G3-PLC技術(shù)解決電動(dòng)車充電智能化的挑戰(zhàn)

摘要：本文剖析了電動(dòng)車(EV)與電動(dòng)車供電設(shè)備(EVSE)之間可靠通信所需的標(biāo)準(zhǔn)要求。數(shù)據(jù)表明G3-PLC系統(tǒng)完全滿足汽車和電力行業(yè)的通信標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過全球各地測(cè)試檢驗(yàn)的G3-PLC方案是最佳的低頻通信方案。

電動(dòng)車(EV)和插電式混合動(dòng)力車(PHEV)正在形成一個(gè)前所未有、充滿活力的移動(dòng)電能消費(fèi)類市場(chǎng)，電力提供方(電力公司)和汽車所有者之間的關(guān)系也日益清晰。許多電力公司已經(jīng)或正在計(jì)劃為EV用戶提供特殊的費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)，包括固定月費(fèi)率。

EV為電能市場(chǎng)注入了新的活力和需求。實(shí)際上，EV與能源提供者之間相互依存的關(guān)系已開始形成。由于EV儲(chǔ)能容量較大，通常為10kVH，在數(shù)小時(shí)內(nèi)需要吸收80A甚至更大的電流。這為電網(wǎng)設(shè)備增添了重大壓力，特別是對(duì)于低壓變壓器，可能在為用戶家庭供電時(shí)產(chǎn)生過熱甚至發(fā)生故障。另外，EV儲(chǔ)備的電能也可以產(chǎn)生電流倒灌，向電網(wǎng)輸送電能，以解決供電高峰時(shí)期的電力需求，避免啟動(dòng)高碳排放的柴油發(fā)電機(jī)。

為了建立這種新型互動(dòng)關(guān)系，EV和能源提供者必須相互溝通。電力公司必須能夠識(shí)別每一輛汽車，并且需要通過雙向通信進(jìn)行電能流向、用電量的計(jì)量。為滿足這一新的市場(chǎng)需求，包括汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在內(nèi)的各標(biāo)準(zhǔn)組織，開始著手制定連接EV和充電站(稱為電動(dòng)車供電單元，EVSE)的通信標(biāo)準(zhǔn)。將這種安全、可靠的雙向通信能力集成到當(dāng)前的供電系統(tǒng)，涉及到諸多關(guān)鍵問題。同時(shí)，隨著EV充電成為一項(xiàng)關(guān)鍵的行業(yè)需求，面向智能電網(wǎng)的新標(biāo)準(zhǔn)G3-PLC脫穎而出，成為利用電力線通信管理電網(wǎng)能源的領(lǐng)先技術(shù)。

本文分析了可靠的EV-EVSE通信關(guān)鍵要求，數(shù)據(jù)表明G3-PLC系統(tǒng)完全滿足汽車與電力行業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過全球各地測(cè)試檢驗(yàn)的G3-PLC方案是最佳的低頻通信方案。

EV-EVSE通信標(biāo)準(zhǔn)

在過去的三年中，汽車廠商已經(jīng)調(diào)研、測(cè)試了各種不同的EV-EVSE通信方案。最近，汽車聯(lián)盟也將其測(cè)試結(jié)果鎖定在兩種電力線通信(PLC)解決方案，并將G3-PLC重點(diǎn)作為低頻通信選擇。一套切實(shí)可行的通信方案面臨眾多挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員也在積極探求任何可行性方案。

通信方案需要遵循的關(guān)鍵原則是：

●可靠性——可靠的數(shù)據(jù)通信和滿足汽車級(jí)要求的部件

●滿足EMC、聯(lián)合干擾及串?dāng)_限制

●符合全球范圍的電力線規(guī)范

●通過控制線工作

●工作在交流或直流電網(wǎng)

●對(duì)能源管理系統(tǒng)提供安全的聯(lián)網(wǎng)支持

此外，汽車解決方案為IC設(shè)計(jì)者和制造商帶來了特殊挑戰(zhàn)。IC必須能夠承受惡劣的工作環(huán)境，必須可靠工作10到20年，滿足汽車的相關(guān)認(rèn)證/質(zhì)量保證體系要求。

G3-PLC——EV-EVSE通信技術(shù)的最佳選擇

一段時(shí)間以來，在汽車行業(yè)調(diào)研的同時(shí)，電力行業(yè)也在開發(fā)使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年之久的高可靠性G3-PLC方案。這些成果已經(jīng)得到世界最大電力公司的支持，包括法國(guó)電力集團(tuán)(EDF)。目前已經(jīng)推出G3-PLC電力線調(diào)制解調(diào)器，可以工作在負(fù)信噪比(SNR)的惡劣環(huán)境下。無論怎樣強(qiáng)調(diào)G3-PLC技術(shù)的重要性都不為過，它已成為確保任何EV-EVSE條件下可靠通信的關(guān)鍵。

美國(guó)能源部2009年資助的獨(dú)立直流充電試驗(yàn)結(jié)果證明了EV-EVSE通信所面臨的困難，測(cè)試結(jié)果顯示Maxim的G3-PLC電力線調(diào)制解調(diào)器具有高度可靠的通信能力，能夠適應(yīng)任何工作條件。

強(qiáng)噪聲充電電纜

大多數(shù)獨(dú)立的PLC方案都工作在較低電流，G3-PLC是唯一能夠在250A下實(shí)現(xiàn)可靠通信的PLC系統(tǒng)。測(cè)試數(shù)據(jù)(圖1)顯示，噪聲可能比信號(hào)強(qiáng)20dB，甚至更高;此外，開關(guān)電源所產(chǎn)生的噪聲頻率也不相同，取決于具體使用的開關(guān)電源。G3-PLC系統(tǒng)采用專有技術(shù)應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境條件，包括可靠工作模式(robo模式)、自適應(yīng)頻率映射、兩級(jí)糾錯(cuò)和二維梳狀濾波等。這些功能在IEEE ISPLC文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，G3-PLC能夠跨變壓器實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。

