V2G communication- General information and use-case definition
在各國淨零碳排的政策目標下, 近年來各車廠陸續推出電動車或是油電混合車. 雖然大部分的消費者對換成電動車仍有疑慮, 例如, 充電基礎建設普及率, 購買電動車的支出等. 並且美國近來也考慮放緩電動車轉型時程(2030年電動車產量將占新車的60％). 但電動車作為交通載具已是趨勢. 所以除了在電動車充電基礎建設上普及的速度需要政府支持外. 讓大眾在使用上可以感覺到更加便利, 而且能跟其他充電網路做結合以達到整體用電管理上更有效率. 就是在制定充電車或基礎建設時應該考慮到的.
ISO 15118是份國際標準, 我還以為只談到電動車和充電裝置(充電樁)之間的通訊標準, 但實際是除了定義電動車和充電樁充電程序外, 還涵蓋到電動車到電力網(V2G)所需的數據, 通訊方式和使用情境. 簡單來說, 允許電動汽車將電力反饋到整體電力網, 將電動車作為移動儲存電力的能源平臺, 成為可再生能源的來源之一.
15118跟開發相關有三個部分(ISO15118–1/2/3), 測試相關要求有二部分(15118–4/5), 我想先寫開發部分的心得, 大致來說各部分的重點如下:
ISO 15118–1: 跟大部分的標準一樣, 15118–1是整個標準的框架基礎, 它定義了充電過程中所涵蓋到需要溝通的資訊, 包括身份識別(人, 車), 授權, 訊息格式, 計費, 支付等. 及電動車充電中可以根據來自電力網信號(透過充電樁傳遞)進行調整, 電動車可以透過充電設備充電也可以將電力反饋到電網中.
ISO 15118–2: 將深入探討“如何”建立起電動車(EV)和電動汽車供電設備(EVSE)之間的通信, 詳細說明從網路OSI layer 3(網路層)到layer 7(應用層)之網路協定需求. 它規定了電動車如何與充電站進行身份驗證和通信等步驟來進行電力傳輸, 而實現智慧充電並支援車輛電力回傳到電網(V2G)的雙向電力傳輸. 並使用 TLS、TCP 和 IPv6 等協定確保電動車和充電設備(樁)之間通過 IP 網路進行安全的溝通.
ISO 15118–3: 11518–2 說明網路層以上到應用層的需求, 第三部分就是制定電動車和充電設備(樁)之間網路通信的物理層(OSI layer 1)和數據連接層(OSI layer 2)之需求. 除了為ISO 15118–2 中所規定的更高層通信協議網路架構中之底層網路通訊建立基礎外, 第三部分另一個重點就是支援IEC61851–1, 為什麼要支援IEC61851–1呢? 原因是61851–1制定了電動車充電系統的硬體基本要求, 包括安全(例如: 最大充電電壓電流負載保護, 防電擊, 漏電等), 可靠性(防水防塵等)和電氣規範(例如: 使用脈衝寬度調製方法(PWM)控制充電過程等). 因為61851–1 提供的基本信號不足以滿足智慧充電功能, 所以在網路實體層觸發並與ISO 15118–3 而建立了資料連階層以上的網路通信, 讓上層可以建立更豐富的功能，例如身份驗證, 計費資訊交換, 動態收費控制等.
關於此份標準(15118–1), 我將以基礎架構, 充電過程二部分來說明這份規格. 基礎架構會以瞭解電動車與充電設備進行充電時通訊時的要求, 而充電過程會提到整個過程所需的充電步驟.
基礎架構
15118的主要目的是建立電動車輛(EVs) 與電動車輛供電設備(EVSE)間通信的標準化, 而讓充電車主在充電時使用付費方式ㄧ致方便, 並在更多人開始使用充電車後能平衡整個電力供給. 這裡指的電動車涵蓋電池電動車和插電式油電混合電動車, 而電動車的供電設備會是充電樁.
電動車和供電設備溝通是透過電動車通信控制器(EVCC)在電動車內和供電設備通信控制器(SECC)之間來做溝通, 通信開始會透過電氣訊號(61851–1)完成基本的檢查確認之後再交接給以網路為骨幹(OSI layer) 的15118來接手上層通信及應用(整個溝通的細節我會寫在15118–2部分), 使用網路是可以串起更多服務(例如:智慧計費以及身份驗證和授權機制). 從下圖可以看到除了15118所設定的主要角色為電動車和充電設備外, 後面跟著的次要參與者不外乎就是所需相關服務的廠商.
