深入淺出地探討CCS充電標準的基本原理

導 言

隨著電動汽車的普及，充電技術(shù)成為推動電動交通發(fā)展的核心要素之一。其中，CCS（Combined Charging System）充電標準作為一種全球性的充電標準，被廣泛應(yīng)用于歐美市場電動汽車的快速充電系統(tǒng)。隨著中國企業(yè)逐步進軍歐美市場，CCS充電標準也逐漸受到更多工程師的關(guān)注。

本文將深入淺出地探討CCS充電標準的基本原理、特點以及相關(guān)一致性測試標準。

溫馨提示，文末有驚喜

一

CCS充電標準的發(fā)展歷程和接口設(shè)計：

?

CCS充電標準的歷史可以追溯到2011年。當時，歐洲、北美和亞洲的電動汽車市場出現(xiàn)了不同的充電標準，這給全球范圍內(nèi)的電動汽車發(fā)展帶來了互操作性和充電便利性的問題。為解決這一問題，歐洲汽車制造商協(xié)會（ACEA）提出了CCS 充電標準提案，旨在將交流和直流充電整合為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。連接器物理接口上設(shè)計為集成了交流和直流接口的組合式插座，能夠兼容3種充電模式：單相交流充電、三相交流充電以及直流充電?？梢詾殡妱悠囂峁└`活的充電選擇。CCS Combo 1.0標準于2012年正式發(fā)布。

在2014年，CCS Combo 2.0發(fā)布，版本是對之前版本的重要升級，進一步提高了充電功率，支持更快速的直流充電。這一版本的CCS標準也在歐州和北美市場得到廣泛采用。此后CCS標準又于2017和2020年進行了兩次迭代（CCS Combo 2.0.1和CCS Combo 2.0.2），進一步提高了充電功率以及提升了安全性。

圖 1: CCS1和CCS2接口示意

因為歷史原因，CCS包含了兩種物理插頭設(shè)計。上圖中左邊是CCS Type 2插頭（簡稱CCS2），主要用于歐洲市場。而右邊為CCS Type 1（簡稱CCS1），主要用于北美市場，包括美國和加拿大。CCS中的第一個字母C是Combined的首字母。之所以稱之為“聯(lián)合”，是因為充電端口集成了交流部分（上半部分）和直流部分（下半部分）。在交流充電時僅使用上半部分接口，在直流充電進程中使用下部的直流接口用于能量傳輸，上部插頭的部分針腳用于通信。值得一提的是，區(qū)別于國標直流充電使用的CAN通訊，在CCS交直流充電中電動汽車（EV）和充電樁（EVSE）之間的通信均是通過 Control Pilot（CP）接口來實現(xiàn)的。于充電控制相關(guān)的引腳為：

CP - Control Pilot：

傳輸 PWM 信號用于交流充電控制及基于電力線通訊（PLC）的調(diào)制信號用于在交流或直流充電中建立高級別通訊。

PP - Proximity Pilot：

此針腳和PE間具有一個預置的電阻，通過此針腳讓EV識別到充電槍頭已經(jīng)連接并且識別線纜的最高載流能力。

PE - Protective Earth：

用于EV接地保護，同時也作為CP和PP的參考地。

二

CCS涉及的國際標準：

?

與充電相關(guān)的標準龐大而復雜，受篇幅所限，本文將對CCS交流與直流充電緊密相關(guān)的幾個標準進行簡單闡述。

圖 2：CCS涉及的國際標準

IEC?61851-1

IEC 61851系列標準是由IEC組織制定的國際上最早的充電系統(tǒng)標準，可以稱之為充電標準的基石。其無論是對其他國家充電系統(tǒng)標準的制定或是后續(xù)充電標準例如DIN70121或ISO15118的制訂都具有重要的參考意義。

其中IEC61851-1規(guī)定了充電系統(tǒng)的通用要求尤其是包含了交流充電的規(guī)范。包括我國的交流充電標準GB/T18487.1-2015也借鑒了相同的控制導引方式。

