试论家庭分布式储能的发展前景

叶卫国

（杭州越西客车制造有限公司，浙江 杭州 311222）

多项统计数据显示，由于对化石能源的过度消耗，汽车的尾气排放对PM2.5的产生负有重大责任，PM2.5是指大气中直径≤2.5 μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，对人体健康和大气环境有重要影响，提升空气质量与治理交通拥堵将矛头共同指向机动车污染。作为应对举措，我国《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》（以下简称《规划》）明确提出，当前要重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，规划到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆，累计产销量超过500万辆。奥巴马政府近日表示：“尽管目前电动车数量没有达到预期销量，但我们并没有放弃这一目标。将继续坚持到 2015年实现电动车突破 100万辆的目标”[1]。

电能是当今使用最广泛的一种能源形式，电能通过一次能源转化而来，是生产、输送、分配和使用最方便的能源。按照 2011年能源消耗量测算，全球石油、天然气和煤炭已探明储量仅供开采54.2年、63.6年和112年，能源需求与供给矛盾日益突出，人们将目光转向风电、光电等可再生能源的开发和利用。电动汽车使用电能工作，是一种零排放、低噪音的节能环保车型，扩大电能生产，大力发展电动汽车，改变对石化燃料过度依赖的现状，缓解日益严峻的能源和环境的双重压力，对促进经济社会可持续发展具有十分重要的战略意义。

本文提出的家庭分布式储能模式就是将现有电网大规模储能方式小型化、家庭化的一种全新模式。家庭分布式储能系统类似于一个个小型储能电站，每个家庭都可以根据自身需要进行布置，其运行不受城市供电影响，通过吸纳和消化电网谷电来储存电能，在用电低谷时间，家庭储能系统中的蓄电池组可自行充电，以备用电高峰或断电时作为应急电源使用，还可以为电动汽车充电，家庭储能系统也因为能够均衡用电负荷，从而可以节省家庭电力开支。

家庭分布式储能装置与家用电动汽车一样采用锂离子电池作为储能单元，储能规模的大小可以根据不同家庭的实际需要进行配置。储能单元中配置有电池管理系统（BMS）、交直流双向变流器（PCS）和中央控制单元，系统自身可以实现交直流电源的相互转换，也可以将电动汽车中储存的直流电能通过家庭储能装置转化为家用交流电提供给家庭使用。随着电动汽车大规模推广应用进入千家万户，电动私家车也成为家庭分布式储能的一个组成部分，而锂离子电池产业化及其成组技术的日趋成熟、成本的逐步下降，使加速发展家庭分布式储能成为一项现实可行的技术路径。

1 储能技术介绍

自电能成为重要的能源形式以来，如何储存它一直是电力行业的一个课题。电能储存可以起到电网削峰填谷、调峰调频、可再生能源发电系统接入以及作为后备电源使用的作用。电能储存可分为机械储能、电化学储能、电磁储能等能量储存形式。

机械储能和电磁储能属于物理储能，机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，电磁储能主要包括超导储能、超级电容储能、高密度电容储能。电化学储能包括各类铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、液流、燃料电池储能等，除此之外还有相变储能、冰蓄冷储能等。

抽水蓄能是目前应用最为成熟的集中式物理储能方法，它通过建立上下游两个水库，在电力负荷低谷时将下游水库的水抽到上游水库；在负荷高峰时，利用上游水库的水来发电。抽水蓄能具有单位储能成本低、调节能力强、使用寿命长等特点，是大规模储能的主力，但也存在建设周期长、对生态环境的影响大、受地理和水源地质条件限制等不利因素。

电化学储能中锂离子电池因为具有储能密度高、储能效率高（95%）、自放电小、适应性强、循环寿命长等优点，得到了快速发展。近年来，随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，许多国家已经将锂离子电池用于kW到MW级储能系统，用于改善电能质量、削峰填谷、电网调频、新能源并网和电动汽车动力电池等场合。

目前，我国锂离子电池产品技术水平与国外相近，已形成一定规模的产业链。存在的问题是，电池成组应用技术有待改进、成本相对较高等，但其在性能及价格上还有巨大的改善空间，因此在储能领域具有潜在的发展优势。

