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樹莓派是世界上最小的微型計算機之一，外形小巧但功能強大，基于Linux系統，具有開源的特性，自問世以來，受到眾多工程師和開發愛好者的追捧。目前樹莓派已應用于工業領域，如德國KUnBUS已經開發了基于樹莓派的工控機，用做工業控制和數據采集。

1　背景

在位于大西洋馬德拉群島對面的圣港島上，雷諾正在進行雙向充電實驗，目的是將電動汽車電池用作固定存儲系統以減輕電網負擔。

葡萄牙的小島圣托港擁有能源自主權，它不與馬德拉群島相連，其電力生產主要來自柴油發電機。對化石燃料的依賴促使當地生產商積極投資風力發電和太陽能。

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約占15％~20％，但生產高峰與島上5500名居民的消費高峰不相符。而島上可再生能源的產生主要依賴于風和太陽，由于電能生產的不穩定性，就需要存儲生產高峰時的能量，以便在耗電高峰時使用。

2　電動汽車服務網絡

現在電動汽車攜帶的電池容量很大，且汽車部分時間處于停頓狀態。在此基礎上，雷諾正在以“車輛到電網（V2G）”的名義開發一項技術。這種雙向充電系統使用戶可以根據電網需求對車輛進行充電和放電。從而實現在生產過剩的階段，電力存儲在電動汽車中，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技術的應用，與當地生產商EEM合作對Zoe進行了測試。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，每輛車需花費幾百歐元。但由于這項技術可為投身這項計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/放電系統是自動的，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間放電。Zoe ZE40具有自主權，用戶可以設置系統，以使其汽車永遠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，汽車將經歷大量的充電/放電循環。即使雷諾計劃通過進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。據雷諾公司稱，大約有70％的買家已經選擇了這一服務。

另外還有一項補充技術，不需要對車輛進行任何技術改造，即可實現智能充電。它是一種單向充電系統，使用戶可以更智能地進行電力消耗，并在高峰生產期間為車輛充電。因此，降低了電動車輛對電網消耗的影響，并且幫助用戶以較低的費率支付電費。

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

圖3 小型樹莓派工控機

由于容量下降或汽車電池壽命到期而需要更換，第一個Zoe的裝機容量為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。

樹莓派工控機與充放電裝置連接，通過傳感器采集電網及電動車電池數據，分析當前電網負荷，智能實現電動車與電網的雙向充電。圖4為雙向充電裝置。

圖4 雙向充電裝置

3　未來的技術

在圣港（Porto Santo），雙向充電有望顯著增加可再生能源在當地發電中的份額。僅使用這些能量來供應該島，在V2G中大約需要500輛Zoe，即當地車輛保有量的一半。雷諾進行的實驗也可以在其他島嶼上進行復制。小型樹莓派工控機幫助充電站實現充放電控制，程序將應對電網的負荷，自動選擇充放電和調整能量分配策略。實際上，這些技術的發展才剛剛起步，雙向充電的應用領域更加廣泛。例如，在發生自然災害時，V2H（車輛到家）可以使電動汽車電池在住宅用電電網上運行。

摘自《自動化博覽》2019年12月刊