Introdução ao protocolo de comunicação da pilha de carregamento padrão europeu

15118-1 descreve principalmente os requisitos gerais, abrange o processo de cobrança e cobrança com base na ISO 15118 e descreve em detalhes os dispositivos e suas interações de informação em vários cenários de aplicação.
15118-2 concentra-se no protocolo da camada de aplicativos, esclarece as mensagens, ordem de mensagem, máquinas de estado em vários cenários de aplicativos e os requisitos técnicos necessários para implementar esses cenários. Define de forma abrangente os protocolos em cada camada da camada de rede para a camada de aplicativo.
15118-3 envolve a camada de link, usando a tecnologia de transportadora de energia, e define principalmente a sinalização e as mensagens da camada física, que não são muito relevantes para os desenvolvedores de software.
15118-4 é sobre teste, enquanto 15118-5 se concentra na camada física, que também não requer muita atenção dos desenvolvedores de software.

Além disso, existem os 15118-8 e 15118-9 ainda a serem lançados, que lidam com aspectos sem fio e a camada física sem fio, respectivamente.

Em seguida, vamos falar sobre a ISO 15118-20. Esta é a versão mais recente da ISO 15118, que está comprometida em se tornar o padrão de comunicação para o futuro carregamento de veículos elétricos (EV). Começou o desenvolvimento no final de 2015 e tem como objetivo eliminar as limitações nas versões anteriores e suportar uma gama completa de veículos elétricos, incluindo carros, motocicletas, caminhões, ônibus, navios e aeronaves. Esta nova versão coloca ênfase especial nos recursos de plug-and-cobrança e suporta a transmissão de energia sem fio (WPT), fornecendo vários serviços por meio de transmissão de energia bidirecional (BPT) e dispositivos automáticos de conexão (ACD). Em seguida, examinaremos profundamente esses novos recursos e sua linha do tempo para o lançamento do mercado.

Desde sua proposta em 2011, o padrão de carregamento do CCS passou por várias iterações. Inicialmente, para resolver os problemas de interoperabilidade e cobrança de conveniência causados por diferentes padrões no mercado global de veículos elétricos, a Associação Europeia de Fabricantes de Automóveis (ACEA) propôs esta proposta padrão, que visa integrar sistemas de carregamento CA e CC. Seu recurso é o projeto de soquete combinado da interface física do conector, que é compatível com três modos de carregamento: CA de fase monofásica, CA trifásica e CC, fornecendo veículos elétricos com opções de carregamento mais flexíveis. Em 2012, o padrão CCS Combo 0 foi lançado oficialmente. Posteriormente, em 2014, a versão CCS Combo 0 foi lançada, marcando uma grande atualização do padrão. Esta versão não apenas melhora significativamente o poder de carregamento, mas também suporta um carregamento mais rápido da DC, por isso tem sido amplamente utilizado nos mercados europeu e norte -americano. Desde então, o padrão CCS foi atualizado duas vezes (o CCS Combo 1 e o CCS Combo 2) em 2017 e 2020, respectivamente, otimizando continuamente o poder e a segurança de carregamento.

Visão geral da interface
Existem vários padrões internacionais para cobrar interfaces para veículos elétricos (VEs). Esses padrões incluem DIN alemão, EN europeu, ISO internacional e GB nacional, cada um com protocolos e características únicas. É fundamental entender e seguir esses padrões ao exportar veículos elétricos.

Nos Estados Unidos e no Japão, os plugues e portas do Tipo 1 são amplamente utilizados nesses dois mercados, porque a rede elétrica suporta apenas o carregamento CA monofásico.

Na Europa, especialmente na Alemanha, devido à necessidade de carregamento trifásico, a interface CCS2 tornou-se relativamente complexa, com várias configurações, incluindo CA monofásico, CA trifásico, DC de baixa potência e DC de alta potência. Vale a pena notar que as grades de energia européia e chinesa suportam métodos de conexão de 240V e 400V de 400V. Para atender a essa demanda do mercado, oito empresas de automóveis como Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, GM, Porsche e VW propuseram em conjunto um novo padrão de interface de carregamento em outubro de 2011 - Sistema de carregamento combinado (CCS), que visa suportar o carregamento CA e DC. O padrão foi posteriormente estabelecido como IEC 62196-3. Entre eles, a porta tipo 2 foi projetada para suportar o carregamento monofásico e o carregamento trifásico, e a tecnologia de carregamento CA trifásica pode efetivamente reduzir o tempo de carregamento dos veículos elétricos. Além disso, a porta de carregamento do carro também integra as funções CA e CC. Durante o processo de carregamento, a comunicação de dados entre o veículo elétrico (EV) e a pilha de carregamento (EVSE) é alcançada através da interface piloto de controle (CP).

