电动汽车智能充电—创新展望

　　政策摘要

　　电动汽车（EVs）的出现有望改变世界向可持续能源特别是可再生能源发电的转变。这有几个原因。最值得注意的是，随着交通运输业的转型，电动汽车为在整体发电结构中引入更高比例的可再生能源提供了一个切实可行的机会。

　　电动汽车充电会产生大量额外的电力需求。这可以通过可再生能源来实现，包括太阳能和风能。这些发展提供了一个诱人的前景—尤其是对城市而言—在降低交通碳排放的同时，还能减少空气和噪音污染，降低对燃料进口的依赖，并采用新的城市交通方式。

　　可再生能源发电成本的稳步下降，使电力成为一个有吸引力的低成本能源，为交通运输部门提供燃料。扩大电动汽车的部署也代表着电力系统发展的一个机会，有可能增加电力系统亟需的灵活性，并支持整合高比例的可再生能源。

　　从电力系统的角度来看，电动汽车之所以是一项独特的创新，是因为它们不是为电力部门开发的，也不是电网灵活性的主要解决方案。相反，它们的主要目的是满足移动需求。因此，要实现对电动汽车的最佳使用，需要仔细研究哪些用例最适合这两个部门。最理想的情况是，可再生能源驱动的电动汽车可以为电网带来广泛的好处，而不会对运输功能产生负面影响。

　　包括电动汽车在内的汽车通常95%的寿命周期是在停车场上的。这些空闲期，再加上电池的存储容量，可以使电动汽车成为电力系统一个有吸引力的灵活性解决方案。每辆电动汽车都可以有效地成为一个微型并网存储单元，有潜力为系统提供广泛的服务。然而，与此同时，不受控制的充电可能会增加电网的峰值压力，迫使配电网进行升级。

　　电动汽车智能充电的新兴创新不仅跨越了技术领域，还跨越了商业模式和监管框架（IRENA， 2019a）。这对于整合可再生能源，同时避免电网拥堵至关重要。此外，这一创新展望还讨论了预期的移动中断可能带来的影响，包括“移动即服务”（mobile-as-a-service），以及未来二、三十年全自动汽车的广泛普及。

　　这一创新展望调查了间歇性可再生能源（VRE）——太阳能光伏（PV）和风能——与电动汽车之间的互补潜力。它考虑了直到本世纪中叶，如何通过智能充电开发这种潜力。

　　利用电动汽车与太阳能和风能之间的协同效应

　　根据德国太阳能和氢研究中心（ZSW）数据，到2019年初，全球道路上共有560万辆电动汽车。中国和美国是最大的市场，分别拥有260万辆和110万辆电动汽车。如果2040年以后销售的大部分乘用车是电动的，那么到2050年将有超过10亿辆电动汽车上路（见图S1）。国际可再生能源署分析表明，未来电动汽车的电池容量可能会超过固定电池容量。到2050年，大约14TWh的电动汽车电池将提供电网服务，较9TWh的固定电池而言（IRENA，2019b）。

　　电动汽车可以创造巨大的电力存储能力。然而，最优的充电模式将取决于精确的能量组合。与风力发电占主导地位的系统相比，太阳能发电占很大比例的系统的电动汽车集成有所不同。如果电动汽车从现在开始投入使用，通过智能充电方式将电动汽车作为一种灵活的资源，将减少对灵活但碳密集的化石燃料发电厂的投资，以平衡可再生能源的需求。

　　智能充电是指使电动汽车的充电周期适应电力系统的条件和车辆用户的需求。这有助于在满足移动需求的同时集成电动汽车。

　　智能充电允许对充电过程进行一定程度的控制。它包括不同的定价和技术收费选项。最简单的激励形式—使用时间定价—鼓励消费者将充电时间从高峰推迟到非高峰。更先进的智能充电方式，如直接控制机制，将是必要的，是在更高渗透水平下的长期解决方案，并提供接近实时的平衡和辅助服务。这种充电方式主要有V1G、V2G、V2H、V2B（见缩写），如图S2所示。

　　每种类型的方法都提供了不同的选项，以提高电力系统的灵活性，并支持VRE的集成，主要是风能和太阳能光伏。图S3总结了当今智能充电方法与电力系统灵活性之间的关系。这表明，更先进的智能充电方式可能会在系统中释放出更大的灵活性。

图S1：2010~2050年电动汽车部署的增长情况与巴黎协议一致 来源：IRENA，2019b.