圖 3：IEC 61851-1中定義的交流充電控制導引方式

交流充電控制導引簡單來說是通過充電槍頭的連接以及控制車端S2開關(guān)的開合實現(xiàn)CP線路上檢測點電壓的變化，從而實現(xiàn)車和樁對于充電狀態(tài)的識別和切換。此外，充電樁通過產(chǎn)生不同占空比的PWM信號告知車輛能夠提供的最大電流。

由于交流充電過程中實際充電策略由車載充電機OBC實現(xiàn)。因此僅僅通過檢測點電壓和占空比變化便可以滿足車和樁信息交互的要求。到了直流充電，由于車和樁的信息交互需求明顯增加，簡單的模擬量信號已經(jīng)無法滿足需求了。因此IEC 61851-1在模式四中定義了通過CP線實現(xiàn)高級別通信（HLC）以傳輸IEC 61851-23中定義的直流充電協(xié)議。

CCS的高級別數(shù)字通信采用了基于HomePlug GreenPHY作為數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的電力線通訊（Power Line Communication，簡稱PLC）。簡單來說就是通過安裝在充電樁或車輛CP信號電路上的調(diào)制解調(diào)器將OFDM調(diào)制的高頻信號耦合在CP信號線上，并由另一端的調(diào)制解調(diào)器進行解調(diào)。從而在不增加額外通訊引腳的情況下實現(xiàn)高達10 Mbit/s的通訊速率，為直流充電信息交互以及高級功能例如即插即充甚至車網(wǎng)互動提供高帶寬的信息交互通道。

圖 4：CCS的高級別通訊（HLC）實現(xiàn)原理示意

如上文所述，引入PLC通訊可以在保持CCS交流部分物理接口不變的情況下實現(xiàn)高級別通信，可以在保持兼容性的基礎(chǔ)上將交流和直流電氣接口高度集成。但是帶來的缺點也同樣明顯：首先CP導引電路中必須增加調(diào)制解調(diào)電路，HomePlug GreenPHY的芯片價格昂貴，間接增加了CCS的應(yīng)用成本；此外，因為PLC通信基于高頻信號，因此對于傳輸媒介也就是充電線纜的質(zhì)量提出了較高要求。在我們?nèi)粘f(xié)助客戶測試中偶爾遇到因為線纜或接插端子問題導致信號衰減過大從而無法建立充電握手的情況。

圖 5：通過Keysight CDS測試系統(tǒng)測量的正常PLC信號增益（左）與異常增益（右）

DIN?SPEC?70121

DIN 70121標準是由德國標準化學會與2012年發(fā)布的用于電動車與直流充電樁之間數(shù)字通信的規(guī)范性標準。早在2011年，寶馬集團就已經(jīng)發(fā)布了純電概念車i3和i8并宣布在2013年上市。但此時ISO/IEC 15118標準還在起草制定中，德國汽車行業(yè)迫切需要一份標準來規(guī)范市場并推出產(chǎn)品。因此，DIN 70121 帶著振興德國汽車電氣化轉(zhuǎn)型的使命誕生。它基于IEC 61851-23 和 ISO 15118 早期未發(fā)布的版本，定義了直流充電過程中的數(shù)字通訊規(guī)范。通俗的說，DIN 70121標準規(guī)定了采用CP信號線作為傳輸媒介、PLC作為數(shù)據(jù)鏈路、使用MAC和TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸層的通訊模式以及規(guī)范了高級別通訊的握手、交互流程以及報文內(nèi)容，從而解決了當時直流充電行業(yè)沒有標準的燃眉之急。

在2014年，德國標準化學會又發(fā)布了DIN 70121:2014 Ed.2，修正了部分問題。2018年又正式發(fā)布了針對DIN 70121的一致性測試規(guī)范DIN 70122:2018。至此，CCS充電有了一整套相對完整的標準及一致性測試體系。

