功率可扩展的V2G充放电系统设计及实现

牛高远 孟凡提 刘苗苗 张逸群

摘 要：针对目前电动汽车V2G充电桩单接口的充放电功率恒定、无法扩展的问题，设计一种双回路双接口的V2G充放电系统，采用在功率模块直流侧进行功率投切控制的方式，使得充放电系统突破单接口额定功率的限制，有效进行充放电功率扩展。样机的实验数据表明，充放电系统能够根据后台指令，控制相应的接触器投切动作，完成回路间功率模块调用，准确响应后台功率需求，输出扩展后的充放电功率。

关键词：V2G；充电桩；功率；扩展；设计

0 引言

我国新能源电动汽车保有量日益增多，作为“新基建”之一的充电桩是连接电动汽车和电网之间的关键设备，能够为电动汽车提供充电服务。但在用电高峰期电动汽车集中充电时，能量的单向流动势必会造成负荷曲线“峰上加峰”，导致电网负担进一步加重，威胁设备和电网稳定运行[1]。以灵活化、网联化为特征的电动汽车作为未来能源互联网的储能终端，也是智能电网的重要组成部分，为了最大程度利用电动汽车蓄电池移动储能的特性[2]，众多学者研究了V2G充放电系统[3-4]，它突破了传统充电模式限制，使得“车-桩-网”之间能够实现能量的双向友好互动。车辆闲置电能可通过V2G充电桩为电网提供需求响应、调峰调频、促进新能源消纳等辅助服务，成为近年来的研究热点[5-6]，且已出现相关V2G充电桩产品和应用示范站点 [7]。

然而，从市场调研情况看[8]，目前市面上的V2G充电桩内部只设置有V2G功率模块，虽然实现了双向能量互动，但单接口的最大充放电功率由该接口所分配的模块个数决定，是恒定功率值，导致充电和放电功率均无法扩展，限制了为车主提供更灵活、高效的充放电服务能力。基于此，本文设计一种双回路双接口的V2G充放电系统，每个回路分配有相同数量的充电功率模块和V2G功率模块，且在每个模块直流侧设计有投切接触器，和母线侨联接触器，虽然单接口额定功率一定，但可通过回路间的功率模块借用的方式，实现充电和放电功率的扩展。

1 V2G充放电系统架构

设计的V2G充放电系统为对称的双回路形式，图1为系统原理架构示意图，1#和2#回路为独立的系统，主要包括交流配电及计量单元、功率变换单元、直流接触器单元、直流母线、直流配電及计量单元、充放电控制器等6个核心组成单元。以1#充放电回路为例，每个单元的作用及配置如下。

（1）交流配电及计量单元

该单元包括1台交流断路器1QF1、1台交流接触器1KM1和1台双向交流电表1PJ，主要实现交流侧并网控制和短路保护功能，并对交流侧的充电和放电电量进行双向计量，为充电站运营商和电网结算提供计量依据。

（2）功率变换单元

该单元共配置3台功率变换模块，其中包括1#和2#普通充电功率模块，分别为1AU1和1AU2，该充电模块只能实现充电功能，额定充电功率均为20 kW；1台V2G功率模块为1AU3，该模块具备双向能量变换功能，根据指令可实现充电或放电，额定充放电功率为20 kW。

（3）直流接触器单元

该单元在每个功率变换模块的直流侧，各配置2个投切直流接触器，方便通过控制器进行功率投切控制，其中模块1AU1、1AU2和1AU3分别通过直流接触器1K1/1K2、1K3/1K4、1K5/1K6连接至直流母线L1和L2。当1#回路需要调用1AU1功率模块时，则控制器控制直流接触器1K1闭合，从而可将其输出功率投切至直流母线L1上，其他功率模块具有相同的投切机制。若1#或2#回路之间需要扩展功率而借用模块时，除了应闭合相应模块的投切接触器外，还需闭合直流母线L1或L2的侨联接触器KQ1或KQ2。

（4）直流母线

L1、L2分别为1#回路和2#回路的直流母线，一般情况两条母线中间通过侨联接触器KQ1或KQ2进行分断，形成两个完全独立的回路，各功率变换模块可将自身功率投切至需要并入的母线。

（5）直流配电及计量单元

该单元包括1台直流输出接触器1K4、1台熔断器1R1、1台分流器1F1、1台双向直流电度表1PZ和1个接口连接器1XS，主要实现直流侧通断控制、直流侧过载及短路保护、直流变换能量的双向计量，并提供充放电系统与车辆之间的连接接口。其中1K4受控于充放电控制器，连接直流配电设备和直流母线；1PZ通过采集母线电压和分流器电压数据实现直流计量，为车主结算提供依据；1XS设计为标准的连接器插头。

（6）充放电控制器

充放电控制器AM主要与各功能单元之间实现互联互通，其通过开入或开出接口，实现对交直流配电设备、各直流接触器的状态控制和采集；通过RS485通讯实现对交流和直流电表的计量数据采集，并加密后上传至运营后台；通过CAN通讯实现对各功率变换模块的功率指令下发和电压、电流、功率等实时数据和状态获取，且可通过CAN通讯与车辆蓄电池管理系统（battery management system，BMS）交互充放电流程和功率需求数据。

2 充放电功率扩展模式

由图1中1#和2#回路配置的功率模块可知，每个回路直流侧的额定放电功率由1台V2G功率模块决定，额定值为20 kW；直流侧的额定充电功率由2台功率模块和1台V2G功率模块决定，额定值为60 kW。若某一时刻，后台下发或车辆BMS需求的充电或放电功率大于额定值，或大于当前可用模块的总功率，则需要通过2个回路之间功率扩展的方式，满足后台或车辆需求。功率扩展模式主要有两种，以下以1#回路为例对每种模式进行分类分析。

2.1 充电模式时的功率扩展

（1）设1#回路中需要扩展的充电功率为PC，单位为kW。若0

（2）若20（3）若40