A interface piloto de controle CP é responsável por transmitir sinais analógicos PWM e sinais digitais ISO 15118 ou DIN70121 modulados em sinais analógicos com base no transportador de linha de energia (PLC). A interface PP - Proxmity Pilot (também conhecida como Presence Plug) é responsável por transmitir um sinal que permita ao veículo (EV) detectar se o plugue da pistola de carregamento está conectado. Essa função é crucial para garantir a segurança do carregamento, pois impede que o veículo se mova quando a pistola de carregamento está conectada. PE - Terra produtiva ou proteção do solo é o chumbo terrestre do dispositivo para segurança. Além disso, existem várias outras interfaces para transmissão de energia, incluindo linha neutra (N), L1 (CA única), L2, L3 (CA trifásica) e DC+ e DC- (corrente direta). Em seguida, nos aprofundaremos nos detalhes do protocolo ISO15118. O protocolo usa um modelo cliente-servidor, no qual o controlador de carregamento do veículo (EVCC) é responsável pelo envio de mensagens de solicitação e o controlador de carregamento final da pilha (SECC) é responsável por retornar mensagens de resposta. O EVCC deve receber uma resposta da SECC dentro de um intervalo de tempo limite específico (geralmente de 2 a 5 segundos); caso contrário, a sessão será encerrada. Dependendo da implementação de diferentes fabricantes, o EVCC pode reiniciar uma nova sessão.

Agora, vamos recorrer à análise detalhada do processo de carregamento.

Durante o carregamento do CA, você primeiro precisa garantir que a conexão entre o carro e a pilha de carregamento tenha sido estabelecida. Depois que a conexão for bem-sucedida, o controlador de carregamento do veículo (EVCC) enviará uma solicitação ao controlador de carregamento do lado da pilha (SECC) para começar a carregar. Depois de receber a solicitação, a SECC realizará uma série de trabalhos de verificação e preparação para garantir a segurança e a eficácia da cobrança. Se tudo estiver normal, a SECC retornará uma mensagem de confirmação para informar o EVCC que o carregamento pode começar. Nesse ponto, o processo de carregamento é oficialmente iniciado e a energia elétrica é transmitida à bateria do carro através da linha neutra (N), L1 (CA monofásica), L2, L3 (AC trifásica) e outras interfaces. Durante o processo de carregamento, o EVCC continuará monitorando o status de carregamento e mantendo a comunicação com a SECC para garantir um carregamento suave. Quando o carregamento for concluído, a SECC enviará uma mensagem ao EVCC para encerrar o carregamento e o processo de carregamento terminará.

Durante o processo de carregamento CC, também é necessário garantir que a conexão entre o carro e a pilha de carregamento tenha sido estabelecida. Semelhante ao carregamento CA, o controlador de carregamento do veículo (EVCC) também enviará uma solicitação ao controlador de carregamento de extremidade da pilha (SECC) para começar a carregar. A diferença é que o carregamento de CC usa um método de transmissão de energia e tensão mais alta. Depois que o SECC confirmar e começar a carregar, a energia será transmitida diretamente à bateria do carro através da interface CC. Durante esse processo, o EVCC também continuará monitorando e mantendo a comunicação com o SECC para garantir um carregamento seguro e eficiente. Quando a cobrança é concluída, o SECC notificará o EVCC para encerrar o carregamento e todo o processo de carregamento CC terminará.

O padrão IEC 61851 define um protocolo de comunicação que está intimamente relacionado à segurança do carregamento, que se baseia na tecnologia de modulação de largura de pulso (PWM). O padrão ISO 15118 fortalece ainda mais a comunicação entre pilhas de carregamento e veículos elétricos, fornecendo uma troca de informações mais abrangente por meio de protocolos digitais avançados, cobrindo as principais funções como comunicação bidirecional, criptografia de canal, autenticação e autorização, monitoramento de status de cobrança e gerenciamento de tempo de partida. Uma vez que o pino CP na linha de carregamento detecta um sinal PWM com um ciclo de trabalho de 5%, o controle de carregamento é imediatamente transferido de outros protocolos para o padrão ISO 15118.

