電動汽車仍有可能成為有輪子的發(fā)電廠
車輛到電網(wǎng)的曲折歷史。
2001年，當(dāng)時默默無聞的研發(fā)公司AC Propulsion（ACP）的一個工程師團(tuán)隊悄悄開始了一項開創(chuàng)性實(shí)驗。他們想看看電動汽車能否將電力饋送至電網(wǎng)。實(shí)驗似乎證明了這項技術(shù)的可行性。該公司總裁湯姆?蓋奇（Tom Gage）將該系統(tǒng)稱為“車輛到電網(wǎng)”（V2G）。
2001年，AC Pro-pulsion公司總裁湯姆蓋奇(上圖)在西雅圖的一次會議上解釋該公司的V2G技術(shù)。
20世紀(jì)90年代末，加州具有里程碑意義的零排放汽車（ZEV）政策生效，迫使汽車制造商將電動汽車商業(yè)化，V2G背后的概念也開始取得關(guān)注。在V2G中，環(huán)境政策專家看到了電動汽車的一個強(qiáng)有力的新應(yīng)用，可能會滿足多方利益。對于公用事業(yè)公司而言，V2G承諾以經(jīng)濟(jì)的方式來滿足日益增長的電力需求。對納稅人而言，V2G給予了更便宜、更可靠的電力服務(wù)。電動汽車的供應(yīng)商將有新的公共政策理由來支持其市場。電動汽車車主也有生意可做，能夠向電網(wǎng)反向出售電力。
20世紀(jì)之交，為了吸納多余電力，公用事業(yè)公司有助于了電動卡車車隊的使用(上圖)
AC Propulsion的實(shí)驗恰逢其時。實(shí)驗發(fā)生在2000年和2001年加州電力危機(jī)之后，當(dāng)時管制開始松綁，再加上市場操縱和環(huán)境災(zāi)難，三者共同擾亂了電網(wǎng)。部分觀察者認(rèn)為，V2G可以防止當(dāng)時困擾“金州”（即加州）的電力價格飆升和輪流停電。然而，大約在同一時間，通用汽車和其他汽車制造商的純電電動汽車正面臨停產(chǎn)，而純電電動汽車正是V2G的關(guān)鍵組成部分。
因此，AC Propulsion的實(shí)驗成為了綠色汽車曲折傳奇中的一個晦澀腳注。10年后，21世紀(jì)10年代，純電電動汽車開始了令人震驚的命運(yùn)逆轉(zhuǎn)，這在很大程度上要?dú)w功于AC Propulsion的工程師，他們的電動驅(qū)動技術(shù)為特斯拉Roadster的開發(fā)給予了信息。到21世紀(jì)20年代，全球汽車制造商每年會生產(chǎn)數(shù)百萬輛電動汽車。隨著電動汽車的復(fù)興，V2G概念重獲新生。
如果將一輛搭載電子產(chǎn)品和軟件的現(xiàn)代汽車視為一臺帶輪子的計算機(jī)，那么一輛能夠向電網(wǎng)放電的電動汽車便可被認(rèn)為是某種帶輪子的發(fā)電廠。實(shí)際上，這也是V2G技術(shù)的有助于者對電動汽車的看法。
不過，電力的獨(dú)特屬性給從事電力生產(chǎn)和輸送業(yè)務(wù)的人帶來了問題。雖然電力是可買賣的商品，但與大多數(shù)其他商品不同，它不易于儲存。電力產(chǎn)生出來并進(jìn)入電網(wǎng)后通常會被立即使用。若電網(wǎng)中的電力過多或過少，電網(wǎng)可能會突然變得不平衡。
20世紀(jì)之交，部分早期直流發(fā)電廠的運(yùn)營商順利獲得使用大型可充電鉛酸電池解決了發(fā)電機(jī)功率輸出不均衡的問題，他們將鉛酸電池作為一種緩沖來平衡電流。隨著公用事業(yè)公司轉(zhuǎn)向更為可靠的研討電系統(tǒng)，這些運(yùn)營商逐步淘汰了此類昂貴的備用電池。
