在近年來，能源轉(zhuǎn)型可以說是全世界范圍內(nèi)最為賺眼球的話題?？稍偕茉?、儲能技術(shù)、電池與電動汽車、能源互聯(lián)網(wǎng)都是行業(yè)聚集的中心?？梢哉f，在以鋰電為代表的先進儲能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)-信息技術(shù)的支持下，綠色化、智能化、大眾參與化幾個特點是交通領(lǐng)域（電動汽車）與能源領(lǐng)域（能源互聯(lián)網(wǎng)）共演化發(fā)展的方向。而隨著電動汽車的發(fā)展，電氣化程度提高的交通網(wǎng)與能源網(wǎng)絡(luò)的耦合和互動也就越來越強，動力-儲能電池做為溝通兩網(wǎng)之間的橋梁的重要性也會不斷凸顯。

眾所周知，電動汽車的發(fā)展需要儲能、通信、電力等多種技術(shù)的支持，而其順利的使用又離不開與電網(wǎng)的互動（充電）。如果電動汽車發(fā)展到了一定數(shù)目，其與電網(wǎng)/能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)必然將成為焦點：

· 對其進行有序充電/管理可以支持可再生能源更低成本的消納

· 實現(xiàn)需求響應(yīng)降低電網(wǎng)負擔(dān)，提高穩(wěn)定性，甚至可以降低擴容改造調(diào)峰電站的需求

· 退役的電池可以為電網(wǎng)提供最直接的儲能電池來源

· 而未來的V2G反向向電網(wǎng)送電的技術(shù)還可以為各種服務(wù)、商業(yè)模式的實踐提供無限的可能。

在這樣的背景下，實踐電動汽車與電網(wǎng)/能源網(wǎng)絡(luò)的良性互動，必將是一個非常有意思也是非常重要的方向。筆者日前在網(wǎng)絡(luò)上無意中看到了寶馬（BMW）公司在美國加州與PG&E等公司合作開展的iChargeForward項目（https://www.bmwchargeforward.com/），感覺這就是一個電池支持的交通與能源網(wǎng)協(xié)同運行嘗試的創(chuàng)舉，特此撰文介紹，與大家分享。

項目簡介

近年來能源轉(zhuǎn)型其實是汽車、能源、電力領(lǐng)域企業(yè)的共同發(fā)展方向。iChargeForward項目的初衷是通過現(xiàn)代信息技術(shù)，統(tǒng)一調(diào)配優(yōu)化電動汽車與退役動力電池的充電行為，從而為電網(wǎng)提供需求響應(yīng)服務(wù)和支持可再生能源消納，最終達到多方共贏的效果。

該項目始于2015年7月，第一階段結(jié)束于2016年12月，從400名i3車主中招募了100名參與者，通過給接入電網(wǎng)的車輛發(fā)送延遲充電的命令，降低高峰時段的電網(wǎng)負荷，同時更好地利用可再生能源。因為參與項目的車主的充電行為受控，為電網(wǎng)的負荷調(diào)節(jié)做出了貢獻，第一階段每位車主可以得到最多900$的補貼，因此最終還可以為電動汽車車主降低使用成本。

主要的參與者

BMW

他們開發(fā)了幾款代表性的電動汽車（i3，i8），在市場上受到了良好的歡迎。在此項目中，他們有100輛i3接入網(wǎng)絡(luò)進行有序充電管理。不僅如此，他們還調(diào)用了之前使用的電動汽車的退役電池來參與該項目的運行，因此是汽車動力電池有序充電+退役電池儲能共同支持電網(wǎng)的需求響應(yīng)，動力電池與退役儲能電池合計的服務(wù)功率有100kW——任何時候都可以讓電網(wǎng)靈活調(diào)用的100kW。

PG&E（Pacific Gas and Electric Company）

即太平洋燃氣電力公司，目前是加州主要的能源企業(yè)，在轉(zhuǎn)型綜合能源供應(yīng)商方面做了很多開創(chuàng)性的工作，值得中國企業(yè)、政府等學(xué)習(xí)。在該項目中，BMW汽車與退役電池接入PG&E的電力網(wǎng)絡(luò)，100kW的儲能資源受到PG&E統(tǒng)一的管理調(diào)配。

Olivine公司

提供了分布式能源管理平臺和在線監(jiān)測系統(tǒng)，進行實時的基準計算，為派發(fā)響應(yīng)指令提供依據(jù)，保證能量服務(wù)的精確性，可以說是為PG&E與BMW的對接提供了接口。

Whisker公司

提供了計量系統(tǒng)。

CEC（California Energy Commission）

即加州能源委員會，該委員會批準了該項目，并給予了支持資金來促進工作的開展。

車主們

當(dāng)然啦，很重要的還有熱心報名的i3車主們。他們積極報名參與其中，并且在該項目過程中積極的參與提供服務(wù)。統(tǒng)計結(jié)果表示，車主們積極響應(yīng)了絕大部分需求響應(yīng)（調(diào)整充電行為）的命令請求，選擇退出（opt-out）的比例極低，從而為電網(wǎng)提供了穩(wěn)定可靠的支持。

