V2G还是VEG？未来电动汽车技术发展与商业模式探索陈永翀,王秋平 - 通信人家园

当前，中国已经进入汽车社会。2012年中国汽车保有量达到1.2亿辆，平均百户家庭汽车拥有量已经超过20辆。即便如此，目前中国汽车的保有量还不及世界平均水平的一半，中国汽车消费需求仍然十分旺盛。根据国家信息中心的测算，到2020年中国的汽车保有量有可能达到2.6亿辆。中国能源资源短缺，常规化石能源可持续供应能力不足。油气人均剩余可采储量仅为世界平均水平的6%。其中，石油储量不到30亿吨，按年开采量2亿吨计算，储油量15年后枯竭。目前，燃油汽车的消费增长已经成为中国石油消耗增长的主要动力，汽车保有量的激增带来的石油能源安全问题和城市空气污染问题日益突出。

发展电动汽车是节能减排的最佳途径之一。2012年科技部公布的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》明确指出，发展电动汽车是提高汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济的重要途径。2013年《国家能源发展“十二五”规划》也提出要加强新能源汽车供能基础设施建设，争取到2015年形成50万辆电动汽车充电基础设施体系。各国政府和工业界均在加大政策力度支持电动汽车发展，电动汽车成为目前全球汽车业发展的重要方向之一。可以预计，未来配电网用户端将接有大量纯电动汽车电池充电负荷。如何认识电动汽车与电网之间的关系，电动汽车产业发展的技术瓶颈是什么，什么样的商业模式适合未来电动汽车的产业发展，这些问题都是当前重要的研究课题。

大量电动汽车接入网络为电力系统的经济可靠运行带来了新的机遇和挑战。车电互联模式（vehicle to grid，简称V2G）认为[1]，由于大部分乘用车辆平均每天行驶时间1h左右，95％的时间处于闲置状态。将处于停驶状态的电动汽车接入电网并且数量足够多时，电动汽车就可以作为可移动的分布式储能装置，在满足电动汽车用户行驶需求的前提下，将剩余电能可控回馈到电网。因此，未来电动汽车的车载电池可能作为智能电网中的移动储能单元，在电网高峰负荷时段向电网传输电能，而在电网非高峰负荷时段电网又向其充电。

V2G的概念最初是由美国能源专家Amory B Lovins于1995年提出的，随后美国特拉华大学（University of Delaware）的Willett Kempton研究团队对其做了进一步发展与实验论证，并在2007年10月成功将一辆电动汽车接入电网并接受调度命令[2-3]。Kempton等[3-4]认为V2G模式具有以下优势：①可以用电动车电池作为电网的缓冲，为电网提供辅助服务，如调峰或调频，增加电网稳定性和可靠性，降低电力系统运营成本；②能为车主提供额外的收入，抵消购买电动汽车的部分花费，有利于清洁汽车的普及；③可以产生能量存储缓冲，从而为间歇性可再生能源提供支持，减低CO2排放，改善风能发电并网能力。

近年来，由于电动汽车的广泛使用以及动力电池技术的进步，V2G模式越来越受到人们关注[5-10]。但是，V2G模式在提高电网运行效率和可靠性的同时，不可避免会带来其它新的问题，如会影响电动汽车电池的使用寿命，并需要额外增加车电互联基础设施投资；另外，电动汽车在向电网馈电的过程中，还必须兼顾汽车自身的能量存储状态，避免影响汽车的正常使用。针对这些问题，近年来许多研究机构开展了V2G模式的可行性评估。

Kempton等[11]研究了V2G的基础问题：容量计算和净收益。研究认为，合适的容量电价（capacity payment）付费机制对于V2G模式的实现非常重要。在未来，有必要实行旋转电力储备与调度的付费机制，建立容量、电量和辅助服务互补的电力消费市场。这样，可以由容量电价部分来弥补V2G模式向电网销售每度电的损耗成本（电动车电池损耗及相关V2G电力建设成本），从而有可能建立盈利的V2G商业模式。当然，对于某些电价昂贵的用电高峰市场，V2G模式也可以通过电动汽车向电网销售电量直接达到盈利。同时，Kempton等[12]认为由于动力电池储能能力有限，需聚集大量电动汽车时V2G技术才能发挥作用。

