G3-PLC技術(shù)最終使電動(dòng)汽車充電智能化

本文探討了電動(dòng)汽車 （EV） 和電動(dòng)汽車服務(wù)設(shè)備 （EVSE） 之間可靠通信所需的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)將表明G3-PLC系統(tǒng)已經(jīng)滿足汽車和公用事業(yè)行業(yè)制定的標(biāo)準(zhǔn)。多項(xiàng)國際測試證明，G3-PLC實(shí)現(xiàn)是最佳的低頻解決方案。

電動(dòng)汽車（EV）和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）首次建立了一個(gè)可行的移動(dòng)電能消費(fèi)者市場。毫不奇怪，電力供應(yīng)商（公用事業(yè)公司）和車主之間的新關(guān)系正在出現(xiàn)。許多公用事業(yè)公司已經(jīng)或計(jì)劃向電動(dòng)汽車車主提供特殊關(guān)稅，包括固定的月費(fèi)率。

電動(dòng)汽車對電力供應(yīng)本身提出了新的動(dòng)力和要求。事實(shí)上，電動(dòng)汽車和能源供應(yīng)商之間正在發(fā)展一種共生關(guān)系。

由于其大存儲容量（通常為10kVH），電動(dòng)汽車在數(shù)小時(shí)內(nèi)吸收80A或更高的電流。這給電網(wǎng)組件帶來了壓力，尤其是低壓變壓器，在為消費(fèi)者家庭提供服務(wù)時(shí)可能會(huì)過熱和失效。同時(shí)，電動(dòng)汽車的蓄電容量也可以逆轉(zhuǎn)電流。然后，它可以將電力供應(yīng)回電網(wǎng)，從而幫助公用事業(yè)公司滿足需求高峰，而無需啟動(dòng)高碳輸出的柴油發(fā)電機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)這種新的動(dòng)態(tài)關(guān)系，電動(dòng)汽車和能源供應(yīng)商必須進(jìn)行溝通。公用事業(yè)公司必須能夠驗(yàn)證單個(gè)車輛，并且需要雙向通信來支持功率流速和方向的協(xié)商。為了滿足這一新的市場需求，包括汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電工委員會(huì)（IEC）在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)組織正在努力指定連接電動(dòng)汽車和充電站的通信系統(tǒng)，稱為電動(dòng)汽車服務(wù)設(shè)備（EVSE）。將這種安全、可靠的雙向通信集成到現(xiàn)有的電力輸送系統(tǒng)中涉及許多關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問題。與此同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車充電已成為關(guān)鍵的行業(yè)需求，智能電網(wǎng)的新標(biāo)準(zhǔn)G3-PLC已成為電力線上能源管理通信的領(lǐng)先技術(shù)。

本文探討了可靠的 EV 到 EVSE 通信所需的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)將表明G3-PLC系統(tǒng)已經(jīng)滿足汽車和公用事業(yè)行業(yè)制定的標(biāo)準(zhǔn)。多項(xiàng)國際測試證明，G3-PLC實(shí)現(xiàn)是最佳的低頻解決方案。

EV 到 EVSE 的通信標(biāo)準(zhǔn)

三年多來，汽車公司一直在研究和測試各種EV到EVSE通信解決方案。汽車界已將其測試范圍縮小到兩種電力線通信（PLC）解決方案，重點(diǎn)是G3-PLC系統(tǒng)作為低頻選項(xiàng)。可行的通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)很多，設(shè)計(jì)人員正在考慮所有可能性。

重要的溝通標(biāo)準(zhǔn)是：

可靠性 — 強(qiáng)大的通信和汽車級組件

遵守 EMC、關(guān)聯(lián)和串?dāng)_要求

全球遵守電力線法規(guī)

在控制先導(dǎo)線上操作

在交流或直流電源上運(yùn)行

為能源管理系統(tǒng)提供安全聯(lián)網(wǎng)支持

此外，汽車解決方案對IC設(shè)計(jì)人員和制造商提出了特殊的挑戰(zhàn)。IC必須在對環(huán)境不利的條件下生存。它必須可靠運(yùn)行 10 到 20 年，并滿足汽車特定的認(rèn)證/質(zhì)量保證計(jì)劃。

