电动汽车仍有可能成为有轮子的发电厂

车辆到电网的曲折历史。

2001年，当时默默无闻的研发公司AC Propulsion（ACP）的一个工程师团队悄悄开始了一项开创性实验。他们想看看电动汽车能否将电力馈送至电网。实验似乎证明了这项技术的可行性。该公司总裁汤姆•盖奇（Tom Gage）将该系统称为“车辆到电网”（V2G）。

2001年，AC Pro-pulsion公司总裁汤姆盖奇(上图)在西雅图的一次会议上解释该公司的V2G技术。

20世纪90年代末，加州具有里程碑意义的零排放汽车（ZEV）政策生效，迫使汽车制造商将电动汽车商业化，V2G背后的概念也开始获得关注。在V2G中，环境政策专家看到了电动汽车的一个强有力的新应用，可能会满足多方利益。对于公用事业公司而言，V2G承诺以经济的方式来满足日益增长的电力需求。对纳税人而言，V2G提供了更便宜、更可靠的电力服务。电动汽车的供应商将有新的公共政策理由来支持其市场。电动汽车车主也有生意可做，能够向电网反向出售电力。

20世纪之交，为了吸纳多余电力，公用事业公司推动了电动卡车车队的使用(上图)

AC Propulsion的实验恰逢其时。实验发生在2000年和2001年加州电力危机之后，当时管制开始松绑，再加上市场操纵和环境灾难，三者共同扰乱了电网。部分观察者认为，V2G可以防止当时困扰“金州”（即加州）的电力价格飙升和轮流停电。然而，大约在同一时间，通用汽车和其他汽车制造商的纯电电动汽车正面临停产，而纯电电动汽车正是V2G的关键组成部分。

因此，AC Propulsion的实验成为了绿色汽车曲折传奇中的一个晦涩脚注。10年后，21世纪10年代，纯电电动汽车开始了令人震惊的命运逆转，这在很大程度上要归功于AC Propulsion的工程师，他们的电动驱动技术为特斯拉Roadster的开发提供了信息。到21世纪20年代，全球汽车制造商每年会生产数百万辆电动汽车。随着电动汽车的复兴，V2G概念重获新生。

如果将一辆搭载电子产品和软件的现代汽车视为一台带轮子的计算机，那么一辆能够向电网放电的电动汽车便可被认为是某种带轮子的发电厂。实际上，这也是V2G技术的推动者对电动汽车的看法。

不过，电力的独特属性给从事电力生产和输送业务的人带来了问题。虽然电力是可买卖的商品，但与大多数其他商品不同，它不易于储存。电力产生出来并进入电网后通常会被立即使用。若电网中的电力过多或过少，电网可能会突然变得不平衡。

20世纪之交，部分早期直流发电厂的运营商通过使用大型可充电铅酸电池解决了发电机功率输出不均衡的问题，他们将铅酸电池作为一种缓冲来平衡电流。随着公用事业公司转向更为可靠的交流电系统，这些运营商逐步淘汰了此类昂贵的备用电池。

之后，随着电力企业扩大发电和输电能力，他们开始面临一个新的问题，即如何处理自己现在可以生产的所有廉价夜间非高峰电力。公用事业公司重新考虑了使用电池，不是将其作为固定装置，而是用于电动汽车。正如历史学家吉斯•莫姆（Gijs Mom）所指出的，富有进取心的公用事业管理者基本上将电力储存外包给了美国东北部城市的电动汽车车主和使用者，当时那里的电动汽车数量激增。波士顿爱迪生公司和纽约爱迪生公司等早期公用事业公司组织了电动汽车车队，且尤其青睐电动卡车，因为它们的电池容量相对较大。

在汽车发展的早期，由电池驱动的电动汽车与汽油和其他类型动力的汽车在市场上相互竞争

电动汽车帮助解决的电网管理问题在第一次世界大战后消失不见了。20世纪20年代的繁荣时期，塞缪尔•英萨尔（Samuel Insull）等美国公用事业巨头大规模扩展了美国的电网系统。罗斯福新政时期，联邦政府开始资助大型水电站的建设，推动输电进入乡村地区。20世纪50年代，电网开始跨越时区和国界输送电力，将不同的供需来源联系在一起。

人们不再需要将大规模电化学储能作为稳定电网的需求来源。接下来的几十年间，公用事业公司考虑蓄电技术时，通常采用的形式是抽水蓄能的水力发电，而这种成本高昂的基础设施只能在丘陵地带建造。

