摘 要： 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。詳細論述了高可靠性G3-PLC方案應用于電動車智能充電系統的優勢。數據表明，G3-PLC系統完全滿足汽車和電力行業的通信標準，是最佳的低頻通信方案。
關鍵詞： PLC；G3-PLC；EV；PHEV
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10 kVH，在數小時內需要吸收80 A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和用電量的計量。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3年中，汽車廠商已經研究、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作為低頻通信選擇的重點。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索可行方案。
通信方案需要遵循的關鍵原則是：(1)可靠的數據通信和滿足汽車級要求的部件；(2)滿足EMC、聯合干擾及串擾限制；(3)符合全球范圍的電力線規范；(4)通過控制線工作；(5)工作在交流或直流電網；(6)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器件必須能夠承受惡劣的工作環境，必須能可靠工作10～20年，并滿足汽車的相關認證和質量保證體系要求。
G3-PLC——EV-EVSE通信技術的最佳選擇
一段時間以來，汽車行業對電動車供電單元作研究的同時，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?誖)。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250 A下實現可靠通信的PLC系統。測試數據如圖1所示，噪聲可能比信號強20 dB，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?誖ISPLC文獻中有詳細介紹[1]，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。
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(500 kHz以下)，并且針對全球智能電網而設計，克服了EMC這一難題。實際上，初步試驗已經顯示，在低頻帶(500 kHz)，G3-PLC系統的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網絡的一個關鍵指標。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。
采用G3-PLC技術解決充電中EV的正確計費難題。EVSE開關斷開時無法進行通信，從而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，如圖2所示。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。在標稱條件甚至更嘈雜的工作條件下，未檢測到串擾。
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10 kHz～500 kHz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。因此，在歐洲電力公司的試驗中，將G3-PLC系統編程在CENELEC?誖A波段(最高95 kHz)；在美國測試中，則將G3-PLC設置在FCC頻帶(最高490 kHz)；日本的測試則設置在ARIB頻帶(最高450 kHz)。
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，在500 mV下正常工作時，收發器不會出現丟包現象，也無需重發。
另外，還需注意避免PWM信號過載(對擺率造成不利影響)，并避免來自1 kHz、12 V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150 kHz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眾多電力公司進行廣泛測試。SAE贊助的試驗結果表明：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)，從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，使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。
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《Time Running Out for IPv4》所述[2]，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，Maxim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。
參考文獻
[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.