ISO 15118–2: 讀後心得

Network and application protocol requirements

15118 part 2就是實作的設計指引, 根據電動車和充電樁的每個功能需求依據OSI網路協定從IP層開始一層一層往上推疊所需要的資訊來完成. 標準定義了OSI layer3(含layer3)以上的設計需求, 也就是說需要與其他服務橋接部分會依賴part2來完成(例如: 充電業者擁有和運營的充電站管理系統 (CSMS) 提供授權, 計費和支付等服務等). 但整體充電過程仍需要由底層電氣訊號來發起(充電槍插入電動車, 充電參數等功能), 而15118 part3會負責此工作和底層的電氣訊號(IEC 61851)合作溝通. 我在part3會提到這二個標準是如何串起來的.

另外需要注意的是, ISO 15118針對網路部分, 有新版ISO 15118–20(15118–2 2nd generation). ISO 15118–20 是 ISO 15118–2 的延伸加強版.

其新增比較重要的功能有: 雙向電力傳輸 (BPT), 自動連接設備 (ACD)和無線功率傳輸 (WPT), 概述如下:

• 雙向電力傳輸 (BPT): 充電樁幫電動車充電或是將電動車電池的電力透過充電樁送回電網或家庭. 此功能我花比較多時間了解, 因為目前這份標準(ISO 15118–2)已有提到V2G(Vehicle-to-grid: 電動車對電網), 表示15118–2已支援電動車和公用電網雙向通訊, 為什麼還需要15118–20再新增此功能. 原因是15118–2制定了基本V2G通信通訊格式, 但並沒有充電樁將電力送回電力網的方法, 主要還是集中於從電力網到電動車的充電方面. 但在15118–20除了原本電動車充電過程外, 另加上電動車對電力網(公用電網或家)的供電過程.
• 無線電源傳輸 (WPT): 就跟手機無線充電一樣, 使用情境就是電動車開到到地面指定位置, 然後電動車將自動開始與地面上的設備通信並充電. 我所了解的15118–20有制定了溝通框架但還沒有定義所需訊息和方法.
• 自動連接設備(ACD): 這個功能描述是,支援電動車和電動車供電設備 (EVSE) 之間傳輸電力的自動連接和斷開過程的設備. 舉例來說, 利用充電弓為電動公車充電, 而充電弓安裝在公車車頂上, 透過與架空線接觸來傳導電力.

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資料通訊架構

我們就從資料基本傳輸方式說起, 在ISO 15118所定義的資料溝通架構中是由SECC(充電樁內通訊控制器)和EVCC(電動車內的通訊控制器)透過建立網路OSI通訊架構中的 7層架構來建立通訊資料流.

每一層都疊加在下層提供的功能之上, 從底部的物理層開始到最上層的應用程式層. 這整個資料通訊架構(OSI layer 1–7)稱為HLC(高級通訊), 那HLC可以做那些事? 除了銜接IEC 61851類比訊號外, 並完善更全面的功能, 例如電池的充電狀態, 剩餘充電時間等資訊, 它還透過OCPP傳遞給充電業者營運的充電站管理系統(CSMS) 提供授權, 計費和支付等服務.

這二張圖, 第一層和第二層(實體層和資料連接層)是根據 ISO 15118–3和底層另一個標準(IEC 61851)合作溝通所建立, IEC 61851標準定義了充電樁和電動車間之類比訊號和基本通訊, 可確保充電樁和電動車間進行充電槍插入偵測, 充電準備, 充電狀態和電氣安全等功能. IEC 61851利用5% PWM來觸發15118–3來建立HLC第一層溝通, 而當第二層之間透過資料連接層建立可靠且安全的資料連結跟確保無錯誤傳輸. SECC(充電樁)和 EVCC(電動車)獲得唯一的 MAC 位址.

接下來(如下圖), 就由TCP/IP架構接手,與一般網路協定一樣, 每一層在傳輸過程中將自己的標頭添加到從其下層接收到的原始資料中. 反之, 接收期間每一層在將有效資料截掉其標頭後傳遞到其下一層.

V2G 電動車對電網傳輸協定(V2GTP)位於傳輸層(OSI 第 5 層), 用於充電樁和電動車之間的會話管理, OSI 第 7 層的應用包括對車主進行身份驗證和授權, 充電(控制實際電力傳輸), 充電時間等功能.

車跟電網的對話

如何談?

當TCP/IP 的建立後, 後續會有哪些對話發生. 我們先從直流充電過程開始, 電動車(下圖EVCC)和充電樁(下圖SECC)就會開始client-server間的交談, EVCC(電動車)為client, SECC(充電樁)為server, 使用”請求 — 回應”機制, 根據這種機制，電動車發送請求訊息，充電樁回應訊息. 舉個例子, 當EVCC(電動車)發出”supportApppProtocolReq”(下圖實線)後, 正常情況下SECC(充電樁)會回”supportApppProtocolRes”(下圖虛線). 重傳及逾時機制我就不細說.

說些什麼?

整個15118–2在充電過程中, 由下面8個功能組成, 可對應到下圖綠色部分.充電過程開始: 下圖state “A”部分, 由61851和15118–3合作完成.

1. 充電過程開始: 下圖state “A”部分, 由61851和15118–3合作完成.
2. 通訊設定(即15118–2): 基於TCP/IP 連接, 此處需注意15118–2與15118–20不相容.
3. 證書安裝: 安裝有效的數位證書, 充電樁才能自動對駕駛員進行身份驗證和授權.
4. 身分識別與授權: 充電用戶身份識別.
5. 目標設定與充電安排: 有下列幾個主要動作

• 電動車和充電樁透過傳達最大和最小允許電壓等級和電流強度來交換各自 充電限制.
• 為了安全直流充電，應執行電纜檢查. 例如充電槍是否鎖定以及電動車是否準備好充電.
• 預充電用於將充電樁輸出電壓調整為電動車電池電壓.

6. 充電循環/重新調度:

• 對於直流充電控制, 循環交換來自電動車的請求目標電壓以及電流.
• 通知電動車有關充電樁當前的輸出電壓和電流及我們現在正處於充電循環中.

7. 加值服務:

8.充電過程結束:

• 充電完成後, 確保電動車和充電槍是否有斷開以免造成危險.
• 整個充電對話及過程結束.

DC charging

電動車和充電樁溝訊息和直流充電大致相同, 需注意的是的這條對話: Metering Receipt Req/Res, 功能是有關充電電量計量信息, 根據實際傳輸的電量進行準確的計費.

AC Charging

回顧

經過大篇幅敘述細節, 再回顧下ISO 15118在新增了那些功能:

充電時使用者身份識別: 外部識別模式(EIM)和隨插即充(PnC模式). EIM模式下車主需要在充電過程開始之前通過傳統刷卡或掃碼等方式完成身份識別和付費, 需要使用者手動執行. 在 PnC 模式下, 身份識別和付費資訊都通過高級別通信在電動車和充電樁之間自動交換.

此外ISO 15118 還提出了智慧充電的概念, 車輛根據電力網狀況和充電成本來智慧安排充電時間和充電參數(電壓, 電流).

為了保證隨插即充(PnC)等功能的安全性, ISO 15118增加了傳輸層安全(TLS)加密通信, 數位證書和基於 XML 的數位簽名的要求以強化通訊安全性.

但是, ISO 15118–2 是不兼容 ISO15118–20, 意思是今天電動車和充電樁不一致, 雙方是無法溝通的. 這是在標準定義時未來擴充性問題, 希望能透過軟體更新解決掉(但硬體規格要先滿足, 例如記憶體空間, 晶片加密等級等).