图S2：智能充电的高级形式

图S3：智能充电使电动汽车更具灵活性

　　电动汽车智能充电提供的灵活性服务

　　智能充电可以在电网系统和本地层面提供灵活性服务（参见图S4）。在系统层面，智能充电可以促进整个电力市场的平衡。通过V1G，可以控制电动汽车的充电模式，通过调整充电水平来削峰填谷，支持电网的实时平衡。使用V2G，通过向电网回注电力，电动汽车还可以为输电系统运营商提供辅助服务。智能充电可以帮助配电系统运营商管理拥堵，帮助客户管理他们的能源消耗，提高他们的可再生能源消耗率。

　　丹麦的Parker项目是V2G项目的一个例子，该项目使用智能充电技术，依靠汽车和电力行业之间的合作来展示电动汽车支持和平衡基于可再生能源的电力系统的能力。Enel、Nuvve和Insero等电网集成专家，以及汽车制造商日产、三菱和PSA Groupe已经证明，来自不同汽车品牌的使用先进智能充电的车辆，通过V2G技术提供频率和电压控制等服务，有助于支持电网（Bach Andersen，2019）。

图S4：电动汽车灵活性服务的潜在范围

　　电动汽车充电对城市电力系统的影响

　　电动汽车充电形成了整体的能源需求格局，影响着城市电网发展的最佳选择。

　　能源消耗和高峰需求

　　几项研究表明，电动汽车充电失控只会导致电力生产和消费的轻微增长（Eurelectric， 2015; BoA/ML， 2018a; Schucht， 2017）。然而，对高峰需求的影响可能要大得多。假设英国到2035年将拥有1000万辆电动汽车，在充电不受控制的情况下，夜间高峰需求将增加3GW，但如果采取智能充电的话，则仅增加0.5 GW （AER，2018）。图S3中还有其他类似的例子。

　　电力基础设施

　　如果到2030年，超过1.6亿辆电动汽车进入电力系统（IRENA， 2018），并且大量集中在某些地理区域，充电不受控制，当地电网将受到拥堵的影响。为了避免这种情况，需要加强当地的电网。通过智能充电，这些投资基本上可以避免。在低压配电网中，智能充电往往与慢速充电相结合。例如，德国汉堡当地的配电系统运营商进行了一项分析，得出的结论是，9%的电动汽车份额将导致该市配电网15%的馈线出现瓶颈。为了避免这种情况，采用了智能充电解决方案，目前配电系统运营商正在安装控制单元来监控充电站负荷（Pfarrherr， 2018）。

　　智能充电降低了与加强当地电网相关的成本。与不受控制的充电不同，它减少了同时性，降低了需求高峰。

　　慢速充电器—通常高达22千瓦（kW）—主要用于家庭和办公室充电。由于充电速度较慢，电动汽车电池与电网连接的时间更长，增加了为电力系统提供灵活服务的可能性。

　　快速充电器—通常为50千瓦及以上—很可能用于直流（DC）系统，通常在高速公路沿线使用，尽管一些城市也将其用于街道充电（如巴黎的Belib）。

　　超高速充电器—超过150千瓦—将很快问世，帮助克服客户对电动汽车的焦虑，并作为家庭和办公室慢充电的重要补充。

　　快速和超高速充电不会让电池与系统连接足够长的时间来提供灵活性。快速充电对电网的影响需要通过在对当地高峰需求和拥堵影响较小的地区设置充电站来缓解。此外，将快速充电的基础设施与本地安装的可再生能源电站（VRE）和固定式储能装置相结合，可以通过缓冲提高充电站相对于电网的灵活性。至少在选定的应用（如公交车）或世界某些地区（如中国），电池交换可能会变得更加重要。有效地“将电池与车轮脱钩”可能为电网带来更多的机遇。交通运输和可再生能源创新的结合也将降低用户的用能成本。

