Introducción al protocolo de comunicación de pila de carga estándar europeo

15118-1 describe principalmente los requisitos generales, cubre el proceso de carga y facturación basado en ISO 15118 y describe en detalle los dispositivos y sus interacciones de información en varios escenarios de aplicación.
15118-2 se centra en el protocolo de la capa de aplicación, aclara los mensajes, el orden de mensajes, las máquinas de estado en varios escenarios de aplicación y los requisitos técnicos necesarios para implementar estos escenarios. Define de manera integral los protocolos en cada capa desde la capa de red hasta la capa de aplicación.
15118-3 involucra la capa de enlace, utilizando tecnología de portador de potencia, y define principalmente la señalización y los mensajes de la capa física, que no es muy relevante para los desarrolladores de software.
15118-4 se trata de pruebas, mientras que 15118-5 se centra en la capa física, que tampoco requiere demasiada atención de los desarrolladores de software.

Además, están los 15118-8 y 15118-9 que no se han lanzado, que tratan con aspectos inalámbricos y la capa física inalámbrica, respectivamente.

A continuación, hablemos sobre ISO 15118-20. Esta es la última versión de ISO 15118, que se compromete a convertirse en el estándar de comunicación para la carga futura de vehículos eléctricos (EV). Comenzó al desarrollo a fines de 2015 y tiene como objetivo eliminar las limitaciones en versiones anteriores y soportar una gama completa de vehículos eléctricos, incluidos automóviles, motocicletas, camiones, autobuses, barcos y aviones. Esta nueva versión pone especial énfasis en las capacidades de plug-and-carge y admite la transmisión de energía inalámbrica (WPT), proporcionando varios servicios a través de la transmisión de potencia bidireccional (BPT) y los dispositivos de conexión automática (ACD). A continuación, analizaremos profundamente estas nuevas características y su línea de tiempo para el lanzamiento del mercado.

Desde su propuesta en 2011, el estándar de carga CCS ha pasado por varias iteraciones. Inicialmente, para resolver la interoperabilidad y los problemas de conveniencia de carga causados por diferentes estándares en el mercado mundial de vehículos eléctricos, la Asociación Europea de Fabricantes de Automóviles (ACEA) propuso esta propuesta estándar, cuyo objetivo es integrar los sistemas de carga de CA y CC. Su característica es el diseño combinado del socket de la interfaz física del conector, que es compatible con tres modos de carga: CA monofásica, AC trifásica y CC, que proporciona vehículos eléctricos con opciones de carga más flexibles. En 2012, el estándar CCS Combo 0 se lanzó oficialmente. Posteriormente, en 2014, se lanzó la versión CCS Combo 0, marcando una actualización importante del estándar. Esta versión no solo mejora significativamente el poder de carga, sino que también admite una carga de CC más rápida, por lo que se ha utilizado ampliamente en los mercados europeos y norteamericanos. Desde entonces, el estándar CCS se ha actualizado dos veces (CCS Combo 1 y CCS Combo 2) en 2017 y 2020 respectivamente, optimizando continuamente la potencia de carga y la seguridad.

Descripción general de la interfaz
Existen múltiples estándares internacionales para cargar interfaces para vehículos eléctricos (EV). Estos estándares incluyen DIN alemán, Europeo, ISO internacional y GB nacional, cada uno con protocolos y características únicos. Es fundamental comprender y seguir estos estándares al exportar vehículos eléctricos.

En los Estados Unidos y Japón, los enchufes y los puertos tipo 1 se utilizan ampliamente en estos dos mercados porque la red eléctrica solo admite la carga de CA monofásica.

