2001年的一项实验证明，电动汽车可以为电网供电。那么为什么V2G还没有流行起来呢?

2001年，在当时默默无闻的研发公司AC Propulsion，一组工程师悄悄开始了一项开创性的实验。他们想看看电动汽车是否能将电力反馈给电网。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”(vehicle to grid)或V2G。

上世纪90年代末，加州里程碑式的零排放汽车(ZEV)规定生效，迫使汽车制造商将电动汽车商业化，V2G背后的概念开始受到关注。在V2G中，环境政策专家们看到了电动汽车强有力的新应用，可能会满足许多利益。对公用事业公司来说，它承诺以一种经济的方式满足不断增长的电力需求。对于纳税人来说，它提供了更便宜、更可靠的电力服务。电动汽车供应商将有一个新的公共政策理由来支持他们的市场。电动汽车车主将成为企业家，将电力卖回电网。

交流推进系统的实验是及时的。它发生在2000年和2001年加州电力危机之后，当时管理不善的放松监管、市场操纵和环境灾难共同导致了电网的混乱。一些观察人士认为，V2G可以防止当时困扰加州的那种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正在淘汰他们的电池电动汽车车队，这是V2G的关键组成部分。

一名男子对着麦克风讲话，另一名男子在一旁观看。背景中可以看到一辆汽车和一台电脑。AC Propulsion公司总裁汤姆·盖奇(Tom Gage)在2001年西雅图的一次会议上解释了该公司的车转电网技术。说明照片:MAX-O-MATIC;图片来源:Alec Brooks

交流推进试验因此成为绿色汽车曲折传奇中的一个不起眼的注脚。10年后，也就是2010年代，纯电池电动汽车的命运开始发生惊人逆转，这在很大程度上要归功于ACP的工程师们，他们的电力驱动技术为特斯拉汽车(Tesla Motors)的诞生——Roadster的开发提供了基础。到21世纪20年代，全球汽车制造商每年生产数百万辆电动汽车。随着电动汽车的复兴，V2G概念再次诞生。

如果一辆装载电子设备和软件的现代汽车可以被认为是一台轮子上的计算机，那么一辆能够向电网放电的电动汽车就可以被认为是一台轮子上的发电厂。事实上，这就是车联网技术的推动者对电动汽车的看法。

不过，请记住，电力的独特性质给任何想要生产和运输它的人带来了问题。电力是一种可以买卖的商品，但与大多数其他商品不同的是，它不容易储存。一旦电力产生并进入电网，通常会立即使用。如果电网中存在过多或过少的电力，网络就会突然变得不平衡。

图片显示一排排电池驱动的卡车正在充电。在20世纪初，公用事业公司推广使用电动卡车车队来吸收多余的电力。说明照片:MAX-O-MATIC;图片来源:m&n / alamy

20世纪初，一些早期直流电发电厂的经营者为了解决发电机输出功率不均匀的问题，采用了大量的可充电铅酸电池，作为一种缓冲来平衡电子流。随着公用事业公司转向更可靠的交流电系统，他们逐步淘汰了这些昂贵的备用电池。

然后，随着电力企业家扩大发电和输电能力，他们面临着一个新问题，即如何处理他们现在可以生产的所有廉价的非高峰夜间电力。公用事业公司重新考虑电池，不再将其作为固定单元，而是用于电动汽车。正如历史学家Gijs Mom所指出的那样，有进取心的公用事业经理基本上是将电力存储外包给当时在美国东北部城市激增的电动汽车的所有者和用户。早期的公用事业公司，如波士顿爱迪生公司(Boston Edison)和纽约爱迪生公司(New York Edison)组织了电动汽车车队，因为电动卡车的电池容量相对较大，所以更青睐电动卡车。

在汽车发展的早期，电池驱动的电动汽车与以汽油和其他类型的动力为燃料的汽车具有竞争力。说明照片:MAX-O-MATIC;图片来源:shawshots / alamy

电动汽车帮助解决的电网管理问题在第一次世界大战后逐渐消失。在20世纪20年代的繁荣时期，塞缪尔·因苏尔(Samuel Insull)等美国公用事业巨头大规模扩张了美国的电网系统。在新政时期，联邦政府开始资助大型水电站的建设，并将输电推向农村地区。到20世纪50年代，电网开始跨越时区和国界输送电力，将不同的供应和需求来源联系在一起。