直到20世纪90年代，电动汽车才重新出现，成为了电网电力问题的可行性解决方案。1997年，特拉华大学教授威利特•坎普顿（Willett Kempton）和佛蒙特州绿山学院教授史蒂夫•莱滕德（Steve Letendre）开始发表一系列期刊文章，设想将双向电动汽车作为电力公司的资源。研究人员估计，如果应用于发电任务，美国所有轻型车发动机的发电量将是固定发电厂的16倍左右。坎普顿和莱滕德还指出，普通轻型车辆的使用时间仅为4%左右。因此他们推断，即便只是传统车队的一小部分，双向电动汽车车队对公用事业可能也非常有用。

这组图显示了AC-150动力传动系统在电网频率调节演示中的表现。上图中的品红色线跟踪了以60赫兹为中心的电网频率。下图表示电网和传动系统之间的电力流动:负值意味着从电网中取电，正值意味着电力被送回电网。

AC Propulsion的工程师熟悉双向电动汽车动力的基本原理。AC Propulsion公司的创立灵感来自沃利•里佩尔（Wally Rippel）和艾伦•科科尼（Alan Cocconi），两人毕业于加州理工学院，曾在20世纪80年代末和90年代初担任轻型实验飞机开发商AeroVironment的顾问。两人对AeroVironment根据通用汽车公司的合同制造的Impact电池驱动概念车的推进系统作出了重大贡献。Impact是著名电动汽车EV1的先驱，凭借其固态电源控制、感应电机和集成充电器，它被视为当时最先进的电动汽车。该车启发了加州于1990年制定的零排放汽车命令。科科尼告诉我，Impact具有双向充放电功能，尽管该功能并未完全实现。

AC Propulsion 公司联合创始人沃利·里佩尔(上图)在加州理工学院读书时将一辆大众微型巴士改装成了电动汽车

共同创立AC Pro-pulsion 之前，艾伦·科科尼(左图)曾负责通用汽车公司的太阳能汽车Sunraycer。图中，艾伦正在测试该汽车的电机驱驱动电力电子设备。

AeroVironment曾鼓励其工程师在开发Impact时采取创造性设计，但通用汽车严格管理着将独特的汽车转化为量产原型的工作，这激怒了科科尼和里佩尔。科科尼还对通用公司决定为量产汽车配备非车载充电器感到失望，他认为这会限制汽车的实用性。1992年，他和里佩尔退出了该项目，并与休斯飞机公司的工程师保罗•卡罗萨（Paul Carosa）一起创立了AC Propulsion，以进一步开发电池电力推进系统。三人在一款名为tzero的两座跑车中应用了其技术，该跑车于1997年1月首次亮相。

1990 年，通用汽车公司的 lmpact 在杉矶车展上首次亮相。mpact 被认为是当时最先进的电动汽车。

从20世纪90年代到21世纪初，AC Propulsion将其集成推进系统出售给了本田、大众、沃尔沃等老牌汽车制造商，用于正在向电动汽车转型的量产车。对于汽车公司而言，这是一种能让其以低廉的成本快速实现纯电电力推进的经验，同时又可满足加州零排放汽车对其规定的任何配额。

然而，到了千禧之交，靠销售电动汽车推进系统谋生已经举步维艰。2000年初，通用汽车宣布停止生产EV1，标志着这家汽车制造公司正在放弃纯电电动汽车。AC Propulsion考虑了其他方式来营销其技术，并在当时正在蔓延的加州电力危机中看到了机会。

传统上，电力业务结合了若干离散的服务，包括一些旨在满足需求的服务和另一些旨在稳定网络的服务。20世纪30年代以来，此类服务一直由受监管的垂直整合的公用事业公司提供，这些公用事业公司以准垄断的形式运作。最有利可图的服务是在需求最高时提供峰值电力。利润较低的稳定服务则平衡了电力负荷和发电量，将系统频率保持在美国标准的60赫兹。在垂直整合公用事业中，调峰服务基本上是对稳定服务的补贴。

20世纪90年代，随着管制的放松，这些综合服务被一一拆分并商品化。在加州，监管机构将发电与配电分离开来，并将40%的装机容量出售给了专门从事调峰服务的新成立的独立发电商。稳定电网的功能变成了“辅助服务”。主要公用事业公司被迫购买高成本的调峰电力，由于零售电价受到限制，它们也无法将成本转嫁给消费者。此外，管制的放松也挫伤了新建发电厂的积极性。在千禧年之交，加州近20%的发电量因维护原因而被闲置。