2 锂离子电池在电动汽车上的应用情况

电动汽车动力来源于可以储存能量的各种动力电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池、燃料电池、超级电容器和锂离子电池等，常用动力电池的性能指标见表1。

表1 常用动力电池性能指标 Table 1 Common battery performance

铅酸电池成本低、技术相对成熟，但其能量密度较低、体积大、使用寿命较短，不适合在对续驶里程有较高要求的电动汽车上使用；镍氢电池技术相对成熟，但存在初始成本太高、有记忆效应和充电发热等问题，且充电发热易引发安全问题；燃料电池的比能量及能量转化效率高，但制造成本过高且储运困难，商业化应用尚需要一定时间；超级电容是一种新型高效的物理储能器件，其特点是使用寿命长、效率高、充放电时间短，缺点是比能量低，超级电容往往需要通过与其它动力电池配合应用作为电动汽车的动力电源，以便满足电动汽车对功率和制动能量回收的要求，目前，国内已自主研制出单体7500 F的世界最大功率超级电容，并已实现量产，开始在有轨电车和城市公交车辆上应用；锂离子电池具有能量密度高、储能效率高、可快速充放电、适应性强、循环寿命长等优点，已被国内外主流电动汽车生产厂家作为动力电池使用。

目前，动力锂电池主要分为钴酸锂电池、锰酸锂电池和磷酸铁锂电池三大类，常用锂电池性能指标见表2[2-6]。

表2 不同材料锂离子电池性能指标比较 Table 2 Performance comparison of different materials for lithium ion batteries

美国电动汽车制造商特斯拉生产的Model S车型定位为豪华电动汽车，对车辆的续航里程要求较高，因而选择使用三元材料NCA锂电池。钴酸锂电池的能量密度相对较高，可达到 150～160 W·h/kg；磷酸铁锂电池能量密度为 130 W·h/kg（2010 年数据），现已接近 150～160 W·h/kg；锰酸锂电池的能量密度介于前两者之间；由于钴酸锂电池的热稳定性较差，受到挤压或冲击后易着火燃烧，除特斯拉外美国其它电动汽车基本上都采用了磷酸铁锂动力电池；日系车企现今大部分采用锰酸锂电池；国内车企基本上走的是磷酸铁锂动力电池的技术路线。比亚迪E6电动车采用的是自产的磷酸铁锂动力电池。

电池的热稳定性是导致热失控、起火的主要因素，是电动汽车安全性最重要的评价指标之一，相比较在3种电池中磷酸铁锂电池热稳定性最好，各项综合性能指标较好，因此被广泛作为电动汽车的动力电池使用[7-8]。

我国磷酸铁锂动力电池生产所需的原材料资源优势突出，现已基本形成动力电池产业化的体系，电池正负极、隔膜、电解质等关键材料的研发和国产化得到了国家的高度重视和扶持。《规划》提出，到 2015年“动力电池模块比能量达到 150 W·h/kg以上，成本降至2元/(W·h)以下，循环使用寿命稳定达到2000次或10年以上；到2020年，动力电池模块比能量达到300 W·h/kg以上，成本降至1.5元/(W·h)以下”，动力锂电池行业的快速健康发展将会为我国电动汽车大规模推广以及在家庭储能技术领域的应用提供有力的支撑。

3 家庭分布式储能是助力电动汽车 发展的需要

锂离子电池以比能量高、效率最高、各项综合性能指标较好等特点，被作为电动汽车储能和动力来源的首选。通常一辆家用电动汽车根据不同续航里程的需要，可以配置不同数量的动力电池组。特斯拉生产的Model S车型分别配置有60 kW·h和85 kW·h的动力电池组，对应的续航里程为370 km和480 km；比亚迪 E6纯电动汽车电池容量达到 60 kW·h，续航里程为300 km；上汽荣威E50纯电动汽车搭载18 kW·h的磷酸铁锂电池组，续航里程达到180 km；江淮第四代电动车爱意为（iEV4）电动汽车搭载 19 kW·h的磷酸铁锂电池组，匀速 60 km/h状态下续航里程为200 km，综合工况下耗电为 13 kW·h/100 km。按照电动汽车日行驶 150～250 km里程计算，一般需要配置15～25 kW·h的动力电池组。