大规模电化学储能作为电网稳定需求来源的需求消失了。在随后的几十年里，当公用事业公司考虑过储能技术时，通常都是抽水蓄能的形式，这是一种昂贵的基础设施，只能建在丘陵地带。

直到20世纪90年代，电动汽车才作为电网电力问题的可能解决方案重新出现。1997年，特拉华大学(University of Delaware)教授威利特·肯普顿(Willett Kempton)和佛蒙特州绿山学院(Green Mountain College)教授史蒂夫·莱滕德(Steve Letendre)开始发表一系列期刊文章，将双向电动汽车想象成电力公用事业的一种资源。研究人员估计，如果应用于发电任务，美国轻型汽车的所有发动机的发电量将是固定发电厂的16倍左右。肯普顿和莱滕德还指出，平均每辆轻型汽车的使用时间只有4%左右。因此，他们推断，一个双向电动汽车车队可能对公用事业非常有用，即使它只是传统车队的一小部分。

AC Propulsion (ACP)的工程师熟悉双向电动汽车动力的基本原理。这家公司是加州理工学院的毕业生沃利·里佩尔和艾伦·科科尼的创意，他们曾在上世纪80年代末和90年代初为AeroVironment公司(当时是一家轻型实验飞机的开发商)担任顾问。这对搭档为Impact的推进系统做出了重大贡献，Impact是AeroVironment根据通用汽车公司的合同建造的一款电池动力概念车。作为著名的EV1的前身，Impact被认为是当时最先进的电动汽车，这要归功于它的固态电源控制、感应电机和集成充电器。这款车启发了加州在1990年颁布的ZEV法令。正如Cocconi告诉我的那样，Impact具有双向功能，尽管这一功能并未完全实现。

AeroVironment公司曾鼓励其工程师在开发Impact时发挥创造性，但通用汽车严格管理将这款特殊汽车转化为量产原型的工作，这让Cocconi和Rippel非常不满。此外，通用汽车决定为量产车配备车载充电器，而不是车载充电器，这也让Cocconi感到失望，他认为这将限制汽车的实用性。1992年，他和里佩尔退出了这个项目，并与休斯飞机工程师保罗·卡罗萨一起创立了ACP，进一步发展电池电力推进。该团队将他们的技术应用到一款名为tzero的双座跑车上，该跑车于1997年1月首次亮相。

从20世纪90年代到21世纪初，ACP将其综合推进系统出售给了老牌汽车制造商，包括本田、大众和沃尔沃，用于将生产模型转化为电动汽车。对于汽车公司来说，这是一种快速而廉价的方式，可以获得电池电力推进的经验，同时还可以满足加州ZEV规定的任何配额。

然而，到了世纪之交，销售电动汽车推进系统已成为一种艰难的谋生方式。2000年初，当通用汽车宣布停止生产EV1时，这意味着汽车制造业正在放弃纯电动汽车。ACP开始寻找其他营销技术的方式，并在加州电力危机中看到了机会。

传统上，电力业务结合了几个独立的服务，包括一些旨在满足需求的服务和其他旨在稳定网络的服务。自20世纪30年代以来，这些服务一直由受监管的垂直整合公用事业公司提供，这些公司以准垄断的方式运营。最赚钱的是峰值电力——在需求最高的时候提供电力。利润较低的稳定服务可以平衡电力负荷和发电，使系统频率保持在60赫兹，这是美国的标准。在垂直集成的公用事业中，峰值服务基本上是对稳定服务的补贴。

随着20世纪90年代的放松管制，这些聚合服务被拆分并商品化。在加州，监管机构将发电和配电分开，并将40%的装机容量出售给新成立的独立发电公司，这些公司专门从事峰值发电。电网稳定功能作为“辅助服务”而重生。主要的公用事业公司被迫购买高成本的峰值电力，由于零售价格受到限制，他们无法将成本转嫁给消费者。此外，放松管制抑制了新发电厂的建设。在世纪之交，该州近20%的发电能力被闲置用于维护。

新市场化的电网非常不稳定，在2000年和2001年，情况到了危急关头。炎热的天气导致了需求的激增，而随之而来的干旱(几十年西南大干旱的开始)降低了水电容量。随着加州人打开空调，空调的峰值容量必须保持更长时间。然后，市场投机者也参与进来，将批发价格提高了800%，使太平洋天然气和电力公司破产。在这些综合压力下，电网可靠性被侵蚀，导致轮流停电。

