随着电动汽车（EV）充电桩功率等级的不断提升，直接接入电网充电对电网造成了显著的负荷影响。在用电高峰时段，由负荷骤增引起的线路过载、电压波动和频率偏差等问题变得尤为突出。因此，需要储能电池作为高功率充电桩的缓冲单元。储能电池吸收光伏（PV）发电和谷时电网电力，并在用电高峰时段为电动汽车充电供电。这种配置不仅缓解了电网负荷影响，还通过利用峰谷时段的电价差产生了经济效益。为了充分适应光伏发电并最大化经济回报，储能电池的容量应根据季节性日光伏输出和电动汽车充电需求进行优化配置。此外，充放电调度策略是根据分时电价以及光伏发电与电动汽车充电负荷之间的功率平衡制定的。本文提出了一种新型光储充系统。通过重新配置接触器触点组合，该系统实现了优化的充放电控制，以缓解电网负荷扰动并最大化经济效益，同时减少了功率变换器的数量。与主流商业同类产品相比，所提出的系统降低了31.25%以上的制造成本，并将电动汽车充电效率提高了1.23%以上。

2.1. 提出的系统

2.1.1. 提出系统的拓扑结构

交流母线光伏储能充放电系统的拓扑结构如图所示图1a. 光伏组件通过光伏逆变器将光伏电能输入交流母线。由于光伏发电固有的波动性，电能无法直接供给电动汽车充电；而是通过双向功率转换系统（PCS）为储能电池充电。当光伏电能用于电动汽车充电时，储能电池通过PCS将电能放回交流母线，再通过充电桩输送至电动汽车。光伏逆变器、PCS和充电桩各包含两个转换器，整个过程共涉及8个功率转换阶段。由于每个转换阶段都会产生能量损耗，当使用光伏能源时，基于交流母线的系统充电效率相对较低。当电动汽车使用谷电充电时，电网通过PCS为储能电池充电；在峰电时段，电池通过PCS向交流母线供电，再经由充电桩传输至电动汽车，总共涉及6个功率转换阶段。对于电网直接为电动汽车充电，充电桩内仅需2个功率转换阶段。得益于其技术成熟度，基于交流母线的“光储充”系统在当前市场中仍被广泛部署。