En Europa, especialmente en Alemania, debido a la necesidad de una carga trifásica, la interfaz CCS2 se ha vuelto relativamente compleja, con varias configuraciones, incluidas la CA monofásica, el CA trifásico, la CC de baja potencia y la DC de alta potencia. Vale la pena señalar que las redes eléctricas europeas y chinas admiten métodos de conexión de 400V de 240V monofásico y trifásicos. Para satisfacer esta demanda del mercado, ocho compañías de automóviles como Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, GM, Porsche y VW propusieron conjuntamente un nuevo estándar de interfaz de carga en octubre de 2011 - Sistema de carga combinada (CCS), cuyo objetivo es respaldar tanto la carga de CA como DC. El estándar se estableció formalmente como IEC 62196-3. Entre ellos, el puerto Tipo 2 está diseñado para admitir la carga monofásica y la carga trifásica, y la tecnología de carga de CA trifásica puede acortar efectivamente el tiempo de carga de los vehículos eléctricos. Además, el puerto de carga del automóvil también integra las funciones de CA y DC. Durante el proceso de carga, la comunicación de datos entre el vehículo eléctrico (EV) y la pila de carga (EVSE) se logra a través de la interfaz Pilot de control (CP).

La interfaz piloto de control CP es responsable de transmitir señales PWM analógicas y señales digitales ISO 15118 o DIN70121 moduladas en señales analógicas basadas en Power Line Carrier (PLC). La interfaz PP - Pilotmity Pilot (también conocida como Presencia de Plug) es responsable de transmitir una señal que permite al vehículo (EV) detectar si el enchufe de la pistola de carga está conectado. Esta función es crucial para garantizar la seguridad de carga porque evita que el vehículo se mueva cuando la pistola de carga está conectada. PE - Tierra productiva, o protección del suelo, es el cable de tierra del dispositivo por seguridad. Además, hay varias otras interfaces para transmitir potencia, incluida la línea neutral (N), L1 (AC única), L2, L3 (AC Tres fase) y DC+ y DC (corriente continua). A continuación, profundizaremos en los detalles del protocolo ISO15118. El protocolo utiliza un modelo de cliente cliente, en el que el controlador de carga del vehículo (EVCC) es responsable de enviar mensajes de solicitud y el controlador de carga de extremo de pila (SECC) es responsable de devolver mensajes de respuesta. El EVCC debe recibir una respuesta de la SECC dentro de un rango de tiempo de espera específico (generalmente de 2 a 5 segundos), de lo contrario, la sesión se terminará. Dependiendo de la implementación de diferentes fabricantes, EVCC puede reiniciar una nueva sesión.

Ahora, pasemos al análisis detallado del proceso de carga.

Durante la carga de CA, primero debe asegurarse de que se haya establecido la conexión entre el automóvil y la pila de carga. Una vez que la conexión sea exitosa, el controlador de carga del vehículo (EVCC) enviará una solicitud al controlador de carga del lado del pilote (SECC) para comenzar a cargar. Después de recibir la solicitud, SECC realizará una serie de trabajos de verificación y preparación para garantizar la seguridad y efectividad de la carga. Si todo es normal, SECC devolverá un mensaje de confirmación para informar a EVCC que la carga puede comenzar. En este punto, el proceso de carga se inicia oficialmente, y la energía eléctrica se transmite a la batería del automóvil a través de la línea neutral (N), L1 (AC monofásica), L2, L3 (AC trifásico) y otras interfaces. Durante el proceso de carga, EVCC continuará monitoreando el estado de carga y mantendrá la comunicación con SECC para garantizar una carga sin problemas. Al completar la carga, SECC enviará un mensaje a EVCC para finalizar la carga, y el proceso de carga finalizará.

Durante el proceso de carga de DC, también es necesario garantizar que se haya establecido la conexión entre el automóvil y la pila de carga. Similar a la carga de CA, el controlador de carga del vehículo (EVCC) también enviará una solicitud al controlador de carga de extremo de pilotes (SECC) para comenzar a cargar. La diferencia es que la carga de CC utiliza un método de transmisión de potencia de mayor voltaje y corriente. Una vez que el SECC confirma y comience a cargarse, la alimentación se transmitirá directamente a la batería del automóvil a través de la interfaz DC. Durante este proceso, el EVCC también continuará monitoreando y manteniendo la comunicación con el SECC para garantizar una carga segura y eficiente. Al completar la carga, el SECC notificará al EVCC que finalice la carga, y todo el proceso de carga de CC finalizará.