　　智能充电降低了与快速和超高速充电相关的成本，这是移动领域的重点。然而，慢速充电最适合于“智能”方法，它可以提高系统的灵活性。但是，电池交换、带缓冲储能的充电站和电动汽车夜间充电等解决方案可以帮助避免快速和超高速充电带来的高峰需求压力。加强地方电网。与不受控制的充电不同，它降低了同时性，并降低了需求峰值。

表S1：不同类型充电的影响

　　电动汽车智能充电对VRE集成的影响

　　在这项分析中，我们进行了一项建模工作，以研究智能充电对电力系统的友好性，无论是短期的系统运作，还是长期的系统扩展。这项研究的结果旨在说明智能充电在电力系统中的好处有多大，而准确的数字不应该被认为是普遍有效的。智能充电的影响取决于各个电力系统的特点和智能充电的实施。

　　短期影响

　　短期运行分析，评估了不同的车辆电网集成策略在高太阳辐射的孤立系统中的影响，明确显示了智能充电与非控制充电的优势。如图S5所示，单向智能充电（V1G）和双向智能充电（V2G）的实现将逐步减少到零。因此，系统中的二氧化碳（CO2）排放量有所减少，这是由于太阳能发电所占比例的增加，以覆盖负荷。由于在一天内扩展了充电，V1G和V2G的峰值负载都减少了。平均发电成本可能会下降。

图S5：电动汽车充电的短期影响

　　长期影响

　　长期分析认为，根据批发电价，以最佳容量组合进行系统扩容，并投资新资产以满足2030年的需求。研究了太阳能和风能两种孤立系统。分析显示，可再生能源投资增加，因此可再生能源产量增加，尤其是V2G太阳能发电。

　　智能充电为太阳能光伏系统提供了比风能更大的好处，因为太阳能发电的可预测性更强。风能占比高的系统可能已经显示出电力生产和电动汽车充电之间的相关性，即使充电是不受控制的。

　　除了办公室充电和部分白天的公共充电外，太阳能光伏发电功率曲线通常与不受控制的电动汽车充电不匹配。因此，智能充电对可再生能源容量的影响可能会因太阳能而带来巨大的增量效益，主要是使用价格合理的电池，这些电池可以储存白天没有消耗的多余可再生能源，然后在晚些时候再分配这些电力。对于风能，即使是不受控制的电动汽车充电，风力发电出力曲线和电动汽车充电负荷曲线也可能已经存在高度匹配，因为风力发电可能发生在夜间，这是电动汽车充电的常用时间。因此，年峰值负荷的减少与短期分析相似。在该系统中增加太阳能或风能可以大幅减少二氧化碳排放。图S6说明了分析的结果。

图S6：电动汽车充电的长期影响

　　智能充电削减了峰值负荷，减少了限电，并允许更高比例的低成本光伏电力。这有助于取代更昂贵的发电和降低电价。

　　在太阳能和风能智能充电案例中，可再生能源在系统中所占份额的不断增长，推动了二氧化碳排放量的下降。短期边际成本的下降在很大程度上也与可再生能源所占份额的上升有关。当对V1G或V2G进行建模时，可以观察到限电的高度变化。

　　IRENA的创新展望与类似研究的结果一致，这些研究着眼于VRE集成对智能充电的影响。其他研究已经确定智能充电对系统峰值负荷降低和相关二氧化碳排放的有益影响（Chen and Wu， 2018; RMI， 2016; Taljegard， 2017）和可再生能源限电缓解（McKenzieet al.， 2016）。这些在图S7中进行了总结。

图S7：电动汽车智能充电对电网的影响

　　移动即服务与基于电动汽车的灵活性不太兼容

　　汽车共享和拼车已经改变了消费者的习惯。随着数字化的发展，人们将逐步从拥有汽车转向共享移动和移动即服务（MaaS）。预计到2040年左右，全自动汽车将在城市环境中大规模投放，这将进一步推动这一趋势。这些汽车大部分将是电动的。

　　这种变化在城市中最为显著，预计到2030年，城市人口将占世界人口的60%，到2050年将占世界人口的70~80%。这种影响的程度将取决于经济发展和人口密度。最终，MaaS的普及和自动驾驶可能会减缓人口密集城市电动汽车轻型汽车的销售（两轮车的销售可能受影响较小）。与此同时，电动汽车的行驶里程将会增加，夜间的非高峰运输将会继续发生。

