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系统，具有开源的特性，自问世以来，受到众多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，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。

1　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积极投资风力发电和太阳能。

图1 圣托岛上的太阳能电池板

基于对圣港岛的考察，可再生能源电力生产约占15％~20％，但生产高峰与岛上5500名居民的消费高峰不相符。而岛上可再生能源的产生主要依赖于风和太阳，由于电能生产的不稳定性，就需要存储生产高峰时的能量，以便在耗电高峰时使用。

2　电动汽车服务网络

现在电动汽车携带的电池容量很大，且汽车部分时间处于停顿状态。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用户可以根据电网需求对车辆进行充电和放电。从而实现在生产过剩的阶段，电力存储在电动汽车中，在高峰用电期间再将其返回以满足需求。

雷诺在圣托港开始这项技术的应用，与当地生产商EEM合作对Zoe进行了测试。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，每辆车需花费几百欧元。但由于这项技术可为投身这项计划的车主带来每年约300欧元的收益，因此购买整流器的额外费用将很快摊销，车主只需要将汽车连接到特定的终端即可。

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，以免汽车在不方便的时间放电。Zoe ZE40具有自主权，用户可以设置系统，以使其汽车永远不会放电到低于特定阈值的水平。

图2 雷诺汽车V2G下充电

但是，使用这一技术，汽车将经历大量的充电/放电循环。即使雷诺计划通过进一步降低电池的可用容量来限制这种磨损，也会影响其电池的寿命。不过，提供电池租赁可以减轻这种担忧，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服务。

另外还有一项补充技术，不需要对车辆进行任何技术改造，即可实现智能充电。它是一种单向充电系统，使用户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，并且帮助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，并需要添加控制器，但是可以在现有终端上进行此修改。KUnBUS的开源工控机Revpi Core 3帮助完成了此项工作。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，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，第一个Zoe的装机容量为22kW·h，车主希望升级使用新的41kW·h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。图4为双向充电装置。

图4 双向充电装置

3　未来的技术

在圣港（Porto Santo），双向充电有望显著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。雷诺进行的实验也可以在其他岛屿上进行复制。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，V2H（车辆到家）可以使电动汽车电池在住宅用电电网上运行。

摘自《自动化博览》2019年12月刊