圖 6：DIN 70121 及 DIN 70122在OSI七層模型中的覆蓋范圍

由于發(fā)布時間緊迫，DIN 70121在實際運用當中發(fā)現(xiàn)了很多缺陷或無法實施的問題。這里就不得不提到一個在歐洲充電行業(yè)非?；钴S的組織---- 電動汽車充電接口倡議組織（CharIN e.V.）。這個組織在2015年由歐洲的幾家頭部汽車公司發(fā)起，目前已經(jīng)有164位核心成員以及139位會員。CharIN組織旨在聯(lián)合行業(yè)共同完善CCS充電標準，其中最有代表性的就是每年的測試會（CharIN Testival）：他們通過測試會組織行業(yè)內(nèi)車企和樁企進行互操作性測試并將測試中遇到的問題收集起來，而后發(fā)布了針對DIN 70121和DIN 70122中問題的應(yīng)用指南（CharIN Implementation Guide for DIN 70121:2014）和一致性測試例（CharIN Test Cases for DIN 70121:2014 Implementation Guide）。這兩份指導文件作為對DIN標準的補充和修正，也會在今后的DIN版本中得到采納。目前，隨著CharIN組織的不斷壯大，他們已經(jīng)不局限于CCS標準而放眼全球充電標準了。

CharIN組織還定義了CCS充電標準的三個階段，而DIN 70121就屬于Basic階段。

圖 7：CCS發(fā)展的三個階段

ISO?15118

了解了上文所述的背景后不難理解，DIN SPEC 70121 就是作為臨時解決方案而發(fā)布的。而于2014年首次發(fā)布的 ISO 15118 才是原規(guī)劃中CCS充電的規(guī)范性標準。ISO 15118由于其全面性和復雜性而分成了三個部分：

15118-1 規(guī)定了充電系統(tǒng)的通用要求，15118系列標準的綱領(lǐng)性文件

15118-2規(guī)定了交流和直流充電中網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議要求（OSI模型中3~7層)

15118-3定義了物理和數(shù)據(jù)鏈路層要求（OSI 模型中1~2層)

同時標準組也在2018年發(fā)布了一致性測試標準，分別為ISO 15118-4 和 ISO 15118-5。

圖 8：ISO 15118標準中各部分的覆蓋范圍

作為一套相對完善的充電協(xié)議標準，相對于DIN 70121僅支持直流充電而言，ISO 15118增加了交流充電的支持。此外，ISO 15118 引入了兩種充電用戶身份識別方法：外部識別模式 (EIM) 和即插即充 (PnC) 模式。EIM模式下用戶需要在充電過程開始之前通過傳統(tǒng)刷卡或掃碼等方式完成鑒權(quán)；在 PnC 模式下，識別和計費信息都通過 高級別通信在 EV 和 EVSE 之間自動交換，不需要用戶手動執(zhí)行。此外ISO 15118 還提出了智能充電的概念，允許車輛根據(jù)電網(wǎng)容量和能源成本來智能安排充電時間。為了保證即插即充（PnC）等功能的安全性，ISO 15118增加了傳輸層安全 (TLS) 加密通信、數(shù)字證書和基于 XML 的數(shù)字簽名的要求以強化通訊安全性。從下圖可以看到，ISO標準對CCS充電高級別通信的協(xié)議棧有了清晰且明確的定義。且無論交流充電也可以建立高級別通訊以實現(xiàn)PnC或增值功能。

圖 9：ISO 15118的協(xié)議棧

圖 10：V2G報文包含交流和直流充電交互內(nèi)容

由于協(xié)議的成熟性，目前在歐美市場上仍然擁有大量支持DIN 70121的車和充電樁。但可以預見，隨著ISO 15118標準的逐步完善和廣泛實施，DIN 70121將會逐步退出歷史舞臺。

ISO?15118-20

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的崛起，對于智能充電（Smart Charging）、車網(wǎng)互動（V2G）以及無線充電的需求也逐步顯現(xiàn)出來。針對這些需求，ISO工作組在2022年4月正式推出了ISO 15118-20標準。它在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議上做出了諸多創(chuàng)新，包括能量傳輸模式、物理層和信息安全。至此，CCS充電標準來到了第三階段。

圖 11：ISO 15118-20標準及一致性測試標準劃分

ISO 15118-20的核心在于增加了以下三大功能：

Automated Connection Device （ACD）：自動連接裝置，主要用于商用車到站后自動充電補能

Wireless Power Transfer （WPT）：無線充電功能，包括了電能以及控制導引信號的無線傳輸

Bidirectional Power Transfer（BPT）：雙向功率傳輸，也就是V2G。在支持充電的基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)電網(wǎng)負荷選擇放電并逆變回饋電網(wǎng)，以達到削峰填谷的作用。

此外，在以下方面也有修改和提升：

?