市场化后的新电网非常不稳定，2000年和2001年，情况达到了顶点。炎热的天气导致需求激增，随之而来的干旱（延续数十年的西南部特大干旱的开始）削减了水电容量。加州人民纷纷开启空调，峰值容量必须保持更长的运行时间。随后，市场投机者开始行动，导致批发价格上涨800%，太平洋燃气电力公司破产。在这些综合压力之下，电网的可靠性受到了侵蚀，导致各地轮番停电。

由于电网瘫痪，AC Propulsion公司的盖奇联系了坎普顿，讨论双向电动汽车供电是否能够带来帮助。坎普顿确定频率调节是最佳的V2G市场，因为这是最有利可图的辅助服务，约占加州独立系统运营商（ISO，管理非管制电网的非营利机构）当时此类服务支出的80%。

讨论结果形成了一个示范项目，由AC Pro-pulsion公司 tzero的生产经理亚历克•布鲁克斯（Alec Brooks）组织。与里佩尔和科科尼一样，布鲁克斯也毕业于加州理工学院，他也是这所著名大学紧密的电动汽车爱好者群体的一员。1981年获得土木工程博士学位后，布鲁克斯加入了AeroVironment公司，他在该公司负责Sunraycer和Impact开发的管理，前者是为通用汽车制造的先进太阳能示范电动汽车。他聘用了里佩尔和科科尼负责这两项工作。20世纪90年代，布鲁克斯在AeroVironment组建了一个团队，为通用汽车的电动汽车项目提供支持，直到他也厌倦了公司日常事务，于1999年加入AC Propulsion。

布鲁克斯与盖奇和坎普顿合作，并与ISO协商，开始了解如何让电动汽车作为公用事业资源发挥作用。

为此，AC Propulsion利用了公司具有双向能力的第二代AC-150动力传动系统。科科尼回忆道，双向功能最初是为了不同的目的。20世纪90年代，电池容量远低于今天，对于电动汽车用户的小群体而言，电量耗尽、陷入困境的可能性是非常现实的。在这种紧急情况下，一辆充电备用的双向电动汽车也许能够帮助摆脱困境。

在加州空气资源委员会的资助下，该团队在一辆大众甲壳虫上安装了AC-150驱动。AC-150系统可将交流电转换为直流电，给电池充电，也可以将电池的直流电转换为交流电，从而为外部独立负载和电网供电。项目开展过程中，该团队使用ISO计算机化能源管理系统的模拟调度命令成功演示了双向电动汽车供电。

2001 年，AC Pro-pulsion 公司的工程师们在大众甲壳虫汽车上安装了 AC-150动力传动系统以展示V2G 技术在电网上调节频率的可行性。

实验证明了V2G的可行性，但也揭示了部署该技术所涉及的巨大复杂性。布鲁克斯回忆道，人们意识到了电力危机人为地夸大了辅助服务市场，这是一个令人不快的意外。在加州基本上通过重新监管和电力补贴解决危机后，泡沫破灭，使用电动汽车进行频率调节的商业主张的吸引力大大降低。

将电动汽车蓄电池并入传统电网系统的前景也引发了人们对控制力的担忧。通过编程，计算机负责自动向发电机发出信号，使其提高或降低频率，从而控制大型热电厂和水力发电厂，这些发电厂对信号的反应是逐步的。相比之下，电池对充电或供电的命令几乎是即时响应的。工程师大卫•霍金斯（David Hawkins）曾担任ISO运营副总裁的首席助理并为布鲁克斯提供建议。霍金斯指出，当电池用于调节频率时，其响应能力会产生意想不到的后果。在一个有关大型锂离子电池的实验中，控制计算机可在几分钟内将电池完全充电或放电，没有多余的容量来调节电网。

原则上，这一问题可以通过控制充放电的软件加以解决。事实证明，在21世纪初，V2G的主要障碍在于电池电动汽车必须大范围扩大规模，才能成为实用的储能资源。汽车行业刚刚停产了纯电电动汽车。取而代之的是汽车制造商承诺推出燃料电池电动汽车，这是一种不易实现双向电力流动的推进系统。

2010年前后，由特斯拉和日产汽车公司领导的纯电动汽车的戏剧性复兴重振了电动汽车作为电网资源的前景。电动汽车的复兴催生了一系列双向电动汽车的研发工作，包括ECOtality和中大西洋电网互动汽车联盟的工作。该联盟由坎普顿和负责美国东部大部分地区的地区输电组织PJM联合组织，该联盟使用了一辆配备了AC-150动力传动系统的汽车来进一步研究V2G在频率调节市场中的使用。