這些服務的相關廠商包括車輛品牌商, 車輛製造商, 充電樁製造商, 相關服務提供商, 電力提供商和監管機構等. 需要他們以不同觀點的意見與討論來參與標準的制定以建立EV生態的適用性. 以下為標準裏提到的各個基本要求:
一般:
串起服務的網路必須加密來保護數據免受篡改和未經授權的訪問
需要詳細說明如何充電計量和計費方式, 確保車主和服務提供商之間的交易透明和正確.
對於車主:
保證充電過程可靠, 報告任何問題或錯誤給車主.
隱私保護, 確保個資僅在車主同意時共享.
對於製造商:
車輛製造商將此標準整合到電動車中, 可以根據特定車輛需求和用戶設置調整充電過程.
存儲車輛中客戶特定資訊, 如充電偏好, 計費資訊和車輛識別數據等, 並確保隱私和安全.
軟體更新
對於公用事業：
電力網影響, 充電樁能夠根據來自公用事業公司的高峰和非高峰期間的充電負荷, 調整充電速率及總量.
彈性計費, 根據當前電力網狀況和容量調整充電費率.
可再生能源整合：可再生能源供應可用性並採取彈性充電費率, 促進可再生能源用於電動車充電.
支持智慧充電功能, 可根據電網狀況和使用者偏好定製充電計劃.
充電過程
整個溝通過程大致包括有開始充電, 通信設定, 證書處理, 身份識別及授權, 充電設定與調度, 充電控制與重新調度, 加值服務和充電結束. 每個過程細節如下:
充電開始: 充電槍插入車輛後啟動車輛和充電設備(槍)之間的流程. 為整個充電過程初始化, 例如充電槍插入後的電氣訊號處理及轉換至15118 TCP/IP 做應用處理.
通信設定: 建立EVCC(電動車)和SECC(充電樁)之間建立安全的通信協定, 確保交換的資料跑在安全的通道上.
證書處理: 除了通訊協定是安全的, 資料傳輸也藉由數位證書以進行認證, 確保電動車與充電設備之間的資料是安全的. 這類似於進入一個安全的網站，數位證書可以確保您可以安全地瀏覽.
身份識別及授權: 在此步驟中, 電動車或車主需要證明其身份才能獲得開始充電的許可. 就像使用密鑰打開上鎖的房間;只有授權使用者才能進入使用.
目標設定與充電調度: 電動車與充電設備根據充電參數（如開始時間、持續時間和功率需求)的溝通, 雙方都同意此設定. 兼顧使用者便利性和電網效率.
充電控制與重新調度: 一旦充電開始, 情況可能會發生變化(例如, 電力網的供電發生變化). 電動車和充電設備需要重新協調充電設定.
加值服務: 除了充電之外, 還有其他服務, 例如發送車輛診斷數據至原廠及車主或允許電動車使用來自電網的電力來保持車內溫度和電池, 此時仍然連接到充電設備, 確保車輛充電安全且處於舒適的溫度.
充電過程結束: 充電完成後, 電動車與供電設備結束其對話, 確保所有服務都已計費並安全終止連接.
通過這些功能分類來確保電動車在安全, 彈性及多元性服務的充電過程, 以適應不斷發展的電動汽車生態系統中的各種需求和場景作適度調整.
後話
由於用電一直是熱的話題, 尤其台灣晶圓廠, 電子代工廠都是耗電量極大的產業. 提供綠電, 再生能源或是電力使用的有效率一直是常被討論的問題. 電動車是未來代步的主流, 無論是公共巴士, 私人用途, 計程車, 工程車輛等, 將充電車, 充電站(私人或公用)都納入整體電網規劃都是進行式.看完15118後, 我才發現電動車不是只有用電的角色, 它也可以成為供電的裝置之一, 並且能在充電過程中因應即時電力狀況做調整都是對整體用電需求有助益的. 日後社區大樓, 商辦, 飯店也會因為充電樁設立而成為整體城市電網規劃中的點. 另外, 針對不同的充電行為, 例如公車隊, 計程車隊充電時間, 排程都會因為運營模式會有更靈活的調度.