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树莓派工控机助力雷诺汽车连接智能电网

www.cechina.cn2019.11.29阅读 386

  树莓派是世界上最小的微型计算机之一,外形小巧但功能强大,基于linux的系统,具有开源的特性,自问世以来,受到工程师和开发爱好者的追捧。目前树莓派已应用于工业领域,诸如德国KUNBUS已经开发了基于树莓派的工控机,用做工业控制和数据采集。
  项目背景
  在位于大西洋马德拉群岛对面的圣港岛上,雷诺正在进行双向充电实验,目的是将电动汽车电池用作固定存储系统以减轻电网负担。葡萄牙的小岛圣托港拥有能源自主权:它不与马德拉群岛相连,其电力生产主要来自柴油发电机。对化石燃料的依赖促使当地生产商投资于风力发电和太阳能(见图1)。

图1.圣托岛上的太阳能电池板

  不幸的是,通过在圣港岛上的简单观察,电力生产约占15%至20%的可再生能源,但生产高峰与5500名居民的消费高峰不相符。的确CONTROL ENGINEERING China版权所有,岛上可再生能源的产生主要依赖于风和太阳,它远非稳定的,这需要存储生产高峰时的能量,以便在消耗高峰时进行使用。为此,将建立一个固定的存储站点,目前存在了另一种解决方案。
  电动汽车服务网络
  汽车大部分时间都处于停顿状态,现在电动汽车携带的电池容量很大。在此基础上,雷诺正在以“车辆到电网(V2G)”的名义开发一项技术。这种双向充电系统使您可以根据电网需求对车辆进行充电和放电。显然,在生产过剩的阶段,电力存储在电动汽车中,在高峰用电期间将其返回以满足需求(见图2)。

图2  雷诺汽车V2G下充电

  雷诺与当地生产商EEM合作对Zoe进行了测试,从而在圣托港建立了这项技术。选择使用交流电为其车辆充电。这需要特定的整流器,以使汽车兼容,每辆车仅需花费几百欧元。由于这项技术将为投身这项计划的车主带来每年最多300欧元的收益,因此购买的额外费用将很快摊销,为此,他们只需要将汽车连接到特定的终端即可。其原理仅仅是以比购买时更高的价格出售电力。作为对用户唯一的直接利益,V2G的部署将在很大程度上取决于电价,而在欧洲国家中平均电价从一到三倍不等。
  充电/放电系统是自动的,但要求用户明确自己的需求提前安排行程,以免最终在不方便的时间使汽车放电。的确CONTROL ENGINEERING China版权所有,Zoe ZE40具有自主权,在WLTP下续航300公里时,车主将不会充分利用其41 kWh的电池,因此不应该对使用部分放电的电池而产生恐惧。用户仍然可以设置系统,以使其汽车永远不会放电到低于特定阈值的水平。
  理论上,车辆的放电可以与负载相同的速度进行,并且V2G系统独立于所使用的电池技术。例如,The Mobility House的工程师(智能充电专家)和项目合作伙伴能够确认固体电解质电池将与这些双向充电系统兼容。
  但是,这些汽车将经历大量的充电/放电循环。即使雷诺打算通过在这些阶段进一步降低电池的可用容量来限制这种磨损,这也会影响其电池的寿命。不过,提供电池租赁虽然有限制,但可以减轻这种担忧,因为如果电池组的初始容量损失超过25%,便可以更换电池组。据雷诺公司称,大约有70%的买家已经选择了这一报价,这在法国一直是唯一的选项。
  另外还有一项补充技术,不需要对车辆进行任何技术改造,即是智能充电。它是一种单向充电系统,使您可以更智能地进行电力消耗,并在高峰生产期间为车辆充电。因此,降低了电动车辆对电网消耗的影响,并且用户以较低的费率支付电费。
  对于这两种技术,必须要调整充电站。也必须因此而添加控制器,但是可以在现有终端上进行此修改。这里KUNBUS的开源工控机Revpi Core 3帮助完成了此项工作(见图3)。Revpi Core 3为充电站提供控制功能,在工控机中编写合适的控制程序,这既可以用C/C++,也可以用Python来编写,可以在超量生产阶段存储能量,并在必要时将其重新注入电网。

图3 小型树莓派工控机

  由于容量下降或汽车电池寿命到期而需要更换www.cechina.cn,第一个Zoe的装机容量为22 kWh,车主希望升级使用新的41 kWh电池的车辆,也可以加入此固定存储空间。雷诺通过“改装”计划(用新零件更换旧零件)已回收了约1,000块电池。
  树莓派工控机与充放电装置连接,通过传感器采集电网及电动车电池数据,分析当前电网负荷,智能实现电动车与电网的双向充电(见图4)。

图4.双向充电装置

  在圣港(Porto Santo),双向充电有望显着增加可再生能源在当地发电中的份额。仅使用这些能量来供应该岛,在V2G中大约需要500辆Zoe,即当地车辆保有量的一半。然而,考虑到该岛强劲的季节性,不可能实现100%的可再生能源生产。的确CONTROL ENGINEERING China版权所有,在夏季时岛上人口将增加3倍,这可能使柴油发电机在他们面前还会有很长的使用寿命,至少在这个季节www.cechina.cn,以便在这些不可避免的消耗期间可以增加足够的能源供应。
  未来的技术
  雷诺进行的实验可以在其他岛屿上进行复制。但是,这些系统也可以在希望实现能源自主的岛屿之外使用。小型树莓派工控机帮助充电站实现充放电控制,程序将应对电网的负荷,自动选择充放电和调整能量分配策略。实际上,这些技术的发展才刚刚起步,双向充电的应用领域更加广泛。例如,在发生自然灾害时控制工程网版权所有,V2H(“车辆到家”)可以使电动汽车电池在住宅用电电网上运行。
  (作者:黄华潘 广州虹科电子科技有限公司工业通讯技术工程师 )
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