2012年我国民用汽车保有辆为 12089万辆，其中私人汽车保有量9309万辆，同比增长18.3%。民用轿车保有量5989万辆，增长20.7%，其中私人轿车 5308万辆，增长 22.8%。从世界范围看，千人汽车保有量为128辆，而我国目前千人汽车保有量只有55辆，不到世界平均水平的一半。交通运输部在《交通运输业智能交通发展战略（2012－2020年）》中预测，2020年，我国汽车保有量将超过2亿辆。《中国汽车产业发展报告》预测到2020年及2030年全国公交车、公务车、出租车、私家车的保有量均值为9050万辆和19600万辆。《规划》提出 2020年我国各类电动汽车累计产销量达到500万辆，电动汽车推广比例仅占预测保有量的5.5%。2030年电动汽车按照20%的推广比例计算，即可达到3920万辆，电动私家车及电动出租车保有比例按照上述车型总保有量的88%计算，将达到3450万辆。

中国电力科学研究院李武峰[9]2010年的研究数据显示，我国电网平均峰谷差率约为1︰0.4，每天的低谷电总量近10亿千瓦时；据国家能源局发布的统计资料显示，截止2013年底我国发电装机总容量已经达到12.47亿千瓦，电网面临的调峰任务和压力日趋严峻。

家庭储能市场最早诞生于德国，1997年，德国政府为应对“弃核政策”，大力发展风能、光伏等可再生能源，实施了“百万屋顶计划”，对民间使用光伏电力给予高额度的补贴，大部分德国民众也因此实现了家庭电力的自给自足。面对多余的电量，德国民众选择将其储存起来，这也导致了德国乃至欧洲家庭储能市场的兴起。2013年、2014年德国政府计划投资5000万欧元，对新购买储能系统的用户直接进行补贴，将会推动家庭储能市场快速发展。

此外，2011年受日本大震灾影响，在电力供给不足的背景下，日本国内家庭对储能电池的需求也在不断增长，日本政府因此将家庭储能作为产业的扶持重点，2012年 4月出台了对家庭储能系统补助金政策，补助标准为所购新能源装置总价值的1/3，最高为 100万日元（按照当前汇率计算，约合60660元人民币）[10]。

另据网易汽车报道，2011年日本通过与我国锂电池制造商比亚迪公司合作，在日本推出了储能电池容量为2.4 kW·h、售价798000日元（按照当前汇率计算，约合48407元人民币）的家庭储能单元。这种储能单元用普通家庭的插座就可以对其充电，大约11 h就可以充满，停电的时候可以来驱动电器产品，如在给一个容量500 L的冰箱和42英寸超薄电视供电的情况下，大约可以使用12 h。日本索尼公司也开发了一款型号为ESSP-2000的UPS电池组，主要服务于农场和小型数据中心，内置的锂电池容量为2.4 kW·h，可以在2 h内完成95%的充电，最大功率1500 W，拥有6个AC 100 V输出接口，重198磅（1磅=0.45359237 kg），高2.5英尺（1英尺=0.3048 m），它在工作时可以给10台100 W的设备连续供电2.4 h，设计寿命长达10年，售价25750美元（按照当前汇率计算，约合 160278元人民币）。

图1为BYD公司生产的一款容量为660 W·h的小型磷酸铁锂电池储能系统，支持市电、光伏、汽车电源对其进行充电，可对外输出额定功率 1 kW、220 V/50 Hz的交流电用于各类型的负载，还可以输出5 V、12 V的直流电，为各种消费类电子产品和车辆供电。电池组循环寿命可达到3000次（100%DOD、25 ℃，容量不小于初始值的80%），该装置外形尺寸为 560 mm×420 mm×164 mm，质量约为 22 kg（图 1）。