由于电网瘫痪，ACP的盖奇联系了肯普顿，讨论双向电动汽车供电是否有帮助。肯普顿认为，频率管制是V2G市场的最佳选择，因为它是最赚钱的辅助服务，占加州独立系统运营商(California Independent System Operator)在此类服务上的支出的80%左右。加州独立系统运营商是一家非营利机构，旨在管理放松管制的电网。

结果，ACP tzero生产经理亚历克·布鲁克斯(Alec Brooks)组织了一个示范项目。像里佩尔和科科尼一样，布鲁克斯也是加州理工学院的毕业生，也是这所著名大学周围出现的紧密的电动汽车爱好者社区的一员。1981年获得土木工程博士学位后，布鲁克斯加入了AeroVironment，在那里他管理了为通用汽车建造的先进太阳能演示电动汽车Sunraycer和Impact的开发。他招募了里佩尔和科科尼来做这两份工作。在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，直到他厌倦了公司的日常工作，于1999年加入ACP。

图片说明一名男子与电机工作。在共同创立AC Propulsion公司之前，艾伦·科科尼曾为通用汽车公司研发太阳能汽车Sunraycer。图为他正在测试这款汽车的电机驱动电力电子设备。说明照片:MAX-O-MATIC;图片来源:Alec Brooks

与Gage和Kempton合作，并咨询ISO, Brooks开始了解电动汽车如何作为公用事业资源发挥作用。

ACP调整了其第二代AC-150传动系统，该系统具有双向能力，适用于这种应用。据Cocconi回忆，双向函数最初是为了一个不同的目的而设计的。在20世纪90年代，电池的容量远远小于今天，对于一小部分电动汽车用户来说，耗尽电量并陷入困境的前景是非常现实的。在这种紧急情况下，一辆电量充足的双向电动汽车可以来拯救你。

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汽车上安装了一个AC-150驱动器。该系统将交流电网电源转换为直流电源，为电池充电，也可以将电池的直流电源转换为交流电源，既可以为外部独立负载供电，也可以为电网供电。在整个项目过程中，该团队成功地使用ISO计算机化能源管理系统的模拟调度命令演示了双向电动汽车动力。

这对图表显示了AC Propulsion公司的AC-150传动系统在电网频率调节演示中的表现。上图中的洋红色线跟踪以60赫兹为中心的网格频率。下图显示了电力在电网和传动系统之间的流动;负值意味着电力正在从电网中抽取，而正值意味着电力正在被送回电网。说明照片:MAX-O-MATIC;图片来源:Alec Brooks

该实验证明了车辆到电网方法的可行性，但它也揭示了部署该技术所涉及的巨大复杂性。布鲁克斯回忆说，一个令人不快的意外是，他意识到电力危机人为地推高了辅助服务市场。在加州解决了这场危机之后——基本上是通过重新监管和补贴电力——泡沫破灭了，使得频率监管作为V2G服务的商业主张变得不那么有吸引力。

将电动汽车蓄电池集成到传统电网系统的前景也引发了对控制的担忧。负责自动向发电机发出信号以提高或降低频率的计算机被编程来控制大型热电厂和水力发电厂，它们对信号的反应是逐渐的。相比之下，电池对获取或供电的指令几乎是即时响应的。工程师大卫·霍金斯(David Hawkins)曾是ISO运营副总裁的首席助理，也是布鲁克斯的顾问。他指出，当电池被用于调节频率时，其响应性会产生意想不到的后果。在一项涉及大型锂离子电池的实验中，控制计算机在几分钟内完全充电或放电，没有多余的容量来调节电网。

原则上，这个问题可以通过软件来控制充放电来解决。事实证明，在21世纪初，V2G的主要障碍是，电池电动汽车必须大规模扩大规模，才能成为一种实际的储能资源。汽车工业刚刚取消了电池电动汽车。取而代之的是，汽车制造商承诺推出燃料电池电动汽车，这是一种不容易实现双向动力流动的推进系统。