Se a pilha de carregamento ou carro suportar apenas o protocolo de comunicação IEC 61851, quando um sinal de PWM com um ciclo de trabalho de 5% é detectado, o processo de carregamento começará com a corrente de carregamento máxima disponível e continuará até que o carro esteja totalmente carregado. No entanto, durante esse período, o operador da estação de carregamento não pode saber a quantidade total de energia exigida pelo carro ou pelo tempo de término de carregamento desejado. Mas o padrão ISO 15118 pode fornecer essas informações importantes, essenciais para o pico de carga de carga e o preenchimento do vale da rede elétrica e serviços mais eficientes.

Funções principais
(1) Carregamento inteligente
O carregamento do SMART EV envolve controle inteligente, gerenciamento e otimização de todos os aspectos do carregamento de VE. Ele depende da comunicação de dados em tempo real entre VEs, carregadores, operadores de cobrança e fornecedores de energia. No ecossistema de carregamento inteligente, todas as partes se comunicam continuamente e adotam soluções avançadas de carregamento para melhorar a eficiência da cobrança. O núcleo está na solução Smart Charging EV, que pode processar dados relevantes e fornecer aos operadores de carregamento e usuários recursos abrangentes de gerenciamento para carregar links. O carregamento inteligente inclui várias funções:
A. Gerenciamento de energia inteligente para garantir que o impacto da cobrança de VE na rede de energia e na fonte de alimentação esteja dentro de uma faixa controlável;
B. Otimizando o carregamento de EV para ajudar os motoristas e os provedores de serviços de cobrança a tomar as melhores decisões em termos de custo e eficiência;
C. Gerenciamento e análise remotos para obter controle e ajuste de carregamento por meio de plataformas de rede ou aplicativos móveis;
D. Tecnologias avançadas de carregamento EV, como a implementação de novas tecnologias como o V2G, também dependem do suporte de funções de carregamento inteligente.

O padrão ISO 15118 apresenta uma nova fonte de informações para carregamento inteligente - o próprio veículo elétrico. A energia que o carro deve consumir é uma informação crucial ao planejar o processo de carregamento. Esses dados -chave podem ser fornecidos ao sistema de gerenciamento de cobrança (CSMS) de várias maneiras, permitindo o controle inteligente do processo de carregamento.

O padrão ISO 15118 apresenta uma nova fonte de informações para carregamento inteligente - o próprio veículo elétrico. A energia que o carro deve consumir é uma informação crucial ao planejar o processo de carregamento. Esses dados -chave podem ser fornecidos ao sistema de gerenciamento de cobrança (CSMS) de várias maneiras, permitindo o controle inteligente do processo de carregamento.

(2) A carregamento inteligente de veículos elétricos de carregamento e gerenciamento de grade é parte integrante do sistema, pois o comportamento de carregamento dos veículos elétricos tem um impacto profundo no consumo de energia de residências, edifícios ou áreas públicas. Há um limite superior para a quantidade de eletricidade que a grade pode suportar em um determinado momento. A tecnologia de carregamento inteligente pode otimizar o comportamento de carregamento, garantindo uma fonte de alimentação estável, reduzindo assim a pressão na grade.

(3) Tecnologia de plugue e carga
Em 2014, o padrão ISO 15118 foi lançado, uma das funções importantes das quais é plug and carregamento. Essa tecnologia permite que os veículos elétricos identifiquem e comecem a carregar automaticamente quando conectados a uma pilha de carregamento sem intervenção humana, o que facilita muito os usuários.

(4) Tecnologia de comunicação TLS

A tecnologia de comunicação TLS (Camada de Transporte), como protocolo de segurança, é amplamente utilizada nas comunicações de rede. Ele pode estabelecer um canal criptografado entre veículos elétricos e pilhas de cobrança para garantir a segurança da transmissão de dados e fornecer forte proteção ao comportamento de carregamento dos usuários.