El estándar IEC 61851 define un protocolo de comunicación que está estrechamente relacionado con la seguridad de la carga, que se basa en la tecnología de modulación de ancho de pulso (PWM). El estándar ISO 15118 fortalece aún más la comunicación entre cargar pilas y vehículos eléctricos, proporcionando un intercambio de información más completo a través de protocolos digitales avanzados, que cubren funciones clave como comunicación bidireccional, cifrado de canal, autenticación y autorización, monitoreo de estado de carga y gestión del tiempo de salida. Una vez que el pin CP en la línea de carga detecta una señal PWM con un ciclo de trabajo del 5%, el control de carga se transfiere inmediatamente de otros protocolos al estándar ISO 15118.

Si la pila de carga o el automóvil solo admite el protocolo de comunicación IEC 61851, entonces cuando se detecta una señal PWM con un ciclo de trabajo del 5%, el proceso de carga comenzará con la corriente de carga máxima disponible y continuará hasta que el automóvil se cargue por completo. Sin embargo, durante este período, el operador de la estación de carga no puede saber la cantidad total de energía requerida por el automóvil o el tiempo de finalización de carga deseado. Pero el estándar ISO 15118 puede proporcionar esta información clave, que es esencial para el afeitado de carga máxima y el llenado del valle de la red eléctrica y los servicios más eficientes.

Funciones centrales
(1) Carga inteligente
La carga de EV inteligente implica control inteligente, gestión y optimización de todos los aspectos de la carga de EV. Se basa en la comunicación de datos en tiempo real entre EV, cargadores, operadores de carga y proveedores de energía. En el ecosistema de carga inteligente, todas las partes se comunican continuamente y adoptan soluciones de carga avanzadas para mejorar la eficiencia de carga. El núcleo radica en la solución EV de carga inteligente, que puede procesar datos relevantes y brindar a los operadores de carga y a los usuarios capacidades de gestión integrales para los enlaces de carga. La carga inteligente incluye múltiples funciones:
A. Gestión de energía inteligente para garantizar que el impacto de la carga de EV en la red eléctrica y la fuente de alimentación esté dentro de un rango controlable;
B. La optimización de la carga de EV para ayudar a los conductores y a los proveedores de servicios de carga a tomar las mejores decisiones en términos de costo y eficiencia;
C. Gestión y análisis remotos para lograr el control y ajuste de carga a través de plataformas de red o aplicaciones móviles;
D. Las tecnologías de carga EV avanzadas, como la implementación de nuevas tecnologías como V2G, también se basan en el apoyo de las funciones de carga inteligente.

El estándar ISO 15118 presenta una nueva fuente de información para la carga inteligente: el vehículo eléctrico en sí. La energía que se espera que consuma el automóvil es una información crucial al planificar el proceso de carga. Estos datos clave se pueden proporcionar al sistema de gestión de carga (CSMS) de varias maneras, lo que permite un control inteligente del proceso de carga.

El estándar ISO 15118 presenta una nueva fuente de información para la carga inteligente: el vehículo eléctrico en sí. La energía que se espera que consuma el automóvil es una información crucial al planificar el proceso de carga. Estos datos clave se pueden proporcionar al sistema de gestión de carga (CSMS) de varias maneras, lo que permite un control inteligente del proceso de carga.

(2) La carga inteligente de carga y gestión de la red de redes de vehículos eléctricos inteligentes es una parte integral del sistema, ya que el comportamiento de carga de los vehículos eléctricos tiene un profundo impacto en el consumo de energía de viviendas, edificios o áreas públicas. Hay un límite superior para la cantidad de electricidad que la cuadrícula puede manejar en un momento determinado. La tecnología de carga inteligente puede optimizar el comportamiento de carga al tiempo que garantiza una fuente de alimentación estable, reduciendo así la presión sobre la red.

(3) Tecnología de enchufe y carga
En 2014, se lanzó el estándar ISO 15118, una de las funciones importantes de las cuales es el enchufe y la carga. Esta tecnología permite que los vehículos eléctricos se identifiquen automáticamente y comiencen a cargar cuando se conectan a una pila de carga sin intervención humana, lo que facilita enormemente a los usuarios.

(4) tecnología de comunicación TLS

La tecnología de comunicación TLS (Seguridad de la capa de transporte), como protocolo de seguridad, se usa ampliamente en las comunicaciones de red. Puede establecer un canal cifrado entre los vehículos eléctricos y las pilas de carga para garantizar la seguridad de la transmisión de datos y proporcionar una fuerte protección para el comportamiento de carga de los usuarios.