G3-PLC 針對 EV 到 EVSE 通信進(jìn)行了優(yōu)化

一段時(shí)間后，在汽車行業(yè)調(diào)查的同時(shí)，公用事業(yè)行業(yè)一直在開發(fā)具有10+年使用壽命的穩(wěn)健，高可靠性的G3-PLC實(shí)現(xiàn)。這些努力得到了世界上最大的公用事業(yè)公司的支持，包括法國電力公司（EDF?）。G3-PLC 電力線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)用于在預(yù)期負(fù)信噪比 （SNR） 的惡劣條件下獨(dú)特工作。這種G3-PLC能力的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。這對于確保在EV到EVSE的所有條件下進(jìn)行可靠通信至關(guān)重要。

2009年美國能源部資助的獨(dú)立直流充電測試證明了電動(dòng)汽車到EVSE通信可能面臨的困難。這些測試發(fā)現(xiàn)，Maxim G3-PLC電力線調(diào)制解調(diào)器強(qiáng)大的通信能力支持在所有條件下工作。

處理高噪聲充電電纜

大多數(shù)測試的獨(dú)立 PLC 解決方案都在較低的安培下工作;G3-PLC是唯一經(jīng)過測試的PLC系統(tǒng)，在250A下可靠運(yùn)行。測試數(shù)據(jù)（圖1）顯示，噪聲可以比信號高20dB或更高。開關(guān)電源的噪聲也可能處于不同的頻率，具體取決于切換器。G3-PLC系統(tǒng)具有獨(dú)特的功能來應(yīng)對這種惡劣的條件，包括魯棒模式（機(jī)器人模式），自適應(yīng)音調(diào)映射，兩級糾錯(cuò)和二維交織器。這些功能在IEEE? ISPLC論文1中進(jìn)行了詳細(xì)描述，并在現(xiàn)場測試中得到了驗(yàn)證，使G3-PLC具有通過電話桿線路變壓器進(jìn)行可靠通信的獨(dú)特功能。

圖1.用于測試 G3-PLC 操作的 250A 直流充電器的頻譜。

對抗電磁兼容

在G3-PLC收發(fā)器出現(xiàn)之前，電磁兼容性（EMC）通常是家庭外PLC實(shí)施中的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)。但是，由于G3-PLC系統(tǒng)在低頻（低于500kHz）下運(yùn)行，并且專為全球智能電網(wǎng)公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，因此EMC不是問題。事實(shí)上，初步測試顯示，在低頻段（低于500kHz）的EMC水平低于CISPR-25限制。這一性能后來在眾多獨(dú)立測試中得到證實(shí)。

防止關(guān)聯(lián)和串?dāng)_干擾

電動(dòng)汽車通常與相鄰車輛并排充電。因此，關(guān)聯(lián)和串?dāng)_是EV到EVSE網(wǎng)絡(luò)的主要關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)殄e(cuò)誤的通信會(huì)導(dǎo)致計(jì)費(fèi)錯(cuò)誤。汽車行業(yè)最初考慮為這種應(yīng)用提供無線解決方案，但事實(shí)證明，保證正確的關(guān)聯(lián)是一個(gè)問題。

PLC保證正在充電的電動(dòng)汽車是計(jì)費(fèi)的電動(dòng)汽車。G3-PLC 實(shí)現(xiàn)解決了此問題。當(dāng) EVSE 開關(guān)打開時(shí)，無法進(jìn)行通信（圖 2）。這可確保在具有多條充電線的 EVSE 中，不會(huì)在開路觸點(diǎn)之間或充電線之間發(fā)生通信。這種性能在最近的ISO 15118 PT4測試中得到了進(jìn)一步證實(shí)，其中G3-PLC信號增加到正常工作水平的10倍以顯示串?dāng)_。在正常甚至更高的工作條件下，沒有檢測到串?dāng)_。