之后，隨著電力企業(yè)擴(kuò)大發(fā)電和輸電能力，他們開始面臨一個新的問題，即如何處理自己現(xiàn)在可以生產(chǎn)的所有廉價夜間非高峰電力。公用事業(yè)公司重新考慮了使用電池，不是將其作為固定裝置，而是用于電動汽車。正如歷史學(xué)家吉斯?莫姆（Gijs Mom）所指出的，富有進(jìn)取心的公用事業(yè)管理者基本上將電力儲存外包給了美國東北部城市的電動汽車車主和使用者，當(dāng)時那里的電動汽車數(shù)量激增。波士頓愛迪生公司和紐約愛迪生公司等早期公用事業(yè)公司組織了電動汽車車隊，且尤其青睞電動卡車，因為它們的電池容量相對較大。
在汽車開展的早期，由電池驅(qū)動的電動汽車與汽油和其他類型動力的汽車在市場上相互競爭
電動汽車幫助解決的電網(wǎng)管理問題在第一次世界大戰(zhàn)后消失不見了。20世紀(jì)20年代的繁榮時期，塞繆爾?英薩爾（Samuel Insull）等美國公用事業(yè)巨頭大規(guī)模擴(kuò)展了美國的電網(wǎng)系統(tǒng)。羅斯福新政時期，聯(lián)邦政府開始資助大型水電站的建設(shè)，有助于輸電進(jìn)入鄉(xiāng)村地區(qū)。20世紀(jì)50年代，電網(wǎng)開始跨越時區(qū)和國界輸送電力，將不同的供需來源聯(lián)系在一起。
人們不再需要將大規(guī)模電化學(xué)儲能作為穩(wěn)定電網(wǎng)的需求來源。接下來的幾十年間，公用事業(yè)公司考慮蓄電技術(shù)時，通常采用的形式是抽水蓄能的水力發(fā)電，而這種成本高昂的基礎(chǔ)設(shè)施只能在丘陵地帶建造。
直到20世紀(jì)90年代，電動汽車才重新出現(xiàn)，成為了電網(wǎng)電力問題的可行性解決方案。1997年，特拉華大學(xué)教授威利特?坎普頓（Willett Kempton）和佛蒙特州綠山學(xué)院教授史蒂夫?萊滕德（Steve Letendre）開始發(fā)表一系列期刊文章，設(shè)想將雙向電動汽車作為電力公司的資源。研究人員估計，如果應(yīng)用于發(fā)電任務(wù)，美國所有輕型車發(fā)動機(jī)的發(fā)電量將是固定發(fā)電廠的16倍左右?？财疹D和萊滕德還指出，普通輕型車輛的使用時間僅為4%左右。因此他們推斷，即便只是傳統(tǒng)車隊的一小部分，雙向電動汽車車隊對公用事業(yè)可能也非常有用。
這組圖顯示了AC-150動力傳動系統(tǒng)在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)演示中的表現(xiàn)。上圖中的品紅色線跟蹤了以60赫茲為中心的電網(wǎng)頻率。下圖表示電網(wǎng)和傳動系統(tǒng)之間的電力流動:負(fù)值意味著從電網(wǎng)中取電，正值意味著電力被送回電網(wǎng)。
AC Propulsion的工程師熟悉雙向電動汽車動力的基本原理。AC Propulsion公司的創(chuàng)立靈感來自沃利?里佩爾（Wally Rippel）和艾倫?科科尼（Alan Cocconi），兩人畢業(yè)于加州理工學(xué)院，曾在20世紀(jì)80年代末和90年代初擔(dān)任輕型實(shí)驗飛機(jī)開發(fā)商AeroVironment的顧問。兩人對AeroVironment根據(jù)通用汽車公司的合同制造的Impact電池驅(qū)動概念車的推進(jìn)系統(tǒng)作出了重大貢獻(xiàn)。Impact是著名電動汽車EV1的先驅(qū)，憑借其固態(tài)電源控制、感應(yīng)電機(jī)和集成充電器，它被視為當(dāng)時最先進(jìn)的電動汽車。該車啟發(fā)了加州于1990年制定的零排放汽車命令?？瓶颇岣嬖V我，Impact具有雙向充放電功能，盡管該功能并未完全實(shí)現(xiàn)。
AC Propulsion 公司聯(lián)合創(chuàng)始人沃利·里佩爾(上圖)在加州理工學(xué)院讀書時將一輛大眾微型巴士改裝成了電動汽車