图1。不同光伏储充系统的拓扑结构：（）交流母线；（）直流母线；（）无母线；（）提出的光伏储能充电系统。c) bus-free; (d) proposed PV storage–charging system.
由于储能电池存储的是直流电，且电动汽车也接受直流输入，因此通过交流母线进行配电需要经过直流-交流转换，随后再进行交流-直流转换。鉴于储能电池和电动汽车都不需要交流电，交流母线架构引入了不必要的功率转换环节，降低了系统的整体效率。因此，基于直流母线的光储充系统，如图所示图1b，已在市场上出现。对于光伏供电的电动汽车充电，光伏组件首先通过DC–DC2和DC–DC3转换器为储能电池充电，然后电池通过DC–DC3和DC–DC1转换器为电动汽车充电，仅涉及4个功率转换阶段。在利用谷电为电动汽车充电时，电网通过AC–DC转换器和DC–DC3为储能电池充电；在峰电时段，电池通过DC–DC3和DC–DC1为电动汽车供电，同样需要4个功率转换阶段。对于直接由电网供电的电动汽车充电，仅需通过AC–DC转换器和DC–DC1转换器进行2个转换阶段。
最初交流电和直流电母线系统的普及是由当时储能电池的高昂成本驱动的。只能部署小容量的储能电池作为辅助电源，电网作为主要电源。因此，需要一个公共母线来切换电网电源和储存的能量。2023年，磷酸铁锂（LFP）电池单体的峰值价格达到940元/千瓦时。随着生产效率的不断提高，2025年LFP电池单体的峰值价格降至270元/千瓦时。储能电池成本的大幅下降使得仅由储能电池供电的独立电动汽车充电成为可能，消除了对专用母线的需求。最近，如...所示的无母线光储充系统图1c，已进入市场。当使用光伏能源为电动汽车充电时，光伏组件首先通过DC–DC2为储能电池充电，随后电池通过DC–DC1为电动汽车充电，仅需2个功率转换阶段。对于谷电价充电，电网通过充电桩为储能电池充电，电池随后通过DC–DC1为电动汽车充电，总共涉及3个功率转换阶段。该无公交系统无法直接利用电网电力为电动汽车充电。其优点包括功率转换级数少、效率高，且对电网的读档影响极小；缺点在于需要大容量光伏组件和大规模储能电池，导致前期投资高且对场地要求严格。此外，在谷电和峰谷过渡时段进行光储充的经济效益不尽如人意。目前此类系统仅应用于超充场景（单枪功率超过350 kW）。
在无公交的储能充放电系统中，充电桩的DC-DC转换器输入电压范围为700V-800V，输出电压范围为400V-800V，而DC-DC1的输入电压范围为600V-800V，输出电压范围为400V-750V。它们的输入和输出电压范围是兼容的。充电桩中的DC-DC转换器主要用于在凌晨的谷电价时段为储能电池充电，而DC-DC1主要用于非谷电负荷时段的电动汽车充电，因此它们的运行时间窗口是交错的。因此，可以通过接触器触点重新配置电路拓扑结构，使DC-DC1转换器能够复用于不同的应用场景，从而省去一个DC-DC转换器。
所提出的新型光伏储充系统的拓扑结构如图所示图1d. 使用光伏能源为电动汽车充电时，光伏组件首先通过DC–DC2为储能电池充电；随后，接触器KM1和KM3闭合，电池通过DC–DC1为电动汽车充电，仅需两个功率转换阶段。在谷电价时段为电动汽车充电时，接触器KM2和KM4闭合，电网通过交流-直流转换器和直流-直流转换器为储能电池充电。接着，接触器KM1和KM3闭合，电池通过DC–DC1为电动汽车充电，总共涉及三个功率转换阶段。与无母线系统相比，所提出的系统通过DC–DC1的多路复用减少了一个转换器，并且在接触器KM1和KM3闭合的情况下，实现了平电价时段的电网供电电动汽车充电。此外，交流-直流阶段可采用输出电压固定的整流变压器，该技术已获得中国实用新型专利ZL 2024 2 2420156.7的保护，在提高效率的同时降低了成本。KM1与KM2、KM3与KM4、KM1与KM4之间应实现线圈与常闭接触器触点的电气互锁，以防止同时得电导致的故障。
根据IEC 60947-4-1 [9]和GB/T 14048.4 [10]，高功率接触器触点的电气寿命（在读档运行条件下）在电阻负载下可达60万至120万次操作，而机械寿命（在无负载运行条件下）可达300万至1000万次操作。可以在电路切换前关闭转换器，以实现无负载切换。在这种情况下，接触器触点的使用寿命与机械寿命一致，从而确保了所提出的新型光储充系统在整个生命周期内的可靠运行。

2.1.2. 拟议系统的控制系统

所提出的光伏储充系统的控制系统如图2所示。各组件的功能描述如下：

图2。新型光伏储充系统的控制系统。
BMS（电池管理系统）：实时监测电池单体电压、电流、温度、SOC（荷电状态）和SOH（健康状态）。一旦检测到任何异常，将立即触发警报并切断电路。
EMS（能量管理系统）：根据电价波动、负荷需求和电池状态确定充放电时间和功率，以实现最大经济效益。在拟议的光伏储充系统中，通过切换接触器触点的不同组合来实现能量管理。
消防系统：不仅能灭火，还能提供电池热失控预警、可燃气体监测和防爆泄压功能。
热控系统：电池性能对温度高度敏感。温度过高会加速电池老化，而温度过低则会恶化充放电性能。采用热控系统是为了使电池在适宜的温度范围内运行。尽管AC-DC和DC-DC模块配备了冷却风扇，但在高环境温度条件下，它们的正常运行仍可能受到影响。热控系统可以减轻环境温度对这些功率模块的不利影响。
通信网络：实现上述控制单元与控制中心之间的数据通信。
控制中心：监控光伏储充系统的运行状态，采集运行数据，并支持远程运维管理。