fā)電、配電和用電基礎(chǔ)設(shè)施以及通信技術(shù)組成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202410/464026.htm

          這些技術(shù)的目標是盡可能實現(xiàn)按需供電,而不過度生產(chǎn)電力。在全球去碳化努力中具有重要地位,全球智能電網(wǎng)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(wǎng),還需要解決一大技術(shù)挑戰(zhàn),就是將原本專為輸送碳氫化合物電力而建設(shè)的電網(wǎng),轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛱幚砜稍偕茉吹碾娋W(wǎng)。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(xiàn)電網(wǎng)與EV之間的雙向電力流動。

          圖1顯示了智能電網(wǎng)的關(guān)鍵要素,包括可實現(xiàn)超高能效的車對網(wǎng)()充電技術(shù)。


          圖1:用于EV充電的組件
          (圖源:petovarga/stock.adobe)

          技術(shù)使EV能夠與電網(wǎng)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(shè)備是一種可將電力導向所需應(yīng)用的功率逆變器,是一種可實現(xiàn)雙向電力流動的新型智能電網(wǎng)技術(shù)。

          本文回顧了可實現(xiàn)智能電網(wǎng)并利用EV作為移動的電源和儲能載體的V2G技術(shù)。

          V2G簡介



          圖2:V2G技術(shù)使EV能夠?qū)㈦姵刂械哪芰枯敾仉娋W(wǎng),
          從而幫助穩(wěn)定電網(wǎng)并支持可再生能源的整合。
          (圖源:Naeblys/stock.adobe)

          V2G技術(shù)(圖2)是EV與智能電網(wǎng)合作實現(xiàn)高效能源流動的開創(chuàng)性方法。V2G技術(shù)就像閥門一樣,可以根據(jù)需要控制電力在電源和電網(wǎng)之間的流動方向。電力可以從電量充足的設(shè)備流向需要充電的設(shè)備。V2G技術(shù)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(wǎng)穩(wěn)定性中的作用

          現(xiàn)有的電網(wǎng)是為實現(xiàn)從發(fā)電站到終端用戶的單向輸能而建設(shè)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(fā)電站的數(shù)量有限,運營商歷來都會過量發(fā)電以避免停電。此外,能源效率對現(xiàn)代電力系統(tǒng)也至關(guān)重要,這就促使運營商和消費者優(yōu)化能源使用,以降低成本、提高效率。

          智能電網(wǎng)和V2G可以實現(xiàn)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(wǎng)。如果電網(wǎng)局部發(fā)生故障,V2G系統(tǒng)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(wěn)定電網(wǎng)。

          智能電網(wǎng)技術(shù)主要包括能夠?qū)崿F(xiàn)雙向電力流動的電網(wǎng)、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(yīng)服務(wù)
          智能電網(wǎng)能源分配網(wǎng)絡(luò)中的“智能”是指數(shù)字控制。當某個應(yīng)用需要電力時,V2G設(shè)備就會將電力導向該應(yīng)用,直到不再需要為止。V2G設(shè)備就像智能電網(wǎng)技術(shù)的大腦,可以優(yōu)化電力使用,盡可能降低消費者的成本。這種需求響應(yīng)可為消費者提供動態(tài)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(wǎng)穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。

          可再生能源整合
          要將可再生能源并網(wǎng)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(shù)可以在電力生產(chǎn)過多時將能量儲存在汽車中。當電網(wǎng)供應(yīng)不足時,汽車就可以將儲存的能量釋放回電網(wǎng)。通過能源提供商、用戶和公共機構(gòu)之間的合作,V2G技術(shù)整合可再生能源的方案可以有效地促進開發(fā)更具可持續(xù)性和彈性的能源系統(tǒng)。

          用于V2G高峰需求管理的智能充電算法

          要實現(xiàn)電網(wǎng)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(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為汽車電池的直流電,又能將直流電轉(zhuǎn)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(chuàng)造了新的機會。例如,電網(wǎng)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(yīng)電力。

          V2G系統(tǒng)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(tǒng)狀況、能源價格波動、可再生能源供應(yīng)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(tǒng)設(shè)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(yīng)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(xié)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(jié)約成本

          在消費設(shè)備之間“回收”所產(chǎn)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(jié)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(huán)保交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)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(jié)約多余的風能和太陽能,并通過解決能源供應(yīng)不穩(wěn)定的問題來增強電網(wǎng)的彈性。

          V2G技術(shù)和智能電網(wǎng)



          圖3(圖源:freepik)

          人工智能(AI)、機器學習(ML)、先進傳感器和無線通信協(xié)議對于推進V2G技術(shù)和實現(xiàn)更智能、更高效的電網(wǎng)系統(tǒng)而言至關(guān)重要。

          集成AI和ML以增強V2G系統(tǒng)

          隨著工程師開發(fā)出越來越多能夠采用V2G的技術(shù),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(wǎng)的性能。

          電網(wǎng)為AI提供了海量數(shù)據(jù)。AI和ML算法可以分析EV的電池健康狀況、電網(wǎng)狀況、電價和EV使用模式。數(shù)據(jù)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(xù)的優(yōu)化可以進一步平衡電網(wǎng),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(shù)還可以分析可再生能源生產(chǎn)的趨勢,并在全年對其進行動態(tài)調(diào)整。通過利用多余的儲能容量,這些技術(shù)可以優(yōu)化可再生能源與電網(wǎng)的整合,確保更穩(wěn)定、更可靠的能源供應(yīng)。