2000年代末至2010年代初，特斯拉汽车公司(Tesla Motors)和日产汽车(Nissan)引领的纯电动汽车的戏剧性复兴，重新燃起了电动汽车作为电网资源的前景。电动汽车的复兴催生了大量双向电动汽车动力的研发工作，包括ECOtality和中大西洋电网互动汽车联盟。该联盟由肯普顿与负责美国东部大部分地区的区域传输组织PJM联合组织，使用一辆配备AC-150传动系统的汽车进一步研究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移到家庭和商业建筑。例如，在2011年福岛核灾难之后，日产(Nissan)开发并销售了一种车到楼(V2B)充电系统，使其Leaf EV能够提供备用电源。

2001年，AC Propulsion工程师在大众甲壳虫汽车上安装了AC-150动力传动系统，以演示V2G技术在电网上调节频率的可行性。说明照片:MAX-O-MATIC;图片来源:Alec Brooks

这家汽车制造商后来与总部位于弗吉尼亚州的Fermata Energy公司建立了研发合作关系，该公司开发双向电动汽车动力系统。弗玛塔公司由企业家、弗吉尼亚大学(University of Virginia)研究员大卫•斯卢茨基(David Slutzky)于2010年创立，当时考虑过频率调节市场，但后来排除了这个市场，理由是这个市场规模太小，无法扩展。

斯卢茨基现在认为，双向电动汽车电力的早期市场将出现在为个人商业建筑提供备用电源和补充高峰负荷方面。这些应用将需要机构的电动汽车车队。斯卢茨基和其他电动汽车的支持者一直在努力争取更有利的监管环境，包括获得加州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。尽管随着电动汽车的激增，人们对这一想法的兴趣似乎可能会增加，但电动汽车车主成为电力企业家的前景似乎更加遥远。为布鲁克斯提供建议的工程师霍金斯认为，V2G的主要障碍与其说是技术上的，不如说是经济上的:可行的市场需要出现。他认为，V2G的日常参与者将面临一项艰巨的任务，即在支付零售费率的同时，试图从批发价格和零售价格之间的差价中套利。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，这些计划旨在使房主能够将剩余的太阳能卖回电网。但事实证明，对郊区居民来说，屋顶太阳能的营销比最初想象的要复杂和昂贵得多，电动汽车的情况可能也是如此。

另一个主要挑战是如何平衡电动汽车电池在运输和非车辆应用中的使用寿命。这个问题的关键在于理解电动汽车电池在固定电源下的性能和老化情况。毕竟，如果用户在付钱的过程中严重损坏了自己的电池，他们也不会走得更远。电网管理人员也可能面临问题，如果他们开始依赖电动汽车电池，随着驾驶模式的改变，电池被证明不可靠或无法使用。

简而言之，V2G的核心难题在于将私人拥有的汽车改造为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制造之间的密切合作，这两家企业有着截然不同的收入模式和监管体系。目前，汽车行业对V2G并没有明确的兴趣。

另一方面，不断增长的电力需求、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，都为双向电动汽车提供了新的理由。在过去的十年里，随着电动汽车的普及，越来越多的技术演示被用于各种应用，有时被表达为V2X，或车对一切。一些汽车制造商，尤其是日产(Nissan)和现在的福特(Ford)，已经在销售双向电动汽车，还有一些汽车制造商正在试验这项技术。越来越多的企业开始为公用事业和大型电力机构用户配备和管理V2B、V2G和V2X演示。一些雄心勃勃的试点项目正在进行中，尤其是在荷兰乌得勒支市。

早在2002年，AC Propulsion公司的工程师们在实验结束时得出结论，V2G真正需要的是一个强大的机构冠军。他们继续为电动汽车技术做出了进一步的重要贡献。布鲁克斯和里佩尔为新生的特斯拉汽车公司工作，而科尼则继续在ACP工作，直到癌症诊断使他重新评估自己的生活。2000年代中期，Cocconi卖掉了他在公司的股份，全身心投入他的初恋——航空事业，开发遥控太阳能飞机。在2010年代和2020年代，纯电动汽车的重生再次证明了这三位富有远见的先驱的努力。

一个强有力的V2G支持者尚未出现。尽管如此，一个既能提供运输又能自给自足的现成能源存储单元的想法可能仍然具有足够的吸引力，以维持持续的兴趣。谁知道呢?有一天，电动汽车仍可能成为轮子上的发电厂。

作者感谢Alec Brooks, Alan Cocconi, David Hawkins, David Slutzky和Wally Rippel分享他们的经历。本文部分内容改编自作者的新书《汽车电动时代》(Age of Auto Electric, MIT出版社，2022)。https://spectrum.ieee.org/v2g

产业前沿编译