另外，Sovacool等[13]分析了实现V2G面临的技术和社会障碍。Peterson等[14]研究了V2G模式下电动汽车动力电池循环性能的衰减规律，认为V2G模式下不可避免的间歇充放电方式会加剧动力电池的衰减。Hill等[15]的研究表明，电动汽车的电池循环寿命是影响V2G商业模式是否可行的关键因素。在他们建立的评估模型中，只有当电池循环寿命达到7.5万次以上时，V2G模式才具有足够的商业吸引力。Hein等[16]的最新模型评估则认为，大规模范围的V2G模式是难以实现的，因为V2G运营模式的净收益几乎可以忽略不计。Mullan等[17]以西澳大利亚州的电力和交通分析为例，认为庞大的基础设施建设投资、巨大的商业风险以及其它可供选择的模式都使得V2G模式难以真正实现。孙波等[18]以2010年某市高峰负荷为例，分析了四种品牌电动汽车入网高峰放电削峰填谷的成本和收益。研究结果表明，根据不同电动车的电池容量和充电成本，在一定的削峰负荷范围内，车电互联模式总的净利润可以大于零，但利润收益非常有限。

在我国大力倡导绿色经济的背景下，电动车作为一种新兴的绿色交通工具，在未来汽车市场中将占据越来越重要的地位。然而电动汽车一直无法形成规模，这不仅仅是因为电动汽车电池成本过高，最主要的瓶颈还是充电问题解决不了，它一直困扰着电动汽车整车的开发和生产，也影响着国内消费者购买电动汽车的信心[19]。

现有燃油汽车补充能量的方式非常方便，加油站遍布城市各地，汽车进站后10 min内可以加满燃油，续航里程可以达到400～800 km。而目前电动汽车的充电时间很长，一般为5～8h，甚至长达10～20h[20]。因此，除非电动汽车具备普通燃油汽车无法替代的重要新功能或者具备明显的价格优势，否则电动汽车的慢速充电方式难以被用户接受。

采用更换电池的方式虽然可以节省大量的充电等候时间，但这种模式要求电池和电动汽车的高度标准化，不适合汽车商业市场的竞争规律，也不符合人们的汽车消费习惯。另外，采用换电模式一台车平均要配1.7套电池，一个电池在充，另外一个电池在车上使用，成本太高。

目前，汽车企业更愿意采用充电模式，而电网公司为了控制电池，则倾向于以换电为主。但在市场经济社会，无论采取什么模式，最终还是由消费者的选择说了算。因此，开发电动汽车的安全快速充电技术至关重要。在快速充电模式下，要求电动汽车能够在10分钟内充满不少于15 kW·h的电量，与燃油汽车的加油时间相当，单次充电续航里程不低于100 km。这样的快充方式才有可能被消费者接受。

另外，若成千上万辆电动汽车通过充电器直接接入电网进行快速充电时（每辆车充电功率³90 kW），无疑会造成电网的巨大扰动，在现实中是不可行的。因此，有必要建立类似加油站的分布式能量站（distributed energy stations），能量站安装有低成本、长寿命的兆瓦级储能电池，可从电网充电储存电量后，给电动汽车快速充电；同时，能量站还能够与电网互动，用于电力调峰或调频。电动汽车的充电方式由用户自己选择，可以选择在能量站快充，也可以选择在停车场或家庭车库进行慢充。我们不妨称此模式为VEG模式（vehicle-energy station-grid，简称VEG），如图1所示。

