采用J1772接口的插電式電動(dòng)汽車可提供電網(wǎng)穩(wěn)定性

插電式混合動(dòng)力和電池電動(dòng)汽車（PHEV，BEV）的健康市場(chǎng)可以顯著減少尾氣排放的環(huán)境負(fù)擔(dān)，同時(shí)不會(huì)犧牲個(gè)人交通工具提供的自由。歐盟立法者是改變清潔汽車的最熱心倡導(dǎo)者之一，一些歐洲國家已經(jīng)表示有意在2040年前禁止用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)銷售新車和貨車。

汽車制造商可以刺激通過使PHEV和BEV盡可能簡單易用而獲得市場(chǎng)認(rèn)可。這包括使充電像為手機(jī)充電一樣簡單安全。標(biāo)準(zhǔn)化物理充電連接可能會(huì)有所幫助，盡管目前國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62196-2中規(guī)定了三種類型。其中包括SAE（美國汽車工程師協(xié)會(huì)）J1772插頭，該插頭在北美廣泛使用，并被定義為IEC 62196-2中的Type 1插頭。許多歐洲國家更喜歡IEC Type 2插頭（有或沒有某些國家/地區(qū)要求的IP防護(hù)罩），可以支持高達(dá)43.5 kW的充電功率，并且能夠與歐洲三相交流電源配合使用以實(shí)現(xiàn)快速充電這兩種類型的接口都包含安全功能，以確保只有在插入插頭時(shí)才能提供能量并確保安全，以便在插頭斷開時(shí)防止觸電在充電周期結(jié)束之前。

步驟1：使充電簡單安全

J1772規(guī)范和IEC 61851-1，這是EV充電電氣接口的全球標(biāo)準(zhǔn)，具體說明通過充電點(diǎn)（或電動(dòng)車輛服務(wù)設(shè)備（EVSE））與車輛的車載充電器（OBC）電子設(shè)備之間的引導(dǎo)連接的基本電信號(hào)。這些相互作用確認(rèn)連接并根據(jù)可用通風(fēng)等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)商功率輸送，以防止過熱等潛在危險(xiǎn)。

通信基于1 kHz±12 V脈沖寬度調(diào)制（PWM）導(dǎo)頻信號(hào)。 EVSE產(chǎn)生12 V信號(hào)。當(dāng)充電插頭正確接合時(shí)，EV會(huì)放置一個(gè)電阻負(fù)載，將電壓降至9 V.然后EVSE應(yīng)用PWM并調(diào)整占空比以指示其自身的輸出電流額定值。這是車輛允許的最大充電電流。與此同時(shí)，EVSE關(guān)閉其輸出繼電器以允許開始充電。此時(shí)，EV對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)線施加較低的電阻，將電壓降至6 V，作為充電正在進(jìn)行的指示。圖1顯示了與各種EV充電狀態(tài)相關(guān)的信號(hào)電壓。狀態(tài)D，當(dāng)電壓降至3 V時(shí)，表示有足夠的通風(fēng)可以使用盡可能高的功率進(jìn)行快速充電。

圖1 ：待充電的EV在導(dǎo)頻信號(hào)線上放置各種電阻負(fù)載以指示其狀態(tài)。

由于J1772接口未檢測(cè)到車輛何時(shí)充滿電，因此在拔下電纜時(shí)終止充電。發(fā)生這種情況時(shí)，導(dǎo)頻信號(hào)電壓返回到12V，EVSE關(guān)閉輸出以防止電流流過。

J1772接口參考設(shè)計(jì)

德州儀器公司已經(jīng)制作了一個(gè)參考設(shè)計(jì)適用于符合J1772標(biāo)準(zhǔn)的EVSE，它利用MSP430F6736微控制器中的功能，便于控制和監(jiān)控導(dǎo)頻信號(hào)線。這些包括用于產(chǎn)生所需占空比的PWM信號(hào)的高度精確的定時(shí)器模塊，以及用于讀取導(dǎo)頻線上的車輛響應(yīng)的逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。由于EVSE的電流額定值主要取決于輸出繼電器，電纜和連接器等元件的額定值，因此通常可以在固件中修復(fù)該值，以控制定時(shí)器電路。