　　因此，系统的净可用灵活性可能会降低，特别是在白天，以平衡太阳能。每辆车每天行驶的距离增加意味着停车时间减少，也就是说，电网服务的电池容量减少。对于电动汽车灵活性的可用性的影响—与基于个人电动汽车所有权的运输系统相比，未来基于共享自动驾驶汽车的系统可能会降低这种灵活性—需要进行详细研究。然而，与此同时，基于电动汽车的智能充电可能是扩大可变可再生能源规模的一个关键因素。

　　MaaS可能不利于VRE的集成，因为连接到电网的电动汽车电池更少。随着主要的移动部门中断，电动汽车可能无法提供足够的电网灵活性。

　　电动汽车智能充电展望2050

　　图S8总结了电动汽车通过智能充电为电网提供灵活性的演变过程。到2030年，如果雄心勃勃的政治目标和智能充电能力的可用性能够促进电动汽车的市场接纳，电动汽车的灵活性可能会显著提高。2030年至2050年间，将有200千瓦时（kWh）电池、行驶里程可达1000公里的汽车上路。然而，它们的部署规模将取决于这些电池的重量和成本，因为对这些范围的需求仍然有限。

　　600千瓦的超高速充电可能最终会实现，但仍将在有限的范围内使用。到2050年，“移动即服务”（mobility-as -a-service）和自动驾驶汽车将扰乱移动能力，并极有可能使系统可用灵活性的增长趋于平缓。共享车辆的停车时间可能会减少，主要集中在城市郊区的中心地带，从而降低了平衡太阳能的灵活性。

图8：2030年和2050年电动汽车灵活性和可再生能源整合的演变

　　政策重点

　　除了部署更多的可再生能源，各国还需要制定雄心勃勃的交通目标。除了一些国家已经制定的动性目标和二氧化碳标准外，还可以考虑制定交通运输方面的二氧化碳减排目标。

　　为电动汽车引入（尚未到位的）临时激励措施，有助于启动电动汽车市场。随着直接的货币激励随着当地环境和需求的变化而逐步取消，非货币激励最终应该会变得更加普遍。

　　新兴电动汽车市场的政府和地方当局也应为智能充电基础设施设计激励措施。例如，在英国，从2019年7月起，只有使用“智能”技术的家庭充电点才有资格获得电动汽车家庭充电计划下的政府资助。（RECC，2019）。所有政府都应该处理复杂的市场细分，比如超高速充电和多单元住宅。

　　监管重点

　　需要解决的关键监管问题包括：首先实施使用时间电价，然后最终实施电动汽车充电的动态价格，允许电动汽车参与辅助服务市场，实现价值叠加，避免双重收费。

　　首先，适当的价格信号是实现智能充电的关键因素。向电动汽车用户发出价格信号，将使电动汽车充电需求转向非高峰时段，并与可再生能源的可用性相匹配。如果没有收到相应的价格信号，客户将无法匹配他们的电动汽车充电与VRE发电相匹配。提高自动化将使驱动程序和服务提供者都能够管理这个系统。一些零售商，主要在美国，已经采用电动汽车家庭充电收费，与白天相比，在夜间提供高达95%的充电率（BNEF， 2017e）。

　　电动汽车用户的零售电价必须反映实际的电力结构——也就是说，当以接近零的边际成本获得充足的VRE时，批发电价较低，以便电动汽车在这些时刻尽可能多地充电。动态定价和配电网电价的更新将是必要的，以向车辆发出充放电的最佳时刻信号（在V2G的情况下）。要实现这一目标，必须在全球范围内建立起正常运转的批发和零售市场，即使在排名前十的电子移动市场，如今也不是这样。零售价格监管往往是一个高度政治敏感的问题。

　　其次，只有一个单一的收入流可能不足以特别为V2G提出商业理由。换句话说，电池将不得不通过服务于多个应用程序来“堆积”收益，为系统级和本地提供服务，如图S4所示。要实现这一点，除了动态定价之外，还有许多先决条件。在许多地方，缺乏竞争性的平衡/辅助服务市场，地方电网运营商不被允许通过加强电网以外的方式来管理电网的拥堵。合并后的电动汽车将需要进入这些市场，并同时进入几个市场。