图1 一款小型家用储能系统 Fig.1 Small household energy storage system

本文所述家庭分布式储能的具体实施方案，就是利用每个电动车拥有者家庭的车库或室内外的空间建设一个可以储存 15～25 kW·h的储能单元（按照通常一般家庭平均每天用电量约在 5～10 kW·h之间、家用电动汽车日平均行驶里程80 km，耗电约为10 kW·h；家庭用电负荷以白天及傍晚时段为主，晚间即可采用常规家用220 V交流电以16 A的电流对家庭储能单元进行补充充电，充电功率为 3.5 kW，储能单元完全充满电所需的时间约为4.3～7.1 h，所储存的电能即可满足日常家庭生活用电及电动汽车日行驶里程基本用电需要），储能单元中布置有 BMS、PCS和中央控制单元，接入交流市电后通过系统中配置的双向变流装置将其转化为直流电为电池组进行充电，电池组中储存的电能可通过系统中自带的交直流双向变流器向外部输出220 V/50 Hz交流电，可为电动汽车提供快速充电所需的直流电。上述规格的储能单元所需空间仅相当于一个普通双门电冰箱大小，按照目前锂离子电池价格计算，该储能单元造价约为4万～6万元。依靠现有技术就完全可以实现。

实际上家庭储能规模的大小可以根据家庭用电的需求灵活进行设定，家庭分布式储能装置体积不大、占用室内的空间较小，在已有地下车库的家庭中更加易于布置和实现。也可以像空调室外机那样将其布置在室外，不像大规模储能电站那样需要有专人值守，也不需要另外铺设送配电线路，符合能量就地、就近储存和使用的原则，相比较建设大规模抽水蓄能电站和其它类型的大型储能电站，成本更低，更易于实现。

家庭分布式储能单元不仅能够消化吸纳掉电网的波谷电能，同时还可以作为家庭分布式发电系统（如光伏发电）的储能单元使用，所储存的电能除能够满足一般家庭白天日常用电的需要之外，还可以用来为电动汽车进行快速充电以及作为家庭备用应急电源使用。将来还可以通过与智能电网连接，实现与电网的双向能量流动，起到配合电网调峰、利用波谷电价差来降低家庭用电成本的作用。

据北极星智能电网在线 2014年 4月 3日报道[11]，电动汽车动力电池性能下降后，不再适合作为电动汽车的动力电池使用时，将其应用于家庭储能系统是储能技术领域所面临的一项新课题，已经引起业界众多研究机构的关注，研究者都在试图通过回收电动汽车动力蓄电池，来建立更为廉价的家庭储能系统。该文中预测：“到2020年，家庭储能市场的规模将达到 300 MW，按照锂离子电池345美元/kW的安装成本计算，锂离子电池家庭储能系统的市场价值在1亿美元左右”，“更值得注意的是，在这一市场领域，目前来看还不存在其它储能技术参与竞争的可能性，锂离子电池有望独霸家庭储能市场”。

今后，当电动汽车上的动力锂电池性能下降至80%以下，不适合继续作为车用动力电池使用时，可以对其进行二次开发利用，将其应用于家庭储能系统。同时由于储能装置主要利用夜间进行补充充电，可充分利用波谷电价差，进一步降低家庭储能装置的单位建造成本和电力的使用成本（由于目前国家尚未出台电动汽车用电的具体电价，各地波谷电价及时段也不尽一致；现已投入运行的电动汽车运行时间还较短，动力电池未到更换周期，对更换下来的动力电池的残值如何计算等缺少实际应用数据，因而本文对动力电池二次开发利用可以节约的储能装置的建造成本及使用波谷电能所带来的 家庭及电动汽车用电成本降低的幅度未进行具体计算）。

即使按照《规划》提出的目标，到2020年实现各类电动汽车产销500万辆，其中家庭用电动汽车按照80%的比例保守计算，400万个拥有电动汽车家庭的储能设施建设所需的投资规模就可达到1600亿～2400亿元，家庭储能规模可达到0.6亿～ 1亿千瓦时；到 2030年家庭电动汽车总规模将达到3450万辆，家庭储能设施建设所需的投资规模将会达到1.38万亿～2.07万亿元，家庭储能规模可达到5.175亿～8.625亿千瓦时，其储能规模已经接近目前我国波谷电量10亿千瓦时的总和。进一步将这种储能方式逐步推广应用到我国2.7亿个家庭中，所需投资及家庭储能的规模将更加可观，对我国的能源储存方式及能源安全、经济发展都具有十分重要的战略意义[12]。