(5) Verificación de clave
En la tecnología de comunicación TLS, la verificación clave es un enlace crucial. Asegura la autenticidad de las identidades de ambas partes en la comunicación y la integridad de los datos. A través de la verificación clave, los vehículos eléctricos y las pilas de carga pueden confirmar las identidades de los demás, estableciendo así un enlace de comunicación seguro y confiable.

Comparación de protocolos de pilas de carga
El estándar IEC 61851 no solo garantiza que la corriente de carga se active solo cuando un vehículo estacionario está conectado, sino que también tiene funciones analógicas de control de carga de bajo nivel relacionados con la seguridad. Sobre esta base, IEC 62196 e ISO 15118 se han desarrollado aún más, tanto con IEC 61851 como la piedra angular. La línea CP en el enchufe IEC 62196 puede distinguir 6 estados de conexión del vehículo eléctrico e indicar la corriente de carga máxima permitida por la pila de carga a través de una señal PWM analógica. Sin embargo, para lograr la gestión de carga flexible de múltiples vehículos eléctricos, se requieren más parámetros básicos, que no se pueden transmitir por separado a través de señales analógicas PWM. Por lo tanto, la necesidad de protocolos de comunicación digital surgió, y el protocolo ISO 15118 nació en este contexto. Vale la pena señalar que el estándar DIN 70121 se basa en una versión inédita de ISO 15118. Además, el protocolo de comunicación GB/T 27930 fue diseñado para escenarios de aplicación específicos de instalaciones de carga de vehículos eléctricos nacionales.

Protocolo IEC 61851
IEC 61851-1 es uno de los estándares importantes que definió los requisitos de carga de los vehículos eléctricos en los primeros días. Especifica cuatro modos de carga, de los cuales el modo 2 utiliza específicamente las señales PWM como un medio de comunicación entre el EV y el cargador fuera de borda, que se transmite a través de la línea piloto. El modo 4 desarrolla aún más la función de la comunicación de alto nivel (HLC) a través de la línea de señal piloto para lograr una gestión efectiva y la comunicación de la carga de corriente continua (DC) definida en IEC 61851-23. La pila de carga enviará una señal PWM de 1kHz, pero la corriente de carga real está determinada por el vehículo (EV) en función de la información recibida. Además, la tecnología de modulación de ancho de pulso juega un papel clave en este proceso. Es una tecnología de modulación que codifica información, como el máximo de carga permitida, en una señal de pulso. Su principio de trabajo es controlar la amplitud de voltaje y el tiempo de conmutación de la señal CP en el puerto de salida de la pila de carga. La relación del tiempo de encendido y apagado, es decir, el "ciclo de trabajo", se expresa en forma porcentual, lo que refleja el nivel de corriente de carga disponible. Al mismo tiempo, la diferencia de voltaje [v] entre el voltaje en la línea CP y el cable de tierra (PE) se usa para distinguir diferentes estados de conexión entre la pila y el automóvil.

Protocolo DIN70121
El estándar DIN 70121 fue emitido por el Instituto Alemán de Estandarización en 2012. Proporciona especificaciones para la comunicación digital entre vehículos eléctricos y pilas de carga de CC. Cuando el estándar ISO/IEC 15118 todavía estaba siendo redactado, la industria automotriz alemana necesitaba urgentemente un estándar para liderar el mercado y promover los lanzamientos de productos. Por lo tanto, Din 70121 surgió, con la gran responsabilidad de promover la transformación de electrificación de los automóviles alemanes. Este estándar se basa en IEC 61851-23 y la versión temprana de ISO 15118, y especifica en detalle las especificaciones de comunicación digital durante el proceso de carga de CC, incluida la señal piloto de HLC sobre EV y EVSE. Vale la pena mencionar que cuando se lanzó DIN 70121, PLC (como se describe en la especificación HomePlug Green Phy) se usó ampliamente en América del Norte y Europa como la capa física y la capa de enlace de datos del protocolo HLC. Este estándar no solo resolvió el problema de la falta de estándares en la industria de carga de DC en ese momento, sino que también trajo un nuevo modo de comunicación y especificación a la industria, promoviendo el desarrollo de la industria. En 2014, el Instituto Alemán de Estandarización lanzó además DIN 70121: 2014 ed.2 para mejorar el estándar original. En 2018, lanzaron oficialmente la especificación de prueba de consistencia DIN 70122: 2018 para DIN 70121, proporcionando un sistema estándar y de prueba completo y riguroso para la carga de CCS.