锂离子电池能量密度可达到150W∙h/kg以上，明显高于铅酸电池和Ni-MH电池，它的循环寿命也长，是目前最具竞争力的动力电池类型。不过，目前大型动力锂离子电池的制作思路还是从小容量锂离子电池延续过来的，无论采用卷绕式还是叠片式，单体动力电池的电压都保持不变（3～4V），但荷电容量很大，往往达到几十甚至几百安时（A∙h）[21]。单体动力锂离子电池高荷电容量特点也带来了电池的安全性和快速可充问题。

一般情况下，锂离子电池的荷电容量与安全性能是成反比的，随着电池容量的增加，电池体积也在增加，其散热性能变差，出事故的可能性将大幅增加[22-23]。对于大容量锂离子电池而言，如果电池内部安全措施失效，一旦内部某一处发生短路，电池将在短时间内释放大量热量，造成单体电池的完全失效甚至发生燃烧爆炸等安全事故。就现有消费经验来说，用于便携设备的容量小于5A∙h的锂离子电池已被证明是基本安全的，能够被市场接受。更高容量锂离子电池的使用事故概率较大，需要更严格的安全技术实施和评估。现在的电动车用动力锂离子电池不仅成本偏高，而且在安全可靠性方面依然存在较大问题，特别是当电池过充时很容易导致电池安全事故的发生。

电动汽车动力电池存在的另一个问题是快速可充（³5C常态倍率）的问题。动力电池能否进行常态的快速充电，不仅与电极材料特性有关，更与电池制作技术有关。当电池的容量越大时，电池内部的倍率分布和温度分布的不均匀性问题就越突出。例如，若电池以5C名义倍率充电，电池内部极耳附近的电极材料往往要承受远高于5C的充电倍率，而远离极耳的区域则以低于5C倍率充电。这种不均匀性会加速电池循环性能衰竭，并导致极耳附近区域温度异常，形成安全隐患。

按照VEG模式，分布式能量站安装有低成本、长寿命的兆瓦级储能电池，为电动汽车的快速充电提供服务；同时，能量站能够与电网互动，用于电力调峰或调频。目前，各种形式的储能技术都存在诸多的缺陷和局限，阻碍了其作为电网储能系统的规模应用。因此，为应对新能源电网和电动汽车产业发展的特殊要求和需求，储能技术的革新与突破也势在必行。

锂离子液流电池是最新发展起来的一种化学储能电池技术，它综合了锂离子电池和液流电池的优点，是一种输出功率和储能容量彼此独立、能量密度大、成本较低的新型绿色可充电池[24-25]。这种新型锂离子电池的正、负极材料颗粒和电解液的混合物分别装在两个储存罐中，在液泵或其它动力推动下，电极悬浮液通过密封管道流经电化学反应器，在微孔隔膜的两侧发生氧化还原反应。锂离子液流电池的技术特点在于：①能量存储于电极悬浮液中，增加电极悬浮液储罐的体积或者提高电极活性材料颗粒的体积分数均可增加电池容量，即对于相同功率输出的锂离子液流电池，可根据需求任意调整容量，非常适合大容量储能应用；②输出功率由电池反应器中参与反应的面积决定，可通过增加或减少单电池以及不同电池组串联调整满足不同功率需求；③电池循环使用寿命长，采用循环嵌锂性能优异的电极活性材料，电池可以长期使用；④反应速度快，可在瞬间启动，在运行过程中充放电切换迅速，响应速度快；⑤电池堆可与电极悬浮液相分离，存储于电极悬浮液中的能量可长期保存，不会因自放电损耗，提高了电池的安全性；⑥能量循环效率高，充放电能量转换效率达95%以上，远高于铅酸电池的45%；⑦正负极使用相同电解液，不存在电解液的交叉污染问题；⑧隔膜可以为复合多孔隔膜，价格远比钒电池的质子

