摘  要： 剖析了電動車(EV)與電動車供電設(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)用于電動車智能充電系統(tǒng)的優(yōu)勢,。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(guān)系也日益清晰,。許多電力公司已經(jīng)或正在計劃為EV用戶提供特殊的費率標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)系已開始形成,。由于EV儲能容量較大,，通常為10 kVH，在數(shù)小時內(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(jī)。
    為了建立這種新型互動關(guān)系,，EV和能源提供者必須相互溝通,。電力公司必須能夠識別每一輛汽車，并且需要通過雙向通信進(jìn)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(xié)會(SAE)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)在內(nèi)的各標(biāo)準(zhǔn)組織,，開始著手制定連接EV和電動車供電單元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)鍵問題,。同時,，隨著EV充電成為一項關(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(biāo)準(zhǔn)
    在過去的3年中，汽車廠商已經(jīng)研究,、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(zhàn),，設(shè)計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)通過控制線工作,；(5)工作在交流或直流電網(wǎng),；(6)對能源管理系統(tǒng)提供安全的聯(lián)網(wǎng)支持。
    此外,，汽車解決方案為IC設(shè)計者和制造商帶來了特殊挑戰(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
    一段時間以來，汽車行業(yè)對電動車供電單元作研究的同時,，電力行業(yè)也在開發(fā)使用壽命長達(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。無論怎樣強調(diào)G3-PLC技術(shù)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(guān)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通信所面臨的困難。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(yīng)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250 A下實現(xiàn)可靠通信的PLC系統(tǒng)。測試數(shù)據(jù)如圖1所示,，噪聲可能比信號強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、兩級糾錯和二維梳狀濾波等,。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,。

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),，并且針對全球智能電網(wǎng)而設(shè)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(500 kHz),，G3-PLC系統(tǒng)的EMC水平低于CISPR-25的限制門限,，隨后的大量試驗也證明了這一點。
聯(lián)合干擾與串?dāng)_
    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(fā)生通信誤碼，將會造成計費錯誤,。因此,，聯(lián)合干擾和串?dāng)_成為EV-EVSE網(wǎng)絡(luò)的一個關(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,。
    采用G3-PLC技術(shù)解決充電中EV的正確計費難題。EVSE開關(guān)斷開時無法進(jìn)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(jìn)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?dāng)_,。在標(biāo)稱條件甚至更嘈雜的工作條件下，未檢測到串?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)在全球多個地區(qū)經(jīng)過廣泛測試，工作在10 kHz～500 kHz各國授權(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中，將G3-PLC系統(tǒng)編程在CENELEC?誖A波段(最高95 kHz),；在美國測試中,，則將G3-PLC設(shè)置在FCC頻帶(最高490 kHz)；日本的測試則設(shè)置在ARIB頻帶(最高450 kHz),。
工作于控制線
    工作在控制線時,，G3-PLC收發(fā)器需要克服更多的設(shè)計挑戰(zhàn)。為了滿足SAE J1772規(guī)范,，工作在控制線時需要注意兩個關(guān)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,，在500 mV下正常工作時，收發(fā)器不會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象,，也無需重發(fā),。

    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(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)行廣泛測試,。SAE贊助的試驗結(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)),，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(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(jīng)為G3-PLC系統(tǒng)增加了IPv6尋址,。實際上，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(zhàn),，Maxim的低頻通信技術(shù)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(jìn)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,，符合即將實施的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.