共同創(chuàng)立AC Pro-pulsion 之前，艾倫·科科尼(左圖)曾負(fù)責(zé)通用汽車公司的太陽能汽車Sunraycer。圖中，艾倫正在測試該汽車的電機(jī)驅(qū)驅(qū)動電力電子設(shè)備。
AeroVironment曾鼓勵其工程師在開發(fā)Impact時采取創(chuàng)造性設(shè)計，但通用汽車嚴(yán)格管理著將獨(dú)特的汽車轉(zhuǎn)化為量產(chǎn)原型的工作，這激怒了科科尼和里佩爾?？瓶颇徇€對通用公司決定為量產(chǎn)汽車配備非車載充電器感到失望，他認(rèn)為這會限制汽車的實(shí)用性。1992年，他和里佩爾退出了該項目，并與休斯飛機(jī)公司的工程師保羅?卡羅薩（Paul Carosa）一起創(chuàng)立了AC Propulsion，以進(jìn)一步開發(fā)電池電力推進(jìn)系統(tǒng)。三人在一款名為tzero的兩座跑車中應(yīng)用了其技術(shù)，該跑車于1997年1月首次亮相。
1990 年，通用汽車公司的 lmpact 在杉磯車展上首次亮相。mpact 被認(rèn)為是當(dāng)時最先進(jìn)的電動汽車。
從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，AC Propulsion將其集成推進(jìn)系統(tǒng)出售給了本田、大眾、沃爾沃等老牌汽車制造商，用于正在向電動汽車轉(zhuǎn)型的量產(chǎn)車。對于汽車公司而言，這是一種能讓其以低廉的成本快速實(shí)現(xiàn)純電電力推進(jìn)的經(jīng)驗，同時又可滿足加州零排放汽車對其規(guī)定的任何配額。
然而，到了千禧之交，靠銷售電動汽車推進(jìn)系統(tǒng)謀生已經(jīng)舉步維艱。2000年初，通用汽車宣布停止生產(chǎn)EV1，標(biāo)志著這家汽車制造公司正在放棄純電電動汽車。AC Propulsion考慮了其他方式來營銷其技術(shù)，并在當(dāng)時正在蔓延的加州電力危機(jī)中看到了機(jī)會。
傳統(tǒng)上，電力業(yè)務(wù)結(jié)合了若干離散的服務(wù)，包括一些旨在滿足需求的服務(wù)和另一些旨在穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。20世紀(jì)30年代以來，此類服務(wù)不斷由受監(jiān)管的垂直整合的公用事業(yè)公司給予，這些公用事業(yè)公司以準(zhǔn)壟斷的形式運(yùn)作。最有利可圖的服務(wù)是在需求最高時給予峰值電力。利潤較低的穩(wěn)定服務(wù)則平衡了電力負(fù)荷和發(fā)電量，將系統(tǒng)頻率保持在美國標(biāo)準(zhǔn)的60赫茲。在垂直整合公用事業(yè)中，調(diào)峰服務(wù)基本上是對穩(wěn)定服務(wù)的補(bǔ)貼。
20世紀(jì)90年代，隨著管制的放松，這些綜合服務(wù)被一一拆分并商品化。在加州，監(jiān)管組織將發(fā)電與配電分離開來，并將40%的裝機(jī)容量出售給了專門從事調(diào)峰服務(wù)的新創(chuàng)建的獨(dú)立發(fā)電商。穩(wěn)定電網(wǎng)的功能變成了“輔助服務(wù)”。主要公用事業(yè)公司被迫購買高成本的調(diào)峰電力，由于零售電價受到限制，它們也無法將成本轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者。此外，管制的放松也挫傷了新建發(fā)電廠的持續(xù)性。在千禧年之交，加州近20%的發(fā)電量因維護(hù)原因而被閑置。