Protocolo SAE J1772
El estándar SAE J1772 fue desarrollado por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) para estandarizar diferentes tipos de protocolos de carga. El estándar utiliza el protocolo HLC de DIN70121 para la carga de CC y la señal PWM piloto de IEC 61851-1 para la carga de CA. Además, SAE J1772 también define en detalle la forma de onda PWM para controlar la señal piloto en la interfaz EV-EVSE durante la carga de CA. Además, los protocolos SAE J1772 y SAE J2847-2 describen conjuntamente el momento y la secuencia de mensajes de la comunicación de vehículo a red (V2G) basada en DIN70121.

Protocolo ISO15118
ISO 15118 es un estándar de protocolo integral que cubre la seguridad del protocolo HLC para las sesiones de carga de CA y CC. El estándar introduce dos métodos para cargar la identificación del usuario: modo de identificación externa (EIM) y enchufe y carga (PNC). El modo EIM es similar al DIN 70121 o SAE J2847, lo que requiere que los conductores de automóviles se autenticen manualmente usando una tarjeta de crédito u otro método de identificación antes de que comience la carga; Mientras que el modo PNC permite que la información de identificación y facturación se intercambie automáticamente entre EV y EVSE a través de HLC sin la necesidad de operación manual del controlador. Además, a diferencia de DIN SPEC 70121, ISO 15118 también proporciona la función de programar inteligentemente el tiempo de carga en función de la capacidad de la red y los costos de energía.

(1) Tanto DIN 70121 como ISO15118 se basan en la comunicación PLC, mientras que los usos de GB/T 27930 pueden comunicarse como base.
Tecnología de comunicación de línea de alimentación (PLC) basada en el protocolo HomePlug Greenphy parejas OFDM Señales moduladas de alta frecuencia moduladas con líneas de señal CP a través de un módem instalado en la pila de carga o el circuito de señal CP del vehículo. El módem en el otro extremo es responsable de demodular estas señales, logrando así una tasa de comunicación de hasta 10 Mbit/s sin agregar pines de comunicación adicionales. Esta tecnología proporciona un canal de alto ancho de banda para la interacción de información de carga de CC, al tiempo que admite características avanzadas, como la carga plug-and-play y la interacción con la red del vehículo.

(2) Comparación entre ISO15118 e IEC 61851
El estándar IEC 61851 utiliza la modulación de ancho de pulso (PWM), que es una señal analógica. Si la estación de carga o el automóvil solo sigue este protocolo, el proceso de carga comenzará con la corriente máxima disponible hasta que el automóvil esté completamente cargado, y el operador de la estación de carga no tendrá idea de la demanda de energía real o la hora final de la carga. Por el contrario, si el sistema admite ISO15118, cuando se detecta una señal PWM con un ciclo de trabajo del 5%, el control de carga se transferirá inmediatamente a ISO15118, logrando la gestión de carga más inteligente.
(3) Funciones extendidas de ISO15118
Además de la carga conductiva tradicional, ISO15118 también cubre funciones de plug-and-play V2G (vehículo a rejilla), carga inalámbrica, etc. Por el contrario, el estándar DIN70121 no es compatible con plug-and-play, carece de comunicación segura y mecanismos de firma digital, y no puede garantizar la autenticidad e integridad de los datos. Además, solo es aplicable al modo de carga DC, mientras que ISO 15118 admite la carga de CA y DC.
(4) Relación y diferencias entre DIN 70121 e ISO 15118
El estándar DIN 70121 se basa en una versión no publicada anterior de ISO 15118 y se utiliza principalmente para definir la comunicación digital entre los vehículos eléctricos y las estaciones de carga de CC. Sin embargo, solo cubre el modo de carga DC, mientras que ISO 15118 es más integral y admite la carga de CA y DC. La Figura 1 muestra las principales diferencias funcionales entre las dos versiones.