功率可擴展的V2G充放電系統設計及實現

牛高遠 孟凡提 劉苗苗 張逸群

摘 要：針對目前電動汽車V2G充電樁單接口的充放電功率恒定、無法擴展的問題，設計一種雙回路雙接口的V2G充放電系統，采用在功率模塊直流側進行功率投切控制的方式，使得充放電系統突破單接口額定功率的限制，有效進行充放電功率擴展。樣機的實驗數據表明，充放電系統能夠根據后臺指令，控制相應的接觸器投切動作，完成回路間功率模塊調用，準確響應后臺功率需求，輸出擴展后的充放電功率。

關鍵詞：V2G；充電樁；功率；擴展；設計

0 引言

我國新能源電動汽車保有量日益增多，作為“新基建”之一的充電樁是連接電動汽車和電網之間的關鍵設備，能夠為電動汽車提供充電服務。但在用電高峰期電動汽車集中充電時，能量的單向流動勢必會造成負荷曲線“峰上加峰”，導致電網負擔進一步加重，威脅設備和電網穩定運行[1]。以靈活化、網聯化為特征的電動汽車作為未來能源互聯網的儲能終端，也是智能電網的重要組成部分，為了最大程度利用電動汽車蓄電池移動儲能的特性[2]，眾多學者研究了V2G充放電系統[3-4]，它突破了傳統充電模式限制，使得“車-樁-網”之間能夠實現能量的雙向友好互動。車輛閑置電能可通過V2G充電樁為電網提供需求響應、調峰調頻、促進新能源消納等輔助服務，成為近年來的研究熱點[5-6]，且已出現相關V2G充電樁產品和應用示范站點 [7]。

然而，從市場調研情況看[8]，目前市面上的V2G充電樁內部只設置有V2G功率模塊，雖然實現了雙向能量互動，但單接口的最大充放電功率由該接口所分配的模塊個數決定，是恒定功率值，導致充電和放電功率均無法擴展，限制了為車主提供更靈活、高效的充放電服務能力。基于此，本文設計一種雙回路雙接口的V2G充放電系統，每個回路分配有相同數量的充電功率模塊和V2G功率模塊，且在每個模塊直流側設計有投切接觸器，和母線僑聯接觸器，雖然單接口額定功率一定，但可通過回路間的功率模塊借用的方式，實現充電和放電功率的擴展。

1 V2G充放電系統架構

設計的V2G充放電系統為對稱的雙回路形式，圖1為系統原理架構示意圖，1#和2#回路為獨立的系統，主要包括交流配電及計量單元、功率變換單元、直流接觸器單元、直流母線、直流配電及計量單元、充放電控制器等6個核心組成單元。以1#充放電回路為例，每個單元的作用及配置如下。

（1）交流配電及計量單元

該單元包括1臺交流斷路器1QF1、1臺交流接觸器1KM1和1臺雙向交流電表1PJ，主要實現交流側并網控制和短路保護功能，并對交流側的充電和放電電量進行雙向計量，為充電站運營商和電網結算提供計量依據。

（2）功率變換單元

該單元共配置3臺功率變換模塊，其中包括1#和2#普通充電功率模塊，分別為1AU1和1AU2，該充電模塊只能實現充電功能，額定充電功率均為20 kW；1臺V2G功率模塊為1AU3，該模塊具備雙向能量變換功能，根據指令可實現充電或放電，額定充放電功率為20 kW。

（3）直流接觸器單元

該單元在每個功率變換模塊的直流側，各配置2個投切直流接觸器，方便通過控制器進行功率投切控制，其中模塊1AU1、1AU2和1AU3分別通過直流接觸器1K1/1K2、1K3/1K4、1K5/1K6連接至直流母線L1和L2。當1#回路需要調用1AU1功率模塊時，則控制器控制直流接觸器1K1閉合，從而可將其輸出功率投切至直流母線L1上，其他功率模塊具有相同的投切機制。若1#或2#回路之間需要擴展功率而借用模塊時，除了應閉合相應模塊的投切接觸器外，還需閉合直流母線L1或L2的僑聯接觸器KQ1或KQ2。

（4）直流母線

L1、L2分別為1#回路和2#回路的直流母線，一般情況兩條母線中間通過僑聯接觸器KQ1或KQ2進行分斷，形成兩個完全獨立的回路，各功率變換模塊可將自身功率投切至需要并入的母線。

（5）直流配電及計量單元

該單元包括1臺直流輸出接觸器1K4、1臺熔斷器1R1、1臺分流器1F1、1臺雙向直流電度表1PZ和1個接口連接器1XS，主要實現直流側通斷控制、直流側過載及短路保護、直流變換能量的雙向計量，并提供充放電系統與車輛之間的連接接口。其中1K4受控于充放電控制器，連接直流配電設備和直流母線；1PZ通過采集母線電壓和分流器電壓數據實現直流計量，為車主結算提供依據；1XS設計為標準的連接器插頭。

（6）充放電控制器

充放電控制器AM主要與各功能單元之間實現互聯互通，其通過開入或開出接口，實現對交直流配電設備、各直流接觸器的狀態控制和采集；通過RS485通訊實現對交流和直流電表的計量數據采集，并加密后上傳至運營后臺；通過CAN通訊實現對各功率變換模塊的功率指令下發和電壓、電流、功率等實時數據和狀態獲取，且可通過CAN通訊與車輛蓄電池管理系統（battery management system，BMS）交互充放電流程和功率需求數據。

2 充放電功率擴展模式

由圖1中1#和2#回路配置的功率模塊可知，每個回路直流側的額定放電功率由1臺V2G功率模塊決定，額定值為20 kW；直流側的額定充電功率由2臺功率模塊和1臺V2G功率模塊決定，額定值為60 kW。若某一時刻，后臺下發或車輛BMS需求的充電或放電功率大于額定值，或大于當前可用模塊的總功率，則需要通過2個回路之間功率擴展的方式，滿足后臺或車輛需求。功率擴展模式主要有兩種，以下以1#回路為例對每種模式進行分類分析。

2.1 充電模式時的功率擴展

（1）設1#回路中需要擴展的充電功率為PC，單位為kW。若0

（2）若20（3）若40