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樹莓派是世界上最小的微型計(jì)算機(jī)之一，外形小巧但功能強(qiáng)大，基于Linux系統(tǒng)，具有開源的特性，自問世以來，受到眾多工程師和開發(fā)愛好者的追捧。目前樹莓派已應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如德國KUnBUS已經(jīng)開發(fā)了基于樹莓派的工控機(jī)，用做工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集。

1　背景

在位于大西洋馬德拉群島對面的圣港島上，雷諾正在進(jìn)行雙向充電實(shí)驗(yàn)，目的是將電動(dòng)汽車電池用作固定存儲系統(tǒng)以減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。

葡萄牙的小島圣托港擁有能源自主權(quán)，它不與馬德拉群島相連，其電力生產(chǎn)主要來自柴油發(fā)電機(jī)。對化石燃料的依賴促使當(dāng)?shù)厣a(chǎn)商積極投資風(fēng)力發(fā)電和太陽能。

圖1 圣托島上的太陽能電池板

基于對圣港島的考察，可再生能源電力生產(chǎn)約占15％~20％，但生產(chǎn)高峰與島上5500名居民的消費(fèi)高峰不相符。而島上可再生能源的產(chǎn)生主要依賴于風(fēng)和太陽，由于電能生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，就需要存儲生產(chǎn)高峰時(shí)的能量，以便在耗電高峰時(shí)使用。

2　電動(dòng)汽車服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)在電動(dòng)汽車攜帶的電池容量很大，且汽車部分時(shí)間處于停頓狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，雷諾正在以“車輛到電網(wǎng)（V2G）”的名義開發(fā)一項(xiàng)技術(shù)。這種雙向充電系統(tǒng)使用戶可以根據(jù)電網(wǎng)需求對車輛進(jìn)行充電和放電。從而實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過剩的階段，電力存儲在電動(dòng)汽車中，在高峰用電期間再將其返回以滿足需求。

雷諾在圣托港開始這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)商EEM合作對Zoe進(jìn)行了測試。選擇使用交流電為其車輛充電，這需要特定的整流器，以使汽車兼容，每輛車需花費(fèi)幾百歐元。但由于這項(xiàng)技術(shù)可為投身這項(xiàng)計(jì)劃的車主帶來每年約300歐元的收益，因此購買整流器的額外費(fèi)用將很快攤銷，車主只需要將汽車連接到特定的終端即可。

充電/放電系統(tǒng)是自動(dòng)的，但要求用戶明確自己的需求提前安排行程，以免汽車在不方便的時(shí)間放電。Zoe ZE40具有自主權(quán)，用戶可以設(shè)置系統(tǒng)，以使其汽車永遠(yuǎn)不會放電到低于特定閾值的水平。

圖2 雷諾汽車V2G下充電

但是，使用這一技術(shù)，汽車將經(jīng)歷大量的充電/放電循環(huán)。即使雷諾計(jì)劃通過進(jìn)一步降低電池的可用容量來限制這種磨損，也會影響其電池的壽命。不過，提供電池租賃可以減輕這種擔(dān)憂，如果電池組的初始容量損失超過25％，便可以更換電池組。據(jù)雷諾公司稱，大約有70％的買家已經(jīng)選擇了這一服務(wù)。

另外還有一項(xiàng)補(bǔ)充技術(shù)，不需要對車輛進(jìn)行任何技術(shù)改造，即可實(shí)現(xiàn)智能充電。它是一種單向充電系統(tǒng)，使用戶可以更智能地進(jìn)行電力消耗，并在高峰生產(chǎn)期間為車輛充電。因此，降低了電動(dòng)車輛對電網(wǎng)消耗的影響，并且?guī)椭脩粢暂^低的費(fèi)率支付電費(fèi)。

對于這兩種技術(shù)，必須要調(diào)整充電站，并需要添加控制器，但是可以在現(xiàn)有終端上進(jìn)行此修改。KUnBUS的開源工控機(jī)Revpi Core 3幫助完成了此項(xiàng)工作。Revpi Core 3為充電站提供控制功能，在工控機(jī)中編寫合適的控制程序，既可以用C/C++，也可以用Python來編寫，可以在超量生產(chǎn)階段存儲能量，并在必要時(shí)將其重新注入電網(wǎng)。

圖3 小型樹莓派工控機(jī)

由于容量下降或汽車電池壽命到期而需要更換，第一個(gè)Zoe的裝機(jī)容量為22kW·h，車主希望升級使用新的41kW·h電池的車輛，也可以加入此固定存儲空間。雷諾通過“改裝”計(jì)劃（用新零件更換舊零件）已回收了約1,000塊電池。

樹莓派工控機(jī)與充放電裝置連接，通過傳感器采集電網(wǎng)及電動(dòng)車電池?cái)?shù)據(jù)，分析當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷，智能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車與電網(wǎng)的雙向充電。圖4為雙向充電裝置。

圖4 雙向充電裝置

3　未來的技術(shù)

在圣港（Porto Santo），雙向充電有望顯著增加可再生能源在當(dāng)?shù)匕l(fā)電中的份額。僅使用這些能量來供應(yīng)該島，在V2G中大約需要500輛Zoe，即當(dāng)?shù)剀囕v保有量的一半。雷諾進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也可以在其他島嶼上進(jìn)行復(fù)制。小型樹莓派工控機(jī)幫助充電站實(shí)現(xiàn)充放電控制，程序?qū)?yīng)對電網(wǎng)的負(fù)荷，自動(dòng)選擇充放電和調(diào)整能量分配策略。實(shí)際上，這些技術(shù)的發(fā)展才剛剛起步，雙向充電的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。例如，在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，V2H（車輛到家）可以使電動(dòng)汽車電池在住宅用電電網(wǎng)上運(yùn)行。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年12月刊