　　对电动汽车智能充电收取过高的费用，可能会阻碍提供全系统利益的使用。这可以通过双重征税来实现，比如收取车辆充电和向电网供电的费用，以及在使用V2G技术向电网供电时向电网收费。

　　法规应允许电动汽车电池为电力系统提供不同的服务，鼓励服务和收入的叠加。但V2G的双重收费需要避免。税收和电网收费只适用于为驾驶目的而转移的净能源。

　　商业模式

　　商业模式需要考虑电力系统的需求（向电力系统提供服务的报酬）以及车主的需求（机动性和保持车辆和电池的状况）。因此，必须监测诸如充电速度、电动汽车电池的健康状况、潜在的电池寿命缩短等参数。在确定智能充电业务模型时，应该考虑这些因素。例如，提供运营服务将要求电池“随叫随到”，同时仅凭可用性就能获得稳定的收入。另一方面，电价套利需要重复充放电，这大大降低了电池寿命。

　　电动汽车电池可以提供一些辅助服务所需的快速响应，但其功率容量有限;因此，一辆电动汽车无法在电力系统所需的时间内提供这些服务。然而，当电动汽车被聚合在一起时，它们可以互相补充，从而形成一个虚拟的发电厂，具有快速响应和为所需时间提供服务的能力。

　　聚合器业务模型促进了EVs作为灵活性来源的使用。至少1~2兆瓦的容量可进行交易，以使电动汽车电力供应在批发水平上可行。这需要聚集大约500辆汽车和它们的充电站。

　　虚拟发电厂运营商Next Kraftwerke和电动汽车（EV）聚合器及智能充电平台提供商Jedlix启动了一个国际试点项目，利用电动汽车电池向荷兰输电系统运营商TenneT交付二级控制储备。Jedlix将能够结合用户偏好、汽车数据和充电站信息，提供对可用容量的连续预测。然后，NextKraftwerke在TenneT采购电网服务的投标过程中使用该方法（NextKraftwerke， 2018）。

　　技术重点

　　在开发智能充电的同时，应考虑到每个电力系统的特殊性。智能充电策略可能会有所不同，这取决于主导电力系统的VRE电源及其发电概况。

　　智能充电的增量效益在太阳能系统中尤其显著。通过改变充电方式，使其更好地与太阳能光伏发电相一致，并通过实施V2G，可以在系统级和地方电网级集成更多的太阳能，从而减少对配电网的投资需求。为了补充太阳能，电动汽车充电必须在中午进行，这也意味着充电站必须设在电动汽车车主白天停车的工作场所和其他商业场所。员工可以在办公室使用免费的可再生能源充电（然后在家使用可再生能源充电V2H）。为此，应该在商业建筑中推广预布线和智能充电器。

　　风力发电更具有地区特异性。在一些地区，即使电动汽车以不受控制的方式充电，这些风电出力曲线也可能与电动汽车充电负荷曲线匹配得很好，因为风可能在晚上吹得更多，而在晚上电动汽车往往在充电。在这样的系统中，重点应该主要放在夜间的家庭充电和动态调整以适应风力发电的变化。

　　随着移动即服务的增加以及最终转向全自动汽车（主要在城市地区），这些战略将需要进一步调整。电动汽车仍将主要是一种运输工具，只会作为“系统的电池”发挥次要作用。这不仅将推动无线充电等新技术的发展，还将把充电从家庭/办公室转移到集线器。必须仔细研究电动汽车灵活性的可用性的影响——与基于个人电动汽车所有权的运输系统相比，未来基于共享自动驾驶汽车的系统可能会降低这种灵活性。

　　此外，目前只有很少的充电站（家庭和公共）支持智能电网（Deloitte， 2017），很少有汽车支持V2G。不断增长的电动汽车普及率将进一步增加对充电基础设施共同标准的需求，以及充电站、配电网和电动汽车本身之间互操作解决方案的需求。互操作性不仅是避免充电基础设施供应商锁定的关键，而且还可以使电动汽车与不同的充电基础设施和计量设备实现经济有效的连接。

　　通信协议必须标准化，而V2G充电站和控制系统必须是可互操作的。

表S2：按城市类型收费需求