摘  要： 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。詳細(xì)論述了高可靠性G3-PLC方案應(yīng)用于電動(dòng)車智能充電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。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)，是最佳的低頻通信方案。
關(guān)鍵詞： PLC；G3-PLC；EV；PHEV

    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10 kVH，在數(shù)小時(shí)內(nèi)需要吸收80 A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(guò)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(guò)雙向通信進(jìn)行電能流向和用電量的計(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(wèn)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(guò)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(guò)去的3年中，汽車廠商已經(jīng)研究、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作為低頻通信選擇的重點(diǎn)。一套切實(shí)可行的通信方案面臨眾多挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員也在積極探索可行方案。
    通信方案需要遵循的關(guān)鍵原則是：(1)可靠的數(shù)據(jù)通信和滿足汽車級(jí)要求的部件；(2)滿足EMC、聯(lián)合干擾及串?dāng)_限制；(3)符合全球范圍的電力線規(guī)范；(4)通過(guò)控制線工作；(5)工作在交流或直流電網(wǎng)；(6)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(lái)了特殊挑戰(zhàn)。IC器件必須能夠承受惡劣的工作環(huán)境，必須能可靠工作10～20年，并滿足汽車的相關(guān)認(rèn)證和質(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(lái)，汽車行業(yè)對(duì)電動(dòng)車供電單元作研究的同時(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?誖)。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(wú)論怎樣強(qiáng)調(diào)G3-PLC技術(shù)的重要性都不為過(guò)，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250 A下實(shí)現(xiàn)可靠通信的PLC系統(tǒng)。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1所示，噪聲可能比信號(hào)強(qiáng)20 dB，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?誖ISPLC文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹[1]，并經(jīng)過(guò)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(500 kHz以下)，并且針對(duì)全球智能電網(wǎng)而設(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(500 kHz)，G3-PLC系統(tǒng)的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)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。汽車行業(yè)最初考慮在這一應(yīng)用中采用無(wú)線通信方案，但事實(shí)證明這一方案無(wú)法保證可靠的聯(lián)合充電。
    采用G3-PLC技術(shù)解決充電中EV的正確計(jì)費(fèi)難題。EVSE開關(guān)斷開時(shí)無(wú)法進(jìn)行通信，從而保證在具有多條充電線路的EVSE中無(wú)法通過(guò)開路觸點(diǎn)通信或在充電線路之間通信，如圖2所示。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)稱條件甚至更嘈雜的工作條件下，未檢測(cè)到串?dāng)_。

    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(guò)廣泛測(cè)試，工作在10 kHz～500 kHz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。因此，在歐洲電力公司的試驗(yàn)中，將G3-PLC系統(tǒng)編程在CENELEC?誖A波段(最高95 kHz)；在美國(guó)測(cè)試中，則將G3-PLC設(shè)置在FCC頻帶(最高490 kHz)；日本的測(cè)試則設(shè)置在ARIB頻帶(最高450 kHz)。
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(wèn)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(wèn)題。圖3表明，在500 mV下正常工作時(shí)，收發(fā)器不會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，也無(wú)需重發(fā)。

    另外，還需注意避免PWM信號(hào)過(guò)載(對(duì)擺率造成不利影響)，并避免來(lái)自1 kHz、12 V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150 kHz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(lái)更多可能
    G3-PLC方案作為交流電源方案已經(jīng)在全球眾多電力公司進(jìn)行廣泛測(cè)試。SAE贊助的試驗(yàn)結(jié)果表明：G3-PLC系統(tǒng)能夠以零誤碼發(fā)送數(shù)千萬(wàn)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))，從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，使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。

    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《Time Running Out for IPv4》所述[2]，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(wú)縫切換。
最終方案
    汽車廠商在EV-EVSE通信方案的實(shí)施過(guò)程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，Maxim的低頻通信技術(shù)能夠使這些問(wèn)題迎刃而解。MAX2992電力線收發(fā)器G3-PLC系統(tǒng)是久經(jīng)考驗(yàn)、在全球范圍進(jìn)行過(guò)多項(xiàng)測(cè)試和驗(yàn)證的可靠方案。MAX2992已經(jīng)量產(chǎn)，滿足汽車級(jí)要求，符合即將實(shí)施的EV-EVSE通信規(guī)范SAE J2931/3 PLC。器件也兼容于即將頒布的IEEE 1901.2規(guī)范。
參考文獻(xiàn)
[1] RAZAZIAN K.G3-PLC provides an ideal communication platform for the smart gird[C/OL].ISPLC 2010.http://ewh.ieee.org/conf/isplc/2010/KeynoteAndPanelFiles/9-40-KAVEH.pdf.
[2] SHANKLAND S.Time running out for IPv4[EB/OL].[2011-1-28].www.zdnet.com.au/time-running-out-for-ipv4-339308822.htm.