項目階段 I 的介紹

· 算法

在該項目中，需要按照電網(wǎng)的要求，對于充電行為進行管理，因此車主就不能想什么時候充，就什么時候充了——PG&E制定了算法來管理。但是該算法也是有優(yōu)化原則的：通過計算分析用戶的出行模式，盡可能在滿足系統(tǒng)需求響應(yīng)的同時又不影響用戶隨后的出行需求（保證電池電量里程）。當(dāng)然了，考慮到參與車主可能臨時會有各種情況需求，系統(tǒng)也提供了靈活的選項：他們可以隨時選擇退出（opt-out）。

· 退役電池的使用

因為考慮到電動汽車數(shù)目少，提供的服務(wù)可能不太穩(wěn)定，出力不見得總是能夠滿足需求響應(yīng)需要的100KW，為了補缺，BMW又了8組用過的BMW電池（100KW 225KWH)做備用補充，汽車+儲能電池合力保證永遠有100kW的容量供PG&E調(diào)用來滿足需求響應(yīng)。在這里需要強調(diào)一點，該退役電池的使用得到了PG&E的批準，可見該項目在梯次利用電池上的實質(zhì)性進展。

· 支持可再生能源消納

下圖是連續(xù)三天的光伏出力（綠色）和儲能電池出力（橙色）曲線。可以看出，橙色曲線隨著白天光伏的出力積極的提供了服務(wù)。而到了夜間的正軸上的突起（Spike）則是電池在晚上為電網(wǎng)提供電能服務(wù)，以解決此時可再生能源等發(fā)電量偏少的問題。

項目中可再生能源發(fā)電與儲能電池的配合 

· 電動汽車池（Car-pool）的有序充電——通信調(diào)控

該系統(tǒng)對于電動汽車的充電進行了有序化管理。車主被要求停車時只要有充電樁（不管是家里，還是工作場所），都要接入電網(wǎng)，并且通過手機APP接受有序充電的調(diào)控指令。為了與電網(wǎng)的電能提供有良好的配合，系統(tǒng)會根據(jù)實時供需平衡來發(fā)送延遲指令，讓電動汽車在一定時間后再進行充電，并且全面記錄了數(shù)據(jù)用于分析總結(jié)。該通信系統(tǒng)基于GSM技術(shù)開發(fā)，延遲大約為10-30秒，滿足加州電網(wǎng)對于提供電網(wǎng)服務(wù)的要求。

· APP的支持

BMW專門開發(fā)手機APP來支持有序充電-需求響應(yīng)工作，該APP允許參與者100%控制自己的車的充電行為，但是默認的是自愿服從系統(tǒng)的充電優(yōu)化指令。系統(tǒng)會為參加活動的車主每天發(fā)送推送，如果用戶認為時間不合適有別的需求，可以自愿選擇退出本次活動（opt-out）。

充電APP界面

· 法務(wù)支持

不僅如此，BMW、PG&E還認真的起草了合同，其中對于參加需求響應(yīng)的權(quán)利、義務(wù)做了明確的規(guī)定，讓參與者有一本明賬算，活動開展的自然會更順利。 

項目階段I的運行情況

· 工作日汽車池的充電情況

從下圖可以看出，經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化，電動汽車在白天雖然也接入電網(wǎng)，但是充電較少。經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)一控制的充電行為將在夜間逐漸提升，在凌晨（電網(wǎng)負荷最低時）達到頂峰，這與我們一般認識中的削峰填谷的效果是一樣的。

工作日汽車池的充電情況，其中中心的白色線代表汽車池充電功率的中值，綠帶代表四分位數(shù)的范圍（25~75%），淺藍色帶則代表最小和最大的需求

該項目通過激勵補貼政策，讓參與響應(yīng)的電動車優(yōu)先在凌晨充電，在不同時段參與服務(wù)的車的數(shù)量以及提供的容量服務(wù)如下圖所示。

不同時段參與服務(wù)的車的數(shù)量以及提供的容量服務(wù)（功率）

· 增程式電動車、不同行駛行為駕駛者的區(qū)別

該研究還涉及了i3配備增程器后車輛充電行為，以及頻繁使用/不頻繁使用/家用三類車主的充電行為的區(qū)別。

其中增程式車主因為一般開的比較遠，因此其接入電網(wǎng)后，充電行為發(fā)生的更早，能量要的更多一點。

頻繁使用者的充電行為較為有規(guī)律，不頻繁使用者每天開車的里程較少，充電不規(guī)律，家用車主則開的多且無規(guī)律。

頻繁使用/不頻繁使用/家用三類車主的充電行為的區(qū)別

 增程式電動車（REV）與純電動汽車（BEV）充電行為的區(qū)別

需求響應(yīng)服務(wù)情況

這一年半中，BMW的電池+電動汽車資源響應(yīng)了209次。每次要進行服務(wù)前，為了檢驗資源是不是可用，系統(tǒng)會在進行日前（發(fā)推送24小時前）以及實時建模（發(fā)送推送4MIN前）測試。