随着电动汽车大规模推广应用，利用电动汽车储能已引起业内专家的重视，如前所述，家用电动汽车储能是锂离子电池储能方式小型化、家庭化、分散化、机动化的另一种特殊方式，是家庭分布式储能的一个重要组成部分。

除了电动私家车、出租车以外，公共服务领域使用的各种电动公交车、电动环卫车、电动邮政车等车辆，也是分布式储能的一个组成部分。

家庭分布式储能和电动汽车储能作为新的储能体系的两个支点，无论从其储能规模、可行性以及满足电动汽车快速发展的需求来看，都具有不可估量的发展前景[13]。

4 结 语

本文基于“藏电于民”的储能理念，抛砖引玉、提出了“家庭分布式储能”的储能理念和建设模式。如上所述，电动汽车的大规模推广应用必将会对现有电网储能方式产生重大的影响，发展和建立家庭分布式储能体系是将大规模储能方式小型化的一种可行的储能技术解决方案，可以节约建设大规模储能电站所需的巨额投资，有利于电动汽车进入千家万户，改善环境和空气质量，有助于电动汽车大规模推广应用目标的实现，因此建议国家相关部门组织电力、新能源汽车运用的相关单位对其进行深入的研究和论证，尽快制定电动汽车用电的优惠价格，推动“家庭分布式储能”方案的尽快实施。

“家庭分布式储能”或将会引起现有大规模储能方式的一场巨大变革。

[1] 国发[2012]22号.国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020 年）的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zwgk/2012- 07/09/content_2179032.htm.

[2] Zhang Xueli（张雪莉），Li Jianning（李建宁），Li Ying（李赢）.Development of energy storage technology and its application in power system[J].Electrotechnical Application（电气应用），2012，6（2）：50-57.

[3] Luo Ni（骆妮），Li Jianlin（李建林）.Research progress of energy storage technology in power system[J].Power System and Clean Energy（电网与清洁能源），2012，28（2）：71-78.

[4] Zhao Yang（赵洋），Zhang Yicheng（张逸成），Kang Li（康丽）.Review on the technology of electric energy storage and its application[J].Journal of Dongguan University of Technology（东莞理工学院学报），2013，20（1）：11-16.

[5] Su Shi（苏适），Wang Zengxin（王增新）.磷酸铁锂电池储能系统的应用研究[J].Yunnan Electric Power（云南电力技术），2012，40（1）：98-102.

[6] Xu Shouping（许守平），Li Xiangjun（李相俊），Hui Dong（惠东）.A survey of the development and demonstration application of large-scale energy storage[J].Advances of Power System &Hydroelectric Engineering（电力建设），2013，34（7）：73-80.

[7] Zhang Bin（张宾），Lin Chengtao（林成涛），Chen Quanshi（陈全世）.Performance of LiFePO4/C Li-ion battery for electric vehicle[J].Chinese Journal of Power Sources（电源技术），2008，32（2）：95-98.

[8] Cai Song（蔡松），Huo Weiqiang（霍伟强）.Application and classification of EV power battery[J].Hubei Electric Powe（r湖北电力），2012，36（2）：70-72.

[9] Li Wufeng（李武峰）.电动汽车与智能电网[EB/OL].[2010-12].http://wenku.baidu.com/view/f7144bf9700abb68a982fb19.html.

[10] Zhang Zhen（张振），Yue Fen（岳芬），Yu Zhenhua（俞振华），Lai Xiaokang（来小康），Zhang Huamin（张华民），Chen Haisheng（陈海生），Wang Zidong（王子冬）.2013年储能政策和产业盘点[J].Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术），2014，3（1）：78-80.

[11] 北极星智能电网在线.从智利强震引发的对家庭储能系统思考[EB/OL].[2014-04-03].http://www.chinasmartgrid.com.cn/news/ 201404031501500.shtml.

[12] 国家发改委发改能源〔2013〕1381号.国家发展改革委关于印发《分布式发电管理暂行办法》的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/ zwgk/2013-08/14/content_2466462.htm.

[13] Liu Jian（刘坚），Hu Zechun（胡泽春）.电动汽车作为电力系统储能应用潜力研究[J].Energy of China（中国能源），2013，35（7）：32-37.