為了在幾米的電纜上驅(qū)動(dòng)導(dǎo)頻信號(hào)并通過連接時(shí)車輛施加的負(fù)載電阻，參考設(shè)計(jì)使用OPA171運(yùn)算放大器，充分利用其寬電源電壓范圍±18 V，軌到 - 軌道輸出，475 mA輸出電流額定值。 MSP430微控制器通過分壓器監(jiān)控OPA171的輸出，以檢測(cè)車輛施加的負(fù)載電阻。

參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了J1772充電接口的所有電氣功能，如圖2所示。這些包括用于從主AC線路生成±12 VDC和3.3 V邏輯電源的電源管理，以及用于管理兩級(jí)輸出繼電器的TPL7407L低側(cè)驅(qū)動(dòng)器。該設(shè)計(jì)還利用了MSP430F6736的可中斷通用輸入/輸出（GPIO）引腳，通過LM7321放大器連接到電流互感器，以提供針對(duì)潛在危險(xiǎn)接地故障的保護(hù)。使用這個(gè)可中斷引腳使系統(tǒng)能夠比通過ADC監(jiān)視電流互感器輸出更快地響應(yīng)。

此外，微控制器的Δ-Σ（ΔΣ）ADC用于集成功率計(jì)量，利用現(xiàn)有且經(jīng)過驗(yàn)證的單相住宅智能電表參考設(shè)計(jì)。

圖2：TI參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了J1772所需的所有功能符合條件的EV充電器。

步驟2：將電動(dòng)汽車插入智能電網(wǎng)

根據(jù)J1772和IEC 61851-1等規(guī)范對(duì)充電接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使充電變得簡單安全，可以大大鼓勵(lì)更多地使用電動(dòng)汽車。然而，隨著日常使用中此類車輛的數(shù)量增加，當(dāng)電網(wǎng)插入充電時(shí)，電網(wǎng)上的負(fù)載也會(huì)增加。另一方面，如果智能地管理充電，PHEV/BEV可以支持有效的需求響應(yīng)程序，該程序用于防止過度的峰值負(fù)載，并且還可以用作剩余可再生能源的存儲(chǔ)。圖3說明了車輛與充電點(diǎn)之間可能發(fā)生的談判類型，利用與電網(wǎng)管理系統(tǒng)的通信來確定能源容量和資費(fèi)。

圖3：車輛，智能充電器和電網(wǎng)之間的復(fù)雜通信可確保在保持電網(wǎng)穩(wěn)定性的同時(shí)及時(shí)完成充電。 2010年矢量大會(huì)戴姆勒股份公司Christoph Saalfeld的演講。

此外，智能充電管理使得額外的增值服務(wù)成為可能，例如應(yīng)用基于云的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來計(jì)算最節(jié)能的路線。下一個(gè)旅程并預(yù)測(cè)消費(fèi)。這兩種功能都為業(yè)主帶來了價(jià)值，并幫助公用事業(yè)公司確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可用性。可以提供的其他服務(wù)包括動(dòng)態(tài)計(jì)費(fèi)，以便EV所有者可以在家中或其他位置（例如公共充電站，工作場(chǎng)所或朋友或家庭成員的財(cái)產(chǎn)）收費(fèi)時(shí)正確收費(fèi)。

要啟用這些類型的功能和服務(wù)，需要在車輛和EVSE之間進(jìn)行更復(fù)雜的通信。 ISO/IEC 15118工作組制定了車輛到電網(wǎng)（V2G）通信規(guī)范，當(dāng)車輛通過電纜充電時(shí)，利用電力線通信（PLC）標(biāo)準(zhǔn)。特別是，它選擇IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY（HPGP）寬帶PLC規(guī)范作為確保穩(wěn)健通信和高數(shù)據(jù)速率的最佳協(xié)議。 HPGP在2 MHz和30 MHz之間的頻率下工作，使系統(tǒng)能夠?qū)⑦B接的導(dǎo)頻線上的有效數(shù)據(jù)與來自其他附近源的噪聲區(qū)分開來。

充電過程開始后，建立通信，允許車輛通信及其收費(fèi)點(diǎn)，用于交換控制和配置數(shù)據(jù)，訪問權(quán)限，時(shí)間戳，資費(fèi)信息，客戶ID和位置以及儀表讀數(shù)等信息。

