特斯拉家用电池：改变世界的梦想还有多远？

电动汽车厂商特斯拉近日推出一系列电池方案，其中，被称为“特大号充电宝”的家用电池系列备受瞩目，虽说家庭蓄电设备早已不是什么新鲜“玩意儿”，但由于许许多多主观客观的原因，特斯拉的这个“特大号充电宝”在业内外引发了轩然大波。有诸如李开复等知名人士为其点赞，也有许多人质疑其本就是一场忽悠。

根据特斯拉官网的介绍，特斯拉发布的家用电池名为“家庭电池能量墙（Powerwall Home Battery）”，其是被设计用来在居民住宅里存储能量的可充电的锂电池，它将实现转移负荷、电力备份、以及太阳能发电自给。能量墙Powerwall包含特斯拉锂电池包、液态热量控制系统，和一套接受太阳能逆变器派分指令的软件。这一整套设备将被无缝安装在墙壁上，并能和当地电网集成，以处理过剩的电力，让消费者灵活使用自己的能源储备。


家庭电池能量墙（Powerwall Home Battery），外观非常漂亮，较为纤薄

具体来说，特斯拉家用电池可以在电力需求低谷的时候低价充电，在电价更高的需求高峰时段输出电能；家庭电池能量墙Powerwall能增加家庭太阳能使用的容量，同时在电网中断的时候提供电力备份保障。Powerwall采用了与ModelS电池相同的架构、电池管理系统和技术。但电池单元并非是同样的。

特斯拉能量墙Powerwall提供2个版本：备份应用优化的10kWh版，日常使用优化的7kWh版。特斯拉给安装商的价格是10kWh—3500美金（2.17万元人民币），7kWh—3000美金（1.86万元人民币），不包括安装费和逆变器的费用。尺寸为1300mm × 860mm × 180mm，重量为220磅，持续电量2kW，峰值电量3kW，充放电能效大于92%。运行温度范围为零下20度-零上50度，官方给出的保质期是10或20年。

此外，除了家用系列，特斯拉还面向商业和公共事业推出了对应的储能产品。在公共事业规模的系统上，100kWh电池能够组合扩容至500kWh至10MWh+。通过和电网绑定的双向逆变器，这些系统能够提供2至4小时持续纯电力输出。

据了解，特斯拉的电池组含有基于实践检验的标准锂离子电池。这和很多其他企业在市场上推出的产品类似。尽管许多公司和学术机构实验室正在研究和开发上投入数十亿美元，以显著增加电池储存的能量，并且降低其费用，但在实质性的突破进入市场前还需要很多年。

是的，特斯拉并不是发明了一项新的电池技术。但为何引发如此多的争论呢？细想一下，大概不外乎以下两点。

首先，价格。10kWh—3500美金，7kWh—3000美金。这个价格大大低于预期，许多分析师表示，这个价格将推动消费者广泛使用。特斯拉CEO Elon Musk在周二的财报电话会议上表示，Powerwall的预订量已经达到3.8万套，而面向企业商用的PowerPack电池组的预订量为2500个订单，每个订单包括10个电池组，因此总计为2.5万个。明年上半年的产量已经预订一空。
知乎网友杨林表示：特斯拉这储能产品，不在于他发明了什么新玩意，也不在于好不好看，关键在于便宜！只有主流产品三分之一到一半的价格，而且还能持续降低价格，这才是颠覆性的关键所在。

据韩国化学巨头——LG化学公司在密歇根特洛伊市的子公司LG化学能源公司研发部主任Mohamed Alamgir介绍，在电池内部储存能量的圆柱形单元——锂离子电池单元由特斯拉从日本电子产品巨头松下公司购买，其内部生产成本通常被认为在每千瓦时200美元左右。将这些单元装到电池组中的费用通常会翻倍，因此生产特斯拉那样的电池会花费约4000美元。Laslau认为，目前特斯拉可能正在亏本出售这些产品，但一旦其正在内华达州建设的规模达50亿美元的电池“超级工厂”开始大规模生产，便可以将损失转变成利润。当然，价格上也将会有有进一步下降的可能。
        