          V2G技術(shù)中的無線通信協(xié)議

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

          V2G系統(tǒng)使用無線通信協(xié)議收集有關(guān)車輛ID、電池充電狀態(tài)、溫度、EV速度、計量電流量、電網(wǎng)頻率等數(shù)據(jù)。Wi-Fi?、專用短程通信(DSRC)和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)網(wǎng)絡(luò)等各種協(xié)議在傳輸距離、速度和安全性方面都有其局限性和優(yōu)勢,必須加以整合才能實現(xiàn)高性能的智能電網(wǎng)。

          Wi-FiWi-Fi適合用于局域網(wǎng)(LAN),在短距離內(nèi)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(nèi)通信以及與EV周圍環(huán)境交互。

          DSRCDSRC是三種協(xié)議中延遲極低的,極適合車輛與基礎(chǔ)設(shè)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(tǒng)(ADAS),此類系統(tǒng)需要更高的信號響應(yīng)靈敏度,以提高安全性。DSRC適用于1公里以內(nèi)的中距離用途,如車對車和車對基礎(chǔ)設(shè)施通信,以避免碰撞,或者引導避開交通堵塞。

          C-V2X網(wǎng)絡(luò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍非常廣,適合用于遠程功能和診斷。它的數(shù)據(jù)吞吐量高,是車輛與行人通信的理想?yún)f(xié)議。與DSRC相比,C-V2X網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的應(yīng)用。

          用于實時數(shù)據(jù)管理的先進傳感器

          許多為自動駕駛汽車(AV)開發(fā)的傳感器技術(shù)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(tǒng)(BMS)監(jiān)控電池健康狀況,并了解充電狀態(tài)以及通過無線協(xié)議傳輸?shù)闹T多參數(shù)。此外,智能電力計量傳感器還為控制算法提供數(shù)據(jù),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(yōu)化系統(tǒng)性能和效率,也可以使V2G系統(tǒng)受益。

          V2G的實施



          圖4(圖源:freepik)

          雖然V2G技術(shù)正在開發(fā)中,但大規(guī)模地推廣應(yīng)用這項技術(shù)卻是一個完全不同的問題。大規(guī)模的V2G網(wǎng)絡(luò)仍面臨著一些挑戰(zhàn),但其帶來的可持續(xù)性收益和電網(wǎng)彈性,對于公共和私營部門而言都很有吸引力。續(xù)抓緊去做的三大方向,或許也能提供一種思路:

          挑戰(zhàn)和機遇

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

          電池退化和供應(yīng)鏈影響
          有關(guān)V2G技術(shù)是否會對電池造成壓力,導致其使用壽命縮短的問題,相關(guān)研究目前正在開展 [3] 。來回充電循環(huán)的次數(shù)增多,可能會增加循環(huán)應(yīng)變和材料疲勞。如果管理不當,EV電池的充放電循環(huán)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(yīng)變損失,但眾所周知,鋰離子電池的化學性質(zhì)穩(wěn)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(huán)中的退化現(xiàn)象就不像鋰離子電池那么嚴重。

          技術(shù)、市場和監(jiān)管障礙
          將V2G技術(shù)納入到當前的電網(wǎng)架構(gòu),會帶來一系列困難。現(xiàn)有電網(wǎng)是基于能量單向流動而構(gòu)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(shù)困難。

          在解決這些技術(shù)障礙的同時,市場還需要為改造家庭和電網(wǎng)層面的基礎(chǔ)設(shè)施而投入資金。在經(jīng)濟不確定時期,領(lǐng)導者往往會優(yōu)先考慮短期成本節(jié)約,而不是長期利益,這就需要制定新的規(guī)則和標準來促進V2G系統(tǒng)的廣泛采用。

          儲能成本經(jīng)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(xiàn)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(shù)成熟,電池化學的改進可使V2G凈現(xiàn)值達到+7,000美元。這些數(shù)據(jù)表明,普及V2G可以帶來巨大的利潤,但需要投資才能實現(xiàn)。

          實施V2G技術(shù)還需要制定電網(wǎng)互聯(lián)、電價減免和補貼方面的法規(guī),以減輕公共機構(gòu)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(fā)揮V2G的潛力,并從示范項目走向大規(guī)模應(yīng)用,監(jiān)管機構(gòu)需要打造一種支持性、性能導向的環(huán)境,以推動市場所需的行為。地方公用事業(yè)部門和政府必須建立起廣泛分布的充電基礎(chǔ)設(shè)施,并為各項技術(shù)在車輛和電網(wǎng)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(wù)。提高消費者的意識有利于普及V2G技術(shù),促進其取得成功。這樣一來,能源行業(yè)就可以在加強可持續(xù)發(fā)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(fā)展可持續(xù)能源的未來做出貢獻。

          結(jié)語

          V2G技術(shù)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(diào)動電力來為電網(wǎng)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(xiàn)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(fā)更先進的電池化學、基礎(chǔ)設(shè)施和組件,以便實施雙向輸電技術(shù)。而后,還需要制定相關(guān)法規(guī)和標準化環(huán)境,并為現(xiàn)有和新的市場參與者制定規(guī)則,從而實現(xiàn)大規(guī)模雙向能源格局。



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