(5) Verificação de chave
Na tecnologia de comunicação TLS, a verificação das chaves é um link crucial. Ele garante a autenticidade das identidades de ambas as partes na comunicação e a integridade dos dados. Através da verificação das chaves, veículos elétricos e pilhas de cobrança podem confirmar as identidades um do outro, estabelecendo assim um link de comunicação seguro e confiável.

Comparação de protocolos de pilha de carregamento
O padrão IEC 61851 não apenas garante que a corrente de carregamento seja ativada apenas quando um veículo estacionário está conectado, mas também possui funções de controle de carregamento de baixo nível analógicas e relacionadas à segurança. Nesta base, a IEC 62196 e a ISO 15118 foram desenvolvidas, ambas com a IEC 61851 como pedra angular. A linha CP no plugue IEC 62196 pode distinguir 6 estados de conexão de veículo elétrico e indicar a corrente máxima de carregamento permitida pela pilha de carregamento através de um sinal PWM analógico. No entanto, para obter gerenciamento flexível de carregamento de vários veículos elétricos, são necessários parâmetros mais básicos, que não podem ser transmitidos separadamente através dos sinais analógicos do PWM. Portanto, surgiu a necessidade de protocolos de comunicação digital e o protocolo ISO 15118 nasceu nesse contexto. Vale ressaltar que o padrão DIN 70121 é baseado em uma versão inicial não publicada da ISO 15118. Além disso, o protocolo de comunicação GB/T 27930 foi projetado para cenários específicos de aplicação de instalações domésticas de carregamento de veículos elétricos.

Protocolo IEC 61851
A IEC 61851-1 é um dos padrões importantes que definiram os requisitos de cobrança de veículos elétricos nos primeiros dias. Ele especifica quatro modos de carregamento, dos quais o Modo 2 usa especificamente os sinais PWM como um meio de comunicação entre o EV e o carregador de embarque, que é transmitido pela linha piloto. O Modo 4 desenvolve ainda a função da comunicação de alto nível (HLC) através da linha de sinal piloto para obter gerenciamento e comunicação eficazes do carregamento direto de corrente (DC) definido na IEC 61851-23. A pilha de carregamento enviará um sinal PWM de 1kHz, mas a corrente de carregamento real é determinada pelo veículo (EV) com base nas informações recebidas. Além disso, a tecnologia de modulação de largura de pulso desempenha um papel fundamental nesse processo. É uma tecnologia de modulação que codifica informações, como a corrente máxima permitida de carregamento, em um sinal de pulso. Seu princípio de trabalho é controlar a amplitude da tensão e o tempo de comutação do sinal de CP na porta de saída da pilha de carregamento. A proporção do tempo de entrada e desativação, ou seja, o "ciclo de trabalho", é expresso em forma de porcentagem, que reflete o nível de corrente de carregamento disponível. Ao mesmo tempo, a diferença de tensão [V] entre a tensão na linha CP e o fio do solo (PE) é usada para distinguir diferentes estados de conexão entre a pilha e o carro.

Protocolo DIN70121
O padrão DIN 70121 foi emitido pelo Instituto Alemão de Padronização em 2012. Ele fornece especificações para comunicação digital entre veículos elétricos e pilhas de carregamento CC. Quando o padrão ISO/IEC 15118 ainda estava sendo redigido, a indústria automotiva alemã precisava urgentemente de um padrão para liderar o mercado e promover o lançamento de produtos. Portanto, a DIN 70121 surgiu, mantendo a forte responsabilidade de promover a transformação de eletrificação de automóveis alemães. Esse padrão é baseado na IEC 61851-23 e na versão inicial da ISO 15118, e especifica em detalhes as especificações de comunicação digital durante o processo de carregamento CC, incluindo o HLC sobre o sinal piloto entre EV e EVSE. Vale ressaltar que, quando o DIN 70121 foi lançado, o PLC (conforme descrito na especificação Phy Green HomePlug) foi amplamente utilizado na América do Norte e Europa como camada física e camada de link de dados do protocolo HLC. Esse padrão não apenas resolveu o problema da falta de padrões na indústria de cobrança de DC naquele momento, mas também trouxe um novo modo de comunicação e especificação para o setor, promovendo o desenvolvimento da indústria. Em 2014, o Instituto Alemão de Padronização divulgou ainda mais o DIN 70121: 2014 ed.2 para melhorar o padrão original. Em 2018, eles lançaram oficialmente a especificação de teste de consistência DIN 70122: 2018 para o DIN 70121, fornecendo um padrão e um sistema de teste abrangente e rigoroso para o carregamento do CCS.