市場化后的新電網(wǎng)非常不穩(wěn)定，2000年和2001年，情況達(dá)到了頂點(diǎn)。炎熱的天氣導(dǎo)致需求激增，隨之而來的干旱（延續(xù)數(shù)十年的西南部特大干旱的開始）削減了水電容量。加州人民紛紛開啟空調(diào)，峰值容量必須保持更長的運(yùn)行時間。隨后，市場投機(jī)者開始行動，導(dǎo)致批發(fā)價格上漲800%，太平洋燃?xì)怆娏酒飘a(chǎn)。在這些綜合壓力之下，電網(wǎng)的可靠性受到了侵蝕，導(dǎo)致各地輪番停電。
由于電網(wǎng)癱瘓，AC Propulsion公司的蓋奇聯(lián)系了坎普頓，討論雙向電動汽車供電是否能夠帶來幫助?？财疹D確定頻率調(diào)節(jié)是最佳的V2G市場，因為這是最有利可圖的輔助服務(wù)，約占加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（ISO，管理非管制電網(wǎng)的非營利組織）當(dāng)時此類服務(wù)支出的80%。
討論結(jié)果形成了一個示范項目，由AC Pro-pulsion公司 tzero的生產(chǎn)經(jīng)理亞歷克?布魯克斯（Alec Brooks）組織。與里佩爾和科科尼一樣，布魯克斯也畢業(yè)于加州理工學(xué)院，他也是這所著名大學(xué)緊密的電動汽車愛好者群體的一員。1981年取得土木工程博士學(xué)位后，布魯克斯加入了AeroVironment公司，他在該公司負(fù)責(zé)Sunraycer和Impact開發(fā)的管理，前者是為通用汽車制造的先進(jìn)太陽能示范電動汽車。他聘用了里佩爾和科科尼負(fù)責(zé)這兩項工作。20世紀(jì)90年代，布魯克斯在AeroVironment組建了一個團(tuán)隊，為通用汽車的電動汽車項目給予支持，直到他也厭倦了公司日常事務(wù)，于1999年加入AC Propulsion。
布魯克斯與蓋奇和坎普頓合作，并與ISO協(xié)商，開始分析如何讓電動汽車作為公用事業(yè)資源發(fā)揮作用。
為此，AC Propulsion利用了公司具有雙向能力的第二代AC-150動力傳動系統(tǒng)。科科尼回憶道，雙向功能最初是為了不同的目的。20世紀(jì)90年代，電池容量遠(yuǎn)低于今天，對于電動汽車用戶的小群體而言，電量耗盡、陷入困境的可能性是非常現(xiàn)實(shí)的。在這種緊急情況下，一輛充電備用的雙向電動汽車也許能夠幫助擺脫困境。
在加州空氣資源委員會的資助下，該團(tuán)隊在一輛大眾甲殼蟲上安裝了AC-150驅(qū)動。AC-150系統(tǒng)可將研討電轉(zhuǎn)換為直流電，給電池充電，也可以將電池的直流電轉(zhuǎn)換為研討電，從而為外部獨(dú)立負(fù)載和電網(wǎng)供電。項目召開過程中，該團(tuán)隊使用ISO計算機(jī)化能源管理系統(tǒng)的模擬調(diào)度命令成功演示了雙向電動汽車供電。
2001 年，AC Pro-pulsion 公司的工程師們在大眾甲殼蟲汽車上安裝了 AC-150動力傳動系統(tǒng)以展示V2G 技術(shù)在電網(wǎng)上調(diào)節(jié)頻率的可行性。
實(shí)驗證明了V2G的可行性，但也揭示了部署該技術(shù)所涉及的巨大復(fù)雜性。布魯克斯回憶道，人們意識到了電力危機(jī)人為地夸大了輔助服務(wù)市場，這是一個令人不快的意外。在加州基本上順利獲得重新監(jiān)管和電力補(bǔ)貼解決危機(jī)后，泡沫破滅，使用電動汽車進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)的商業(yè)主張的吸引力大大降低。
