【導讀】本文剖析了電動車(EV)與電動車供電設備(EVSE)之間可靠通信所需的標準要求。數據表明G3-PLC系統完全滿足汽車和電力行業的通信標準。經過全球各地測試檢驗的G3-PLC方案是最佳的低頻通信方案。
電動車(EV)和插電式混合動力車(PHEV)正在形成一個前所未有、充滿活力的移動電能消費類市場，電力提供方(電力公司)和汽車所有者之間的關系也日益清晰。許多電力公司已經或正在計劃為EV用戶提供特殊的費率標準，包括固定月費率。
EV為電能市場注入了新的活力和需求。實際上，EV與能源提供者之間相互依存的關系已開始形成。由于EV儲能容量較大，通常為10kVH，在數小時內需要吸收80A甚至更大的電流。這為電網設備增添了重大壓力，特別是對于低壓變壓器，可能在為用戶家庭供電時產生過熱甚至發生故障。另外，EV儲備的電能也可以產生電流倒灌，向電網輸送電能，以解決供電高峰時期的電力需求，避免啟動高碳排放的柴油發電機。
為了建立這種新型互動關系，EV和能源提供者必須相互溝通。電力公司必須能夠識別每一輛汽車，并且需要通過雙向通信進行電能流向、用電量的計量。為滿足這一新的市場需求，包括汽車工程師協會(SAE)、國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)在內的各標準組織，開始著手制定連接EV和充電站(稱為電動車供電單元，EVSE)的通信標準。將這種安全、可靠的雙向通信能力集成到當前的供電系統，涉及到諸多關鍵問題。同時，隨著EV充電成為一項關鍵的行業需求，面向智能電網的新標準G3-PLC脫穎而出，成為利用電力線通信管理電網能源的領先技術。
本文分析了可靠的EV-EVSE通信關鍵要求，數據表明G3-PLC系統完全滿足汽車與電力行業的新標準。經過全球各地測試檢驗的G3-PLC方案是最佳的低頻通信方案。
EV-EVSE通信標準
在過去的三年中，汽車廠商已經調研、測試了各種不同的EV-EVSE通信方案。最近，汽車聯盟也將其測試結果鎖定在兩種電力線通信(PLC)解決方案，并將G3-PLC重點作為低頻通信選擇。一套切實可行的通信方案面臨眾多挑戰，設計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鍵原則是：
- 可靠性——可靠的數據通信和滿足汽車級要求的部件
- 滿足EMC、聯合干擾及串擾限制
- 符合全球范圍的電力線規范
- 通過控制線工作
- 工作在交流或直流電網
- 對能源管理系統提供安全的聯網支持
此外，汽車解決方案為IC設計者和制造商帶來了特殊挑戰。IC必須能夠承受惡劣的工作環境，必須可靠工作10到20年，滿足汽車的相關認證/質量保證體系要求。
G3-PLC——EV-EVSE通信技術的最佳選擇
一段時間以來，在汽車行業調研的同時，電力行業也在開發使用壽命長達10年之久的高可靠性G3-PLC方案。這些成果已經得到世界最大電力公司的支持，包括法國電力集團(EDF®)。目前已經推出G3-PLC電力線調制解調器，可以工作在負信噪比(SNR)的惡劣環境下。無論怎樣強調G3-PLC技術的重要性都不為過，它已成為確保任何EV-EVSE條件下可靠通信的關鍵。
美國能源部2009年資助的獨立直流充電試驗結果證明了EV-EVSE通信所面臨的困難，測試結果顯示Maxim的G3-PLC電力線調制解調器具有高度可靠的通信能力，能夠適應任何工作條件。
強噪聲充電電纜
大多數獨立的PLC方案都工作在較低電流，G3-PLC是唯一能夠在250A下實現可靠通信的PLC系統。測試數據(圖1)顯示，噪聲可能比信號強20dB，甚至更高；此外，開關電源所產生的噪聲頻率也不相同，取決于具體使用的開關電源。G3-PLC系統采用專有技術應對惡劣的環境條件，包括可靠工作模式(robo模式)、自適應頻率映射、兩級糾錯和二維梳狀濾波等。這些功能在IEEE® ISPLC文獻¹中有詳細介紹并經過現場測試驗證，G3-PLC能夠跨變壓器實現可靠的數據通信。
圖1. 用于測試G3-PLC工作狀況的250A直流充電器頻譜
EMC抑制