Protocolo SAE J1772
O padrão SAE J1772 foi desenvolvido pela Society of Automotive Engineers (SAE) para padronizar diferentes tipos de protocolos de carregamento. O padrão usa o protocolo HLC do DIN70121 para carregamento CC e o sinal PWM piloto da IEC 61851-1 para carregamento CA. Além disso, o SAE J1772 também define em detalhes a forma de onda PWM para controlar o sinal piloto na interface EV-EVSE durante o carregamento CA. Além disso, os protocolos SAE J1772 e SAE J2847-2 descrevem em conjunto o tempo de mensagem e a sequência da comunicação veículo a grade (V2G) com base no DIN70121.

Protocolo ISO15118
A ISO 15118 é um padrão de protocolo abrangente que abrange a segurança do protocolo HLC para as sessões de carregamento CA e CC. O padrão introduz dois métodos para carregar a identificação do usuário: modo de identificação externa (EIM) e modo de plug and carregamento (PNC). O modo EIM é semelhante ao DIN 70121 ou SAE J2847, exigindo que os motoristas de carros se autentiqueem manualmente usando um cartão de crédito ou outro método de identificação antes do início do carregamento; Enquanto o modo PNC permite que as informações de identificação e cobrança sejam trocadas automaticamente entre o EV e o EVSE via HLC sem a necessidade de operação manual pelo driver. Além disso, diferentemente do DIN Spec 70121, a ISO 15118 também fornece a função de agendar inteligentemente o tempo de carregamento com base na capacidade da grade e nos custos de energia.

(1) Tanto o DIN 70121 quanto o ISO15118 são baseados na comunicação do PLC, enquanto o GB/T 27930 usa a comunicação pode a comunicação como base.
Tecnologia de comunicação da linha de energia (PLC) com base nos sinais de alta frequência do protocolo Greenphy, com sinais de alta frequência modulados com linhas de sinal CP através de um modem instalado na pilha de carregamento ou no circuito de sinal CP do veículo. O modem da outra extremidade é responsável por desmodular esses sinais, alcançando assim uma taxa de comunicação de até 10 Mbit/s sem adicionar pinos de comunicação adicionais. Essa tecnologia fornece um canal de alta largura de banda para a interação com informações sobre carregamento DC, enquanto suporta recursos avançados, como carregamento plug-and-play e interação com rede de veículos.

(2) Comparação entre ISO15118 e IEC 61851
O padrão IEC 61851 usa modulação de largura de pulso (PWM), que é um sinal analógico. Se a estação de carregamento ou carro seguir apenas este protocolo, o processo de carregamento começará com a corrente máxima disponível até que o carro esteja totalmente carregado e o operador da estação de carregamento não terá idéia da demanda real de energia ou do tempo final de cobrança. Por outro lado, se o sistema suportar ISO15118, quando um sinal PWM com um ciclo de trabalho de 5% for detectado, o controle de carregamento será imediatamente transferido para ISO15118, alcançando um gerenciamento de carregamento mais inteligente.
(3) Funções estendidas de ISO15118
Além do carregamento condutor tradicional, o ISO15118 também abrange funções plug-and-play V2G (veículo a grade), carregamento sem fio, etc. Por outro lado, o padrão DIN70121 não suporta plug-and-play, carece de mecanismos de comunicação e assinatura digital seguros e não podem garantir a autenticidade e integridade de dados. Além disso, é aplicável apenas ao modo de carregamento DC, enquanto a ISO 15118 suporta o carregamento CA e CC.
(4) relacionamento e diferenças entre DIN 70121 e ISO 15118
O padrão DIN 70121 é baseado em uma versão não publicada da ISO 15118 e é usada principalmente para definir a comunicação digital entre veículos elétricos e estações de carregamento DC. No entanto, ele cobre apenas o modo de carregamento CC, enquanto a ISO 15118 é mais abrangente e suporta o carregamento CA e CC. A Figura 1 mostra as principais diferenças funcionais entre as duas versões.