其次，改变世界的梦想。有分析师称，如果储电技术的成本能像光伏发电那样的程度下降，那将改变世界。很明显，一旦新的储能方式能够大面积推广和应用，那么将意味着传统的石化能源市场份额将进一步缩减。

特斯拉在这里算了一笔帐：全世界每年消耗20万亿千瓦时能量。这些能量足够支撑一个家庭18亿年，支持一个核能基地2300年，发送猎鹰9号火箭1700万次。所有美国消耗的化石燃料中，有1/3用于交通，还有1/3用于发电。单美国电力部门一年就制造超过20亿公吨的二氧化碳，这等同于燃烧了2250亿加仑的汽油。美国环保局说需要16亿亩森林才能消化掉这些二氧化碳对环境带来的破坏。

如果我们将电网脱离化石燃料，走向可再生能源呢？


特斯拉CEO Elon Musk

一旦我们能够依赖于可再生能源，前50%最肮脏的电力来源将会提前退休。我们将会拥有一个更清洁、更小巧、更灵活的能源网。为了人类美好的未来，我们需要电力交通让交通可持续，我们需要太阳能发电，让电的来源更清洁。

特斯拉希望逐步培养一个清洁能源的生态系统，帮助世界逐渐脱离化石燃料。希望让家庭、商业和公共事业能够通过特斯拉电池来存储可持续和可再生的电能、管理电力需求、提供电力备份、增强电网的灵活度，从而加速世界摆脱化石燃料的进程，走向可持续能源的未来。



加拿大戴尔豪斯大学电池研究人员Jeff Dahn表示，“如果低碳发电有一个合适的价格，我们所有人都会使用太阳能电池板，并且无论花费多少都会储存电力。”未来，如果太阳能发电的效率和成本发展到适当的程度，采用“Powerwall+太阳能电池板的方案”从电网脱离也不是没有可能的。

不过，对于Elon Musk这个清洁能源的梦想，业内外很多人表示，当前的蓄电池和太阳电池板的制造存在着不可小视的污染问题。他们认为，像仿“光合作用”的生物电池这类技术才能算得上真正的清洁能源。

事实上，无论是清洁能源、可再生能源，还是家用电力备份、错峰用电，这些都不是新词。现下，这段时间的议论热潮，多多少少也是源于特斯拉的影响力。有言论指出，特斯拉，这家新能源汽车企业看起来很可能挑战苹果公司在科技史上的地位。只不过，若“为改变世界而活”的史蒂夫·乔布斯还在世，不知道会对此事有何看法呢？
        
谈完这些我们来稍微深入的谈点技术性问题。

我们已经清楚了，在家庭配的储能单元不只是一个大型充电宝，它的功能远非充放电那么简单，它是未来智能电网中一块重要的拼图。知乎上一位网友（余希瑞，电力电子专业博士生）为我们分享了一些不错的文字，主要概括了几个重要的概念。


特斯拉为更高需求的能源应用提供冰箱式的Powerpack

光储一体机，PCS（Power Conditioning System）

把光伏和储能相结合的想法并不新鲜，百度“光储一体机”发现国内也已经有人再卖成品了，它的主要结构包括光伏阵列（很多块光伏电池板）、蓄电池、变换器、控制部分等。

光伏阵列：吸收太阳光发出电能（直流电）。

蓄电池：吸收电能也可以储存电能。

变换器：这里用的一般包括DC/AC变换器和DC/DC变换器（DC表示直流电，AC表示交流电），光伏电池和蓄电池发出的都是直流电，因此需要用DC/AC变换器把直流电变为交流电，这样才能供给其他电器使用或者将电并入电网。光伏电池发出的电一般电压较低，需要用升压DC/DC变换器（boost converter）将直流电升压，再用DC/AC变换器变为交流电。蓄电池需要充放电，因此它用的是双向DC/DC变换器，既可以输出也可以输入能量，不像光伏只能输出电能。