交换膜便宜，而且单位面积隔膜功率密度远高于质子交换膜；⑨可以通过增加电极悬浮液或更换电极悬浮液的方式增加系统运行时间，通过更换电极悬浮液，可实现瞬间再充电，类似于汽车加油；⑩可以同时对系统充电和放电，充放电方式可以根据不同的应用需求进行调整，可以同时有一种电或多种电输出，也可以输出多种电压；11安全环保，锂离子液流电池反应器中的电极悬浮液处于流动状态，并设有气体密封装置和气压平衡装置，避免了传统大容量锂离子电池由涨气和高温引起的安全问题；另外，与全钒液流电池相比，锂离子液流电池的能量密度有显著提高，并且绿色环保，电池报废后具有很好的可回收性；12成本低，与现有锂离子电池技术相比，锂离子液流电池可以节约大量的电池隔膜、铜箔和铝箔材料，电池体积能量密度和质量能量密度也会有显著提高，而且不必使用昂贵的涂布、切片、叠片等电池制造设备，锂离子液流电池的原料成本和制造成本可以大大降低。

在给电池堆、存储容器和周边系统留有充足余量的情况下，锂离子液流电池系统的可设计能量密度可达300～500W∙h/L（130～250W∙h/kg），满足分布式能量站的性能要求。同时，与传统锂离子电池相比，锂离子液流电池的材料和制造成本更低，大约在40～80美元/kW·h，低于电网储能系统100美元/kW·h的成本要求，具有极高的技术和经济优势，是未来分布式能量站的优先选择[24-25]。

消费者不仅期望电动汽车能够方便安全地快速充电，还希望电动汽车的购买成本能够低于同类燃油汽车。因此，在新型储能电池和新型动力电池技术开发成功后，可以考虑采取以下商业模式实现VEG：①电动汽车以低于制造成本的价格出售给用户（与燃油汽车价格相当甚至更低），其利润及成本回收的方式由用户在每次充电或年检时分次返回给电动汽车销售商；②电动汽车充电方式由用户选择，可以选择在能量站快充，也可以选择在停车场或家庭车库进行慢充，两者的单位充电量价格有所区别，但都高于电网电价。其中，慢充方式的电价高出部分返回给电动汽车销售商，快充方式的电价高出部分以一定比例返回给能量站和电动汽车销售商；③用户可以在每次年检的时候预购电动汽车下一年的基本消费电量（或基本行驶里程数），实际超出部分另外收费；④能量站的营业收入主要包括两部分，一部分是提供电动汽车的快充服务，并根据充电量收取费用；另一部分是在电网调峰或调频需要时与电网互动，收取费用。

①VEG模式要求电动汽车必须能够实现安全快速充电，但充电方式由用户自己选择，电动汽车可以在能量站快充，也可以在停车场或家庭车库进行慢充，这样更方便用户的出行和使用；②VEG模式增加了位于电动汽车与电网之间的分布式能量站，可以为电动汽车提供快充服务，并能参与电网调峰或调频，这种集中储能及供能方式更有利于管理；③VEG模式并不要求电动汽车直接参与电网调峰或调频，避免了动力电池的过度损耗，并减少了车网互联的基建成本。

随着石油资源的日益枯竭以及城市空气污染的加剧，电动汽车开始受到全世界的关注，各国政府和工业界均在加大政策支持力度。但是，尽管最近10年电动汽车以及动力电池技术取得了长足进步，相关产业的发展距离规模商业化的目标仍有不小的差距。

从电池技术开发和汽车消费习惯的角度，提出一种可能实现的新的电动汽车技术发展与商业模式，简称VEG模式，有以下几个特点：①电动汽车必须能够安全快速充电；②分布式能量站安装有低成本、长寿命的兆瓦级储能电池，能够从电网充电储存电量后给电动汽车快速充电；同时，能量站可以与电网互动，用于电力调峰或调频；③电动汽车充电方式由用户选择，可以选择在能量站快充，也可以选择在停车场或家庭车库进行慢充。

显然，目前的动力电池技术和储能电池技术还不足以支撑VEG模式的实现，作者认为这正是纯电动汽车没有实现规模产业化的技术关键所在。因此，面对节能减排的迫切需求，我们必须抓紧开发低成本、长寿命的新型储能电池和可以安全快速充电的新型动力电池，以争取早日实现电动汽车的广泛应用。