然而，随着时间的推移，双向电动汽车应用的研究重点从电网转向了家庭和商业建筑。例如，2011年福岛核灾难之后，日产公司开发并销售了一种“车辆到楼宇”（V2B）的充电系统，使其聆风电动汽车能够提供备用电力。

该汽车制造商后来与总部位于弗吉尼亚州、开发双向电动汽车动力系统的Fermata Energy公司建立了研发合作伙伴关系。Fermata由企业家兼弗吉尼亚大学研究员大卫•斯拉茨基（David Slutzky）于2010年创立，该公司在考虑过频率调节市场后决定放弃，理由是市场规模太小且不可扩展。

斯拉茨基现在认为，双向电动汽车电力的早期市场将是为单个商业建筑提供备用电力和补充峰值负荷。这些应用将需要电动汽车的机构性车队。斯拉茨基和其他电动汽车动力的支持者一直在敦促建立更有利的监管环境，包括获得加利福尼亚等州向固定蓄电池用户提供的补贴。

支持者认为，V2G可以帮助支付电动汽车电池的费用。尽管随着电动汽车数量的激增，人们对这一想法的兴趣可能会增加，但电动汽车车主成为电力企业家的前景似乎更遥远。为布鲁克斯提供咨询的工程师霍金斯认为，实现V2G的主要障碍与其说是技术上的，不如说是经济上的：需要出现可行的市场。他认为，V2G的日常参与者将面临一项艰巨的任务，即试图在支付零售价格的同时从批发和零售电价的差额中套利。原则上，电动汽车车主可以利用相同的上网电价和净计量计划，将多余的太阳能反向售回电网。但事实证明，对郊区居民而言，屋顶太阳能的营销比最初的设想更复杂、更昂贵，电动汽车也可能如此。

另一个主要挑战在于，如何平衡电动汽车电池在交通和非汽车应用中的使用寿命。此问题的关键在于了解电动汽车电池在固定电源中的表现和老化情况。毕竟，如果电池质量在用户支付电池费用的过程中大幅降低，他们就很难再进一步了。如果电网管理者依赖电动汽车电池，而电动汽车电池被证明并不可靠或随着驾驶模式的改变而变得不可用，则也可能出现问题。

简言之，V2G的核心难题是将私人拥有的汽车重新用作商业发电厂所带来的利益冲突。扩大这项技术需要汽车制造和电力生产者之间的密切合作，这两方的收入模式和监管体系截然不同。目前，汽车行业对V2G并无明显的兴趣。

另一方面，不断增长的电力需求和对化石燃料、温室气体和气候变化的担忧，以及管理间歇性可再生能源的挑战，都为发展双向电动汽车发电创造了新的理由。随着电动汽车在过去十年里数量激增，更多的技术演示日益涵盖一系列应用程序，这些应用程序有时被表示为V2X，或“车辆到万物”。一些汽车制造商（尤其是日产和福特）已经在销售双向电动汽车，还有一些制造商则正在试验该技术。类似企业正纷纷涌现，为公用事业和大型用电机构配备和管理V2B、V2G和V2X的示范项目。一些雄心勃勃的试点项目也正在进行中，在荷兰城市乌得勒支尤为如此。

早在2002年，AC Propulsion的工程师们在实验结束时便得出结论，V2G真正需要的是一个强大的领军机构。他们也在继续为电动汽车技术作出进一步的重要贡献。布鲁克斯和里佩尔在刚成立的特斯拉汽车公司工作，而科科尼继续在AC Propulsion任职，直到被诊断患有癌症后才重新评估了自己的生活。2005年前后，科科尼出售了自己在AC Propulsion公司的股份，投身于他最初的梦想事业——航空事业，从事遥控太阳能飞机的开发工作。纯电动汽车在21世纪10年代和20年代的复兴再次证明了这三位富有远见的先驱所付出的努力。

强大的V2G代言人尚未出现。尽管如此，现成的储能单元能够同时实现运输并自行负担成本，这样的想法可能仍然具有足够的吸引力，可持续维持人们的兴趣。谁说得清呢？电动汽车仍有可能成为有轮子的发电厂。

作者由衷感谢亚历克•布鲁克斯、艾伦•科科尼、大卫•霍金斯、大卫•斯拉茨基和沃利•里佩尔分享自身经历。本文部分内容改编自作者新书《电动汽车时代：环境、能源和可持续汽车的探索》（Age of Auto Electric: Environment, Energy, and the Quest for the SustainableCar，麻省理工学院出版社，2022）。

作者：Matthew N. Eisler