鑒權(quán)過程在service?discovery之前進行并且優(yōu)化了服務(wù)處理流程

?

在暫停模式的基礎(chǔ)上又增加了待機模式（standby?mode）

?

引入了模塊化XML結(jié)構(gòu)

?

整合TLS1.2至1.3版本，加入了白名單和黑名單

?

支持多個合同證書

?

可選支持TPM功能等

同時，為了配合無線充電功能，ISO 15118-8定義了基于WLAN的無線數(shù)字通訊方式作為高級別通訊的媒介。

如圖11所示，在一致性測試標準方面，因為ISO 15118-20中定義了較多新功能，而這些功能不一定會完整應(yīng)用到新產(chǎn)品中。例如一個支持ISO 15118-20的直流充電樁只開發(fā)了BPT但并沒有ACD或WPT功能。為了應(yīng)對這種情況，減少研發(fā)和測試工程師對于一致性測試例區(qū)分上的困擾，標準組決定將一致性測試劃分為通用一致性測試例（ISO15118-21）和以功能區(qū)分的特定測試例（ISO 15118-22 ~ ISO 15118-25）。也就是說，對于上述舉例的直流充電樁，測試工程師只需要跑完ISO 15118-21通用測試例以及針對直流的ISO 15118-23測試例就可以了。

三

CCS充電標準展望：

圖 12：CCS充電高級別通信相關(guān)標準發(fā)布狀態(tài)

這里我們整理了與CCS相關(guān)數(shù)字通信標準的發(fā)布時間線，可以相對直觀地看出標準的對應(yīng)及迭代關(guān)系。從上圖可以看到從標準發(fā)布到一致性測試標準的推出還會經(jīng)歷一段時間的空窗期。針對ISO 15118-20的一致性測試標準已經(jīng)在2022年2月啟動了起草工作，是德科技也參與其中。不久的將來在一致性測試標準正式發(fā)布時是德科技也將及時跟進提供相應(yīng)的一致性測試方案。

介紹了這么多，從上文也可以看出CCS基于IPv6的通訊模式確實具有極大的靈活性和可擴展性。尤其是在數(shù)據(jù)安全層面有了TLS的支持下可以安全地實現(xiàn)即插即充功能。且TCP/IP協(xié)議棧較為成熟，開發(fā)人員甚至可以基于現(xiàn)有成熟方案對從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層進行開發(fā)及驗證。后期在實現(xiàn)無線充電功能時也只需要修改物理層和數(shù)據(jù)鏈路層即可。

圖 13：分布式能源概念（引用）

正如前文所述，BPT（V2G）將是今后歐美充電市場的發(fā)展重點。因為歐美能源結(jié)構(gòu)的特點，分布式能源（DER）已經(jīng)成為了被廣泛接受和認可的發(fā)展方向。EV的電池作為一個天生優(yōu)質(zhì)的儲能媒介，一定需要參與到智能電網(wǎng)的調(diào)控之中?，F(xiàn)有新標準的發(fā)布在技術(shù)上僅僅掃除了從車到充電樁端的障礙，但是從樁到運營平臺再到電力分銷商仍然面臨諸多標準不一致的問題。

另外由于CCS的通訊特點，基于現(xiàn)有技術(shù)不僅能實現(xiàn)直流的功率雙向傳輸，也可以實現(xiàn)交流V2G。因此，與交流并網(wǎng)相關(guān)的一致性測試也有可能成為未來新能源車研發(fā)人員的一個關(guān)注方向。

審核編輯：黃飛

?