圖2.使用 G3-PLC 時(shí)，發(fā)送和接收信號顯示開路觸點(diǎn)之間沒有通信。

使用全球解決方案是汽車制造商的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。G3-PLC系統(tǒng)已在世界許多地方進(jìn)行了廣泛的測試;每個(gè)頻段都在10kHz至500kHz范圍內(nèi)的國際許可頻段中運(yùn)行。為了支持許可頻段的區(qū)域差異，可以對Maxim G3-PLC實(shí)現(xiàn)進(jìn)行編程，使其符合部署時(shí)的區(qū)域設(shè)置。因此，對于歐洲公用事業(yè)測試，G3-PLC系統(tǒng)在CENELEC? A頻段（高達(dá)95kHz）中編程。在美洲，G3-PLC在FCC頻段（最高490kHz）和日本的ARIB頻段（高達(dá)450kHz）中編程。

在控制先導(dǎo)線上運(yùn)行

針對控制先導(dǎo)的設(shè)計(jì)增加了 G3-PLC 收發(fā)器克服的額外挑戰(zhàn)。為了符合SAE J1772規(guī)范，在先導(dǎo)線上運(yùn)行時(shí)需要兩個(gè)關(guān)鍵特性：超低電壓和耦合，因此不會(huì)干擾PWM參數(shù)。由于G3-PLC系統(tǒng)堅(jiān)固耐用，因此在低電壓（和低電流）下運(yùn)行不是問題。圖3顯示，可以在500mV以下實(shí)現(xiàn)工作，無需丟失數(shù)據(jù)包或重復(fù)。

圖3.控制導(dǎo)頻線上電感耦合G3-PLC信號的示波器圖支持PWM和PLC通信。

同樣重要的是，既要避免加載PWM信號（這會(huì)對壓擺率產(chǎn)生不利影響），又要避免來自1kHz、12V信號的PWM諧波。為了確保PWM頻段和G3-PLC傳輸沒有重疊，G3-PLC系統(tǒng)設(shè)置為在150kHz以上工作。為了確保PWM壓擺率在系統(tǒng)限值范圍內(nèi)，電感耦合是容性耦合的一種選擇。

多功能性意味著更多的可能性

G3-PLC 實(shí)施已作為交流電源解決方案被眾多全球公用事業(yè)公司廣泛測試。SAE贊助的測試已經(jīng)獨(dú)立驗(yàn)證了G3-PLC系統(tǒng)可以零錯(cuò)誤地發(fā)送數(shù)千萬條汽車公用事業(yè)消息。這種非常可靠的性能是可能的，因?yàn)镚3-PLC系統(tǒng)可以在有源和無源線路（交流電源，控制先導(dǎo)，CAN或任何介質(zhì)）上運(yùn)行。

隨著對在高級計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施 （AMI） 中實(shí)施 G3-PLC 的濃厚興趣，交流電源上的 EV-EVSE 通信開啟了一個(gè)有趣的可能性：讓 G3-PLC 系統(tǒng)直接與儀表通信。預(yù)計(jì)家中的 EVSE 將有一個(gè)單獨(dú)的專用斷路器，從而提供返回主外部斷路器的直接路徑。因此，相位差不會(huì)成為問題。

在汽車制造商開始要求IPv6尋址之前，一些公用事業(yè)公司正在將IPv6尋址添加到G3-PLC系統(tǒng)要求中。事實(shí)上，IPv4地址幾乎已經(jīng)用完了，正如Stephen Shankland的ZDNet文章2中所述。因此，支持IPv6始終是重中之重。G3-PLC實(shí)現(xiàn)使用6LowPAN壓縮來確保真正的IPv6尋址。借助 G3-PLC 中真正的 IPv6 網(wǎng)絡(luò)，PHY 和 MAC 無關(guān)的能源管理解決方案可通過其網(wǎng)絡(luò)無縫運(yùn)行。

審核編輯：郭婷