在G3-PLC收發器推出之前，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系統工作在較低頻率(500kHz以下)，并且針對全球的智能電網設計，克服了EMC這一難題。實際上，初步試驗已經顯示在低頻帶(500kHz)，EMC水平低于CISPR-25的限制門限，隨后的大量試驗也證明了這一點。
聯合干擾與串擾
通常情況下，充電站會對平行排列的多臺電動車充電，一旦發生通信誤碼，將會造成計費錯誤。因此，聯合干擾和串擾成為EV-EVSE網絡主要關心指標。汽車行業最初考慮在這一應用中采用無線通信方案，但事實證明這一方案無法保證可靠的聯合充電。
PLC確保為正在充電的EV正確計費，采用G3-PLC技術解決這一問題。EVSE開關斷開時，無法進行通信(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試驗中得到了進一步證實，試驗中將G3-PLC信號增大到正常工作水平的10倍，以引入串擾。在標稱條件乃至更嘈雜的工作條件下，未檢測到串擾。
圖2. 采用G3-PLC時，發送和接收信號表明開路觸點之間沒有通信數據
全球化方案是汽車制造商的關鍵目標，G3-PLC系統已經在全球多個地區經過廣泛測試，工作在10kHz至500kHz各國授權的許可頻帶。為了支持許可頻帶的地區差異，Maxim G3-PLC方案提供可編程功能，以滿足部署區域的規定。由此，歐洲電力公司的試驗中，將G3-PLC系統編程在CENELEC® A波段(最高95kHz)；美國測試中，則將G3-PLC設置在FCC頻帶(最高490kHz)，日本則設置在ARIB頻帶(最高450kHz)。
工作于控制線
工作在控制線時，G3-PLC收發器需要克服更多的設計挑戰。為了滿足SAE J1772規范，工作在控制線時需要注意兩個關鍵因素：超低電壓與耦合問題，以避免PWM干擾。考慮到G3-PLC系統的堅固特性，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，不會出現丟包，也無需重發。
圖3. 控制線上電感耦合的G3-PLC信號波形，表明其支持PWM和PLC通信
另外，還須注意避免PWM信號過載(對擺率造成不利影響)，并避免來自1kHz、12V信號的PWM諧波。為確保PWM信號頻帶與G3-PLC傳輸頻帶不發生重疊，G3-PLC系統設置工作在150kHz以上。為確保PWM擺率在系統限值的范圍內,優先考慮電感耦合(優于電容耦合)。
多功能性帶來更多可能
G3-PLC方案作為交流電源方案已經在全球范圍的眾多電力公司進行廣泛測試。SAE贊助進行的試驗結果表明：G3-PLC系統能夠以零誤碼發送數千萬條汽車用電數據。由于G3-PLC系統可工作在加電和非加電線路(交流電網、控制線、CAN或任何介質)，能夠提供值得信賴的可靠性保障。
G3-PLC方案對高級電表基礎架構(AMI)非常重視，為交流電網上的EV-EVSE通信開啟了一扇新的大門：G3-PLC系統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系統。預計家庭中的EVSE將具有獨立、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為G3-PLC系統增加了IPv6尋址。實際上，正如Stephen Shankland在ZDNet發表的文章²所述，IPv4地址幾乎已經耗盡，所以支持IPv6成為當務之急。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組網后，PHY和MAC不確定能源管理的解決方案能夠在網絡上無縫切換。
最終方案
汽車廠商在EV-EVSE通信方案的實施過程中面臨著諸多挑戰，我們的低頻通信技術能夠使這些問題迎刃而解。MAX2992電力線收發器G3-PLC系統是久經考驗、在全球范圍進行過多項測試和驗證的可靠方案。MAX2992已經量產，滿足汽車級要求，符合即將實施的EV-EVSE通信規范SAE J2931/3 PLC。器件也兼容于即將頒布的IEEE 1901.2規范。
本文來源于Maxim。
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