端到端V2G通信

各種研究已經(jīng)研究了適用于車輛和電網(wǎng)管理系統(tǒng)之間通信的標(biāo)準(zhǔn)。 EU PowerUp項(xiàng)目研究了使用IEC 62056 DLMS/COSEM的機(jī)會(huì)，利用協(xié)議的各個(gè)方面（如PUSH原語）將信息轉(zhuǎn)發(fā)到智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)，如負(fù)載平衡控制器。通過添加EV特定擴(kuò)展，DLMS/COSEM被發(fā)現(xiàn)是用于端到端V2G通信的合適協(xié)議。

另一種方法是使用IEC 61850協(xié)議，該協(xié)議設(shè)計(jì)用于支持變電站自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通信，以便管理可再生電力資源和消費(fèi)者之間的能量流。已提出EV特定擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)與ISO/IEC 15118 V2G接口的交互，并且Fraunhofer嵌入式系統(tǒng)和通信技術(shù)研究所（Fraunhofer ESK）已開發(fā)出使用ISO/IEC 15118和IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的參考系統(tǒng) - 以及HPGP和IPv6 - 通過智能充電站進(jìn)行V2G通信，能夠支持增值服務(wù)。圖4顯示了該參考設(shè)計(jì)如何提出ISO/IEC 15811和IEC 61850協(xié)議的組合來實(shí)現(xiàn)端到端V2G通信。

圖4：由智能車輛充電站管理的端到端V2G通信。

HomePlug PLC協(xié)議，包括HomePlug AV，HomePlug Green PHY源自HomePlug AV，旨在使芯片制造商能夠快速輕松地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建支持這些標(biāo)準(zhǔn)的IC，并準(zhǔn)備用于各種智能家居產(chǎn)品。

STMicroelectronics的ST2100 STreamPlug是一個(gè)片上系統(tǒng)，集成了一個(gè)可配置的硬件引擎，能夠支持多個(gè)HomePlug AV或HPGP端口。該器件的架構(gòu)旨在為單個(gè)芯片解決方案提供各種智能用例，如家庭自動(dòng)化，安全性和EV充電。集成的ARM®9CPU可為主機(jī)智能充電應(yīng)用和協(xié)議棧（如IEC 61850或DLMS/COSEM）提供足夠的處理能力，用于與智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。此外，它從一開始就被設(shè)計(jì)為智能互聯(lián)應(yīng)用的高度集成芯片，它還包含一個(gè)硬件加密協(xié)處理器，支持AES，DES/3DES和IPSec等算法。內(nèi)置的以太網(wǎng)端口和彩色LCD控制器使設(shè)備無需額外的外部設(shè)備即可支持大部分智能電動(dòng)車充電功能。

幸運(yùn)的是，廣泛的軟件可作為支持軟件開發(fā)套件的一部分（ SDK），包括具有核心調(diào)度程序，系統(tǒng)軟件和Linux內(nèi)核的接口層。具有核心調(diào)度程序的接口層提供API以支持系統(tǒng)軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)HPGP MAC和其他模塊。 Linux內(nèi)核包含Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，用于控制ST2100接口和整個(gè)硬件平臺(tái)。

圖5：ST2100軟件架構(gòu)。

圖5顯示了ST2100軟件架構(gòu)。 OK Linux技術(shù)支持虛擬化，通過允許多個(gè)應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)在同一處理器上并行運(yùn)行，簡化了應(yīng)用程序開發(fā)。例如，可以使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來托管對(duì)延遲敏感的功能，同時(shí)還可以從開源社區(qū)中的資源中受益，以促進(jìn)Linux應(yīng)用程序的開發(fā)。

結(jié)論

環(huán)境問題和反排放政府政策是推動(dòng)插電式電動(dòng)汽車顯著轉(zhuǎn)變并大幅減少對(duì)內(nèi)燃機(jī)依賴的驅(qū)動(dòng)因素。從用戶的角度來看，由于SAE J1772或IEC 61851-1等標(biāo)準(zhǔn)化接口，充電可以簡單安全。

充電智能是克服廣泛使用的挑戰(zhàn)所需的下一步插電式電動(dòng)汽車可提供電網(wǎng)穩(wěn)定性。合適的通信協(xié)議，如ISO/IEC 15118，HPGP和IEC 61850已經(jīng)可用于支持端到端V2G通信，可以幫助管理需求和平衡能量流，同時(shí)通過提供車輛用戶提供額外的好處增值服務(wù)。