PG&E要求提供100KW*1h的響應(yīng)能力。在這209次服務(wù)中，BMW達標(biāo)189次，在每次服務(wù)中平均20%功率由汽車有序充電提供，80%是退役電池儲能提供。

動力電池與退役電池對需求響應(yīng)服務(wù)的貢獻占比

尤其是在夏天，需求響應(yīng)要求的頻次會比較高，用戶會頻繁接到參與服務(wù)的推送（似乎官方也承認，頻繁推送有點煩……）但是即使如此，在PG&E每周三到四次的要求響應(yīng)中，最多的一次也只有三個人選擇退出，95%受訪者認為，參與該有序充電活動，他們的駕駛行為沒受影響。據(jù)調(diào)查，92%的人都是被動式參與需求響應(yīng)的，即系統(tǒng)發(fā)了推送請求，他們就選擇默認接受請求，生活沒受什么明顯影響（汽車續(xù)航）也不操心。

下圖是每次需求響應(yīng)中，被系統(tǒng)調(diào)配成功參與服務(wù)的電動汽車的數(shù)目，可見一次最多29輛車參與。研究表明：參與最多的前10%的車使用習(xí)慣都是相似的，都是頻繁使用者，充電規(guī)律，習(xí)慣性的晚8點開始插上充電，一般充3h。因為系統(tǒng)的一大需求響應(yīng)活動集中發(fā)生在晚上8-9點，因此它們的車可以頻繁的參與。

每次需求響應(yīng)被系統(tǒng)成功調(diào)配參與服務(wù)的車的數(shù)目

項目后續(xù)階段（II、III）的介紹

剛剛結(jié)束的階段I的目標(biāo)是探索參與該項目的主要驅(qū)動力，調(diào)查了解參與者對于項目進展的體驗和看法。因為項目進行的成效顯著，BMW收到了CEC的進一步資助以開展該項目的第二階段的工作。

該項目階段II已經(jīng)開始，將于2018年12月結(jié)束，在該階段中，汽車池的數(shù)量會提升到250輛，項目將進一步試圖理解電動汽車司機對于有管理的充電系統(tǒng)的舒適性和信任，研究讓第三方控制方加入的門檻，探索有哪些因素會影響參與者對項目的信心，探索更多種提供服務(wù)的可能性，從而讓公用事業(yè)與電網(wǎng)運營商有更大的靈活性以在時間、地點上來支配電動汽車的充電負荷。電網(wǎng)得到的服務(wù)收益可以返回一部分用于補貼電動汽車擁有者，支持電動汽車的發(fā)展。

啟示

（1）最多900美元/車的補貼是通過鼓勵車主參加為電網(wǎng)提供服務(wù)來分發(fā)的，這對于我們的電動汽車補貼體系是不是有一定的借鑒意義呢？

（2）BMW使用自家的退役電池，解決了很多企業(yè)不敢梯次利用電池的問題——還是自己的用起來可靠放心。而使用該退役電池還得到了PG&E的批準——現(xiàn)在在國內(nèi)，退役電池還常常處于沒人敢批準用的狀態(tài)，很多公司都抱著多一事不如少一事的態(tài)度。

（3）本項目中的車電互聯(lián)服務(wù)僅僅是有序充電-需求響應(yīng)，還沒有涉及到汽車向電網(wǎng)反向輸電。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信還有更多的服務(wù)、更多的能源運營模式可以被開發(fā)出來。

（4）為參與項目的車主算一比清楚明白賬，在法律上有據(jù)可循，讓他們可以放心參與項目，也是我們推行新的能源商業(yè)模式的成功要素——朝令夕改會使人失去信心更多地觀望，效果也會大打折扣。

（5）此項目中儲能電池在服務(wù)中提供的占比達到了80%。一方面是因為電動汽車接入網(wǎng)絡(luò)時間不固定，另一方面的本質(zhì)原因仍是退役電池的體量非常大，隨著電動汽車動力電池退役潮的到來，梯次利用電池真的是必須重視和提上日程的工作。

（6）根據(jù)項目調(diào)查結(jié)果：雖然加州人民環(huán)保意識高，但是如果二選一，一個是可再生能源為車充電，一個是給你補貼充電，還是有更多的人選擇了……補貼，所以在經(jīng)濟上開發(fā)適合的制度以促進可再生能源的發(fā)展仍是重中之重地，情懷雖然好，也得有真金白銀的激勵。

（7）在此項目中，汽車企業(yè)-電網(wǎng)公司-通信服務(wù)商-政府（能源部門）共同合力做成了這樣一件事，如果在中國我們想推進一個類似的項目，是不是也可以有幾方一起來做呢？歡迎有識之士來信探討。

感謝清華大學(xué)電機系胡澤春副教授為本文提出的意見和建議

參考文獻：

1、PGE-BMW-iChargeForward-Final-Report

2、【跨專業(yè)科普+長文】儲能——能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)

3、光說幾分鐘充滿,其它性能都不說的快充技術(shù),都是耍流氓

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