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G3-PLC技術實現(xiàn)電動汽車充電智能化

鉅大LARGE  |  點擊量:1190次  |  2020年04月02日  

本文剖析了電動汽車(EV)與電動汽車供電設備(EVSE)之間可靠通信所需的標準要求。數(shù)據(jù)表明G3-PLC系統(tǒng)完全滿足汽車和電力行業(yè)的通信標準。經(jīng)過全球各地測試檢驗的G3-PLC方案是最佳的低頻通信方案。


電動汽車(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,電力供應方(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(jīng)或正在計劃為EV用戶供應特殊的費率標準,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與能源供應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(shù)小時內(nèi)要吸收80A甚至更大的電流。這為電網(wǎng)設備增添了重大壓力,特別是關于低壓變壓器,可能在為用戶家庭供電時產(chǎn)生過熱甚至發(fā)生故障。另外,EV儲備的電能也可以產(chǎn)生電流倒灌,向電網(wǎng)輸送電能,以解決供電高峰時期的電力需求,避免啟動高碳排放的柴油發(fā)電機。


為了建立這種新型互動關系,EV和能源供應者必須相互溝通。電力公司必須能夠識別每一輛汽車,并且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(xié)會(SAE)、國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)在內(nèi)的各標準組織,開始著手制定連接EV和充電站(稱為電動汽車供電單元,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(tǒng),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(yè)需求,面向智能電網(wǎng)的新標準G3-PLC脫穎而出,成為利用電力線通信管理電網(wǎng)能源的領先技術。


本文分析了可靠的EV-EVSE通信關鍵要求,數(shù)據(jù)表明G3-PLC系統(tǒng)完全滿足汽車與電力行業(yè)的新標準。經(jīng)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(jīng)調(diào)研、測試了各種不同的EV-EVSE通信方案。最近,汽車聯(lián)盟也將其測試結(jié)果鎖定在兩種電力線通信(PLC)解決方案,并將G3-PLC重點作為低頻通信選擇。一套切實可行的通信方案面對眾多挑戰(zhàn),設計人員也在積極探求任何可行性方案。


通信方案要遵循的關鍵原則是:


    可靠性可靠的數(shù)據(jù)通信和滿足汽車級要求的部件滿足EMC、聯(lián)合干擾及串擾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)對能源管理系統(tǒng)供應安全的聯(lián)網(wǎng)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(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,滿足汽車的相關認證/質(zhì)量保證體系要求。


G3-PLCEV-EVSE通信技術的最佳選擇


一段時間以來,在汽車行業(yè)調(diào)研的同時,電力行業(yè)也在開發(fā)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(jīng)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(jīng)推出G3-PLC電力線調(diào)制解調(diào)器,可以工作在負信噪比(SNR)的惡劣環(huán)境下。無論怎么樣強調(diào)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(jié)果證明了EV-EVSE通信所面對的困難,測試結(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,能夠適應任何工作條件。


強噪聲充電電纜


大多數(shù)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(xiàn)可靠通信的PLC系統(tǒng)。測試數(shù)據(jù)(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(chǎn)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(tǒng)采用專有技術應對惡劣的環(huán)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IEEEISPLC文獻sup1中有詳細介紹并經(jīng)過現(xiàn)場測試驗證,G3-PLC能夠跨變壓器實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)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(fā)器推出之前,電磁兼容性(EMC)一直是困擾PLC用于戶外通信的重要障礙。然而,由于G3-PLC系統(tǒng)工作在較低頻率(500kHz以下),并且針對全球的智能電網(wǎng)設計,克服了EMC這一難題。實際上,初步試驗已經(jīng)顯示在低頻帶(500kHz),EMC水平低于CISPR-25的限制門限,隨后的大量試驗也證明了這一點。


聯(lián)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汽車充電,一旦發(fā)生通信誤碼,將會造成計費錯誤。因此,聯(lián)合干擾和串擾成為EV-EVSE網(wǎng)絡重要關心指標。汽車行業(yè)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(lián)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ISO15118PT4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(fā)送和接收信號表明開路觸點之間沒有通信數(shù)據(jù)


全球化方案是汽車制造商的關鍵目標,G3-PLC系統(tǒng)已經(jīng)在全球多個地區(qū)經(jīng)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(qū)差異,MaximG3-PLC方案供應可編程功能,以滿足部署區(qū)域的規(guī)定。由此,歐洲電力公司的試驗中,將G3-PLC系統(tǒng)編程在CENELECA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(fā)器要克服更多的設計挑戰(zhàn)。為了滿足SAEJ1772規(guī)范,工作在控制線時要注意兩個關鍵因素:超低電壓與耦合問題,以避免PWM干擾??紤]到G3-PLC系統(tǒng)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(xiàn)丟包,也無需重發(fā)。


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(fā)生重疊,G3-PLC系統(tǒng)設置工作在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行廣泛測試。SAE贊助進行的試驗結(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)),能夠供應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(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)。預計家庭中的EVSE將具有獨立、專用的斷路器,供應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)新增了IPv6尋址。實際上,正如StephenShankland在ZDNet發(fā)表的文章sup2所述,IPv4地址幾乎已經(jīng)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(wǎng)后,PHY和MAC不確定能源管理的解決方案能夠在網(wǎng)絡上無縫切換。


最終方案


汽車廠商在EV-EVSE通信方案的執(zhí)行過程中面對著諸多挑戰(zhàn),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(fā)器G3-PLC系統(tǒng)是久經(jīng)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(jīng)量產(chǎn),滿足汽車級要求,符合即將執(zhí)行的EV-EVSE通信規(guī)范SAEJ2931/3PLC。器件也兼容于即將頒布的IEEE1901.2規(guī)范。


本文來源于Maxim。


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