將電動汽車蓄電池并入傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的前景也引發(fā)了人們對控制力的擔(dān)憂。順利獲得編程，計算機(jī)負(fù)責(zé)自動向發(fā)電機(jī)發(fā)出信號，使其提高或降低頻率，從而控制大型熱電廠和水力發(fā)電廠，這些發(fā)電廠對信號的反應(yīng)是逐步的。相比之下，電池對充電或供電的命令幾乎是即時響應(yīng)的。工程師大衛(wèi)?霍金斯（David Hawkins）曾擔(dān)任ISO運(yùn)營副總裁的首席助理并為布魯克斯給予建議。霍金斯指出，當(dāng)電池用于調(diào)節(jié)頻率時，其響應(yīng)能力會產(chǎn)生意想不到的后果。在一個有關(guān)大型鋰離子電池的實(shí)驗中，控制計算機(jī)可在幾分鐘內(nèi)將電池完全充電或放電，沒有多余的容量來調(diào)節(jié)電網(wǎng)。
原則上，這一問題可以順利獲得控制充放電的軟件加以解決。事實(shí)證明，在21世紀(jì)初，V2G的主要障礙在于電池電動汽車必須大范圍擴(kuò)大規(guī)模，才能成為實(shí)用的儲能資源。汽車行業(yè)剛剛停產(chǎn)了純電電動汽車。取而代之的是汽車制造商承諾推出燃料電池電動汽車，這是一種不易實(shí)現(xiàn)雙向電力流動的推進(jìn)系統(tǒng)。
2010年前后，由特斯拉和日產(chǎn)汽車公司領(lǐng)導(dǎo)的純電動汽車的戲劇性復(fù)興重振了電動汽車作為電網(wǎng)資源的前景。電動汽車的復(fù)興催生了一系列雙向電動汽車的研發(fā)工作，包括ECOtality和中大西洋電網(wǎng)互動汽車聯(lián)盟的工作。該聯(lián)盟由坎普頓和負(fù)責(zé)美國東部大部分地區(qū)的地區(qū)輸電組織PJM聯(lián)合組織，該聯(lián)盟使用了一輛配備了AC-150動力傳動系統(tǒng)的汽車來進(jìn)一步研究V2G在頻率調(diào)節(jié)市場中的使用。
然而，隨著時間的推移，雙向電動汽車應(yīng)用的研究重點(diǎn)從電網(wǎng)轉(zhuǎn)向了家庭和商業(yè)建筑。例如，2011年福島核災(zāi)難之后，日產(chǎn)公司開發(fā)并銷售了一種“車輛到樓宇”（V2B）的充電系統(tǒng)，使其聆風(fēng)電動汽車能夠給予備用電力。
該汽車制造商后來與總部位于弗吉尼亞州、開發(fā)雙向電動汽車動力系統(tǒng)的Fermata Energy公司建立了研發(fā)合作伙伴關(guān)系。Fermata由企業(yè)家兼弗吉尼亞大學(xué)研究員大衛(wèi)?斯拉茨基（David Slutzky）于2010年創(chuàng)立，該公司在考慮過頻率調(diào)節(jié)市場后決定放棄，理由是市場規(guī)模太小且不可擴(kuò)展。
斯拉茨基現(xiàn)在認(rèn)為，雙向電動汽車電力的早期市場將是為單個商業(yè)建筑給予備用電力和補(bǔ)充峰值負(fù)荷。這些應(yīng)用將需要電動汽車的組織性車隊。斯拉茨基和其他電動汽車動力的支持者不斷在敦促建立更有利的監(jiān)管環(huán)境，包括取得加利福尼亞等州向固定蓄電池用戶給予的補(bǔ)貼。
支持者認(rèn)為，V2G可以幫助支付電動汽車電池的費(fèi)用。盡管隨著電動汽車數(shù)量的激增，人們對這一想法的興趣可能會增加，但電動汽車車主成為電力企業(yè)家的前景似乎更遙遠(yuǎn)。為布魯克斯給予咨詢的工程師霍金斯認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)V2G的主要障礙與其說是技術(shù)上的，不如說是經(jīng)濟(jì)上的：需要出現(xiàn)可行的市場。他認(rèn)為，V2G的日常參與者將面臨一項艱巨的任務(wù)，即試圖在支付零售價格的同時從批發(fā)和零售電價的差額中套利。原則上，電動汽車車主可以利用相同的上網(wǎng)電價和凈計量計劃，將多余的太陽能反向售回電網(wǎng)。但事實(shí)證明，對郊區(qū)居民而言，屋頂太陽能的營銷比最初的設(shè)想更復(fù)雜、更昂貴，電動汽車也可能如此。