EMC抑制

在G3-PLC收發(fā)器推出之前，電磁兼容性(EMC)一直是困擾PLC用于戶外通信的主要障礙。然而，由于G3-PLC系統(tǒng)工作在較低頻率(500kHz以下)，并且針對(duì)全球的智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)，克服了EMC這一難題。實(shí)際上，初步試驗(yàn)已經(jīng)顯示在低頻帶(500kHz)，EMC水平低于CISPR-25的限制門限，隨后的大量試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

聯(lián)合干擾與串?dāng)_

通常情況下，充電站會(huì)對(duì)平行排列的多臺(tái)電動(dòng)車充電，一旦發(fā)生通信誤碼，將會(huì)造成計(jì)費(fèi)錯(cuò)誤。因此，聯(lián)合干擾和串?dāng)_成為EV-EVSE網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)心指標(biāo)。汽車行業(yè)最初考慮在這一應(yīng)用中采用無線通信方案，但事實(shí)證明這一方案無法保證可靠的聯(lián)合充電。

PLC確保為正在充電的EV正確計(jì)費(fèi)，采用G3-PLC技術(shù)解決這一問題。EVSE開關(guān)斷開時(shí)，無法進(jìn)行通信(圖2)，保證在具有多條充電線路的EVSE中無法通過開路觸點(diǎn)通信或在充電線路之間通信。這一功能在新近的ISO 15118 PT4試驗(yàn)中得到了進(jìn)一步證實(shí)，試驗(yàn)中將G3-PLC信號(hào)增大到正常工作水平的10倍，以引入串?dāng)_。在標(biāo)稱條件乃至更嘈雜的工作條件下，未檢測(cè)到串?dāng)_。

圖2. 采用G3-PLC時(shí)，發(fā)送和接收信號(hào)表明開路觸點(diǎn)之間沒有通信數(shù)據(jù)全球化方案是汽車制造商的關(guān)鍵目標(biāo)，G3-PLC系統(tǒng)已經(jīng)在全球多個(gè)地區(qū)經(jīng)過廣泛測(cè)試，工作在10kHz至500kHz各國(guó)授權(quán)的許可頻帶。為了支持許可頻帶的地區(qū)差異，Maxim G3-PLC方案提供可編程功能，以滿足部署區(qū)域的規(guī)定。由此，歐洲電力公司的試驗(yàn)中，將G3-PLC系統(tǒng)編程在CENELEC A波段(最高95kHz);美國(guó)測(cè)試中，則將G3-PLC設(shè)置在FCC頻帶(最高490kHz)，日本則設(shè)置在ARIB頻帶(最高450kHz)。

工作于控制線

工作在控制線時(shí)，G3-PLC收發(fā)器需要克服更多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了滿足SAE J1772規(guī)范，工作在控制線時(shí)需要注意兩個(gè)關(guān)鍵因素：超低電壓與耦合問題，以避免PWM干擾。考慮到G3-PLC系統(tǒng)的堅(jiān)固特性，工作在低壓(及小電流)條件不成問題。圖3表明，可正常工作在500mV以下，不會(huì)出現(xiàn)丟包，也無需重發(fā)。

圖3. 控制線上電感耦合的G3-PLC信號(hào)波形，表明其支持PWM和PLC通信

另外，還須注意避免PWM信號(hào)過載(對(duì)擺率造成不利影響)，并避免來自1kHz、12V信號(hào)的PWM諧波。為確保PWM信號(hào)頻帶與G3-PLC傳輸頻帶不發(fā)生重疊，G3-PLC系統(tǒng)設(shè)置工作在150kHz以上。為確保PWM擺率在系統(tǒng)限值的范圍內(nèi),優(yōu)先考慮電感耦合(優(yōu)于電容耦合)。

多功能性帶來更多可能

G3-PLC方案作為交流電源方案已經(jīng)在全球范圍的眾多電力公司進(jìn)行廣泛測(cè)試。SAE贊助進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明：G3-PLC系統(tǒng)能夠以零誤碼發(fā)送數(shù)千萬條汽車用電數(shù)據(jù)。由于G3-PLC系統(tǒng)可工作在加電和非加電線路(交流電網(wǎng)、控制線、CAN或任何介質(zhì))，能夠提供值得信賴的可靠性保障。

G3-PLC方案對(duì)高級(jí)電表基礎(chǔ)架構(gòu)(AMI)非常重視，為交流電網(wǎng)上的EV-EVSE通信開啟了一扇新的大門：G3-PLC系統(tǒng)能夠與電表直接通信。圖4所示為G3-PLC能夠支持的完備生態(tài)系統(tǒng)。預(yù)計(jì)家庭中的EVSE將具有獨(dú)立、專用的斷路器，提供與外部電源斷路器的直接通路，避免相差的影響。

圖4. EV至電力公司的G3-PLC通信路由

部分電力公司在汽車廠商提出要求之前已經(jīng)為G3-PLC系統(tǒng)增加了IPv6尋址。實(shí)際上，正如Stephen Shankland在ZDNet發(fā)表的文章所述，IPv4地址幾乎已經(jīng)耗盡，所以支持IPv6成為當(dāng)務(wù)之急。G3-PLC方案采用6LowPAN壓縮方案，確保支持真正的IPv6尋址。G3-PLC采用真正的IPv6組網(wǎng)后，PHY和MAC不確定能源管理的解決方案能夠在網(wǎng)絡(luò)上無縫切換。