控制部分：比较繁杂，包括光伏的MPPT（最大功率点跟踪）、能量管理等。光照随时在变化，需要保证光伏始终能最大限度的发出电量；发电量富余的时候把多的电存起来，发电量不足的时候蓄电池输出电能，这点大家应该都能理解，但注意电池是有寿命的，频繁充放电会让电池很快失效，因此这里需要一个合理经济的控制策略，等等，就不展开说了。

PCS：中文一般翻译为光储一体化能量转换系统。英文直译可能比较抽象，和“空调”（air conditioner）类比下就比较好理解了，既能制冷（发电，把能量送出去）也能制热（储能）。

对于单个家庭而言，光储一体化的最大意义在于可以更加灵活的调度自己的用电方式，以前光伏白天多发的电只能并网（卖电，可以获得一定金额的补贴），晚上还是得从电网取电（买电），现在可以囤起来自己用了。自己发电，自己用电，这里就涉及到微电网的概念。

微电网/微网

简单说微网就是一个小型电力系统，它可以自给自足，也能和外部电网发生能量交换。以前我们只能从电网买电，发的电大部分来自于火电站或水电站，发电比较集中（集中式发电，数量少但单个功率大）；现在家家户户都能发电和卖电（分布式发电，个数非常多但单个功率小）。火电站发的电需要经过很远的输电线才能送到用户端，中间会损失不少电能；但是分布式发电基本是就地使用，无疑能量利用效率大大提升，而且不需要铺设很长的输电线路，更加环保节能。微网是个很大的话题，这里只能挑几个特点简单介绍下。

虚拟同步发电机算法（VSG，Visual Synchronous Generator）

这是一种可应用于光储一体化系统的控制方法（控制方法的意思就是如何对光伏/蓄电池的电能输入/输出进行控制）。可能有人说这不很简单嘛，让光伏尽量多发电，用不完的存起来不就完了。除了前面提到的电池寿命问题，这里还有一个问题就是频率。对于大电网来说，大部分发的电来自于火电站或水电站，即汽轮机或者水轮机发的电，这些机组一般个头大，惯性自然大，因此它们的转速比较恒定，电网频率因此不会发生太大变化。但对光储一体化系统（或者扩大到微网）而言，因为发电单元惯性小，比如光伏电池，光照波动大些就会对发出的电量产生很大影响，因此我们就需要利用储能抑制这种波动。VSG算法就是讨论如何让光伏和储能有机结合，让它们具备类似于汽轮机等大型旋转设备所具有的大惯性，最终保证发出交流电频率稳定。除了频率，还有谐波问题等，这就是我前面说的，储能远非充放电这么简单，你还必须要对电能的质量负责。

能源互联网，能源路由器

现在啥都能和互联网扯上关系，能源也不例外。前面介绍光储一体化系统只提到了单个家庭，实际上这套系统可以相互连接，在一个社区内构建一个能源局域网，在这个网内我们可以自由进行电力交易，用户之间协调分配电能使得能量能最有效的得到利用；再大点，能源城域网；再大点，能源广域网……这里区别于传统电网的特点就是交互、合作、环保，最终目的还是达到可持续发展，人们能更加自由放心的用电。至于能源路由器，顾名思义，就是让能量能像信息一样能自由流动和分配，实际上这不是个轻松的活儿。在电力系统中，你发多少电就得同时用多少电，如果发电和用电不平衡，就可能出乱子，比如发电机转速变了，电网频率就变了，如果频率变化太大某些负载就可能会应故障保护而停机，负载突变，导致电网频率或电压进一步恶化，最终使得整个系统崩溃，因此能量的传输比信息的传输需要考虑的实际情况更加复杂。

集中式储能系统

前面基本说的是分布式储能，这里再说点集中式储能。现在的储能电站已经能做到兆瓦级，比如Prudent公司2012年的钒液流电池项目和2013年国网的辽宁卧牛石风电场全钒液流电池储能示范电站，可见储能技术并不像人们想象的那样难以企及。退一步说，即使目前储能技术还不够完善，但发展储能是未来人类更合理有效利用能源的必经之路，没有捷径可走。

这里只能简单列出一些关键词，感兴趣的朋友可以此为线索做更深入的查阅。

文章整合自：特斯拉官网，知乎，中国科学报，新浪...