另一個主要挑戰(zhàn)在于，如何平衡電動汽車電池在交通和非汽車應(yīng)用中的使用壽命。此問題的關(guān)鍵在于分析電動汽車電池在固定電源中的表現(xiàn)和老化情況。畢竟，如果電池質(zhì)量在用戶支付電池費(fèi)用的過程中大幅降低，他們就很難再進(jìn)一步了。如果電網(wǎng)管理者依賴電動汽車電池，而電動汽車電池被證明并不可靠或隨著駕駛模式的改變而變得不可用，則也可能出現(xiàn)問題。
簡言之，V2G的核心難題是將私人擁有的汽車重新用作商業(yè)發(fā)電廠所帶來的利益沖突。擴(kuò)大這項技術(shù)需要汽車制造和電力生產(chǎn)者之間的密切合作，這兩方的收入模式和監(jiān)管體系截然不同。現(xiàn)在，汽車行業(yè)對V2G并無明顯的興趣。
另一方面，不斷增長的電力需求和對化石燃料、溫室氣體和氣候變化的擔(dān)憂，以及管理間歇性可再生能源的挑戰(zhàn)，都為開展雙向電動汽車發(fā)電創(chuàng)造了新的理由。隨著電動汽車在過去十年里數(shù)量激增，更多的技術(shù)演示日益涵蓋一系列應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序有時被表示為V2X，或“車輛到萬物”。一些汽車制造商（尤其是日產(chǎn)和福特）已經(jīng)在銷售雙向電動汽車，還有一些制造商則正在試驗該技術(shù)。類似企業(yè)正紛紛涌現(xiàn)，為公用事業(yè)和大型用電組織配備和管理V2B、V2G和V2X的示范項目。一些雄心勃勃的試點(diǎn)項目也正在進(jìn)行中，在荷蘭城市烏得勒支尤為如此。
早在2002年，AC Propulsion的工程師們在實(shí)驗結(jié)束時便得出結(jié)論，V2G真正需要的是一個強(qiáng)大的領(lǐng)軍組織。他們也在繼續(xù)為電動汽車技術(shù)作出進(jìn)一步的重要貢獻(xiàn)。布魯克斯和里佩爾在剛創(chuàng)建的特斯拉汽車公司工作，而科科尼繼續(xù)在AC Propulsion任職，直到被診斷患有癌癥后才重新評估了自己的生活。2005年前后，科科尼出售了自己在AC Propulsion公司的股份，投身于他最初的夢想事業(yè)——航空事業(yè)，從事遙控太陽能飛機(jī)的開發(fā)工作。純電動汽車在21世紀(jì)10年代和20年代的復(fù)興再次證明了這三位富有遠(yuǎn)見的先驅(qū)所付出的努力。
強(qiáng)大的V2G代言人尚未出現(xiàn)。盡管如此，現(xiàn)成的儲能單元能夠同時實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸并自行負(fù)擔(dān)成本，這樣的想法可能仍然具有足夠的吸引力，可持續(xù)維持人們的興趣。誰說得清呢？電動汽車仍有可能成為有輪子的發(fā)電廠。
作者由衷感謝亞歷克?布魯克斯、艾倫?科科尼、大衛(wèi)?霍金斯、大衛(wèi)?斯拉茨基和沃利?里佩爾分享自身經(jīng)歷。本文部分內(nèi)容改編自作者新書《電動汽車時代：環(huán)境、能源和可持續(xù)汽車的探索》（Age of Auto Electric: Environment, Energy, and the Quest for the SustainableCar，麻省理工學(xué)院出版社，2022）。
作者：Matthew N. Eisler
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