Physical and data link layer requirements
電動車上路後, 充電就是車主會遇到最頻繁的活動. 所以購買電動車的考量, 除了充電站普及率, 充電的效率, 安全和便利性(至少要能跟目前加油體驗接近), 單位價格, 需充電多久, 付款方式等等一連串使用上的疑慮, 會是消費者所擔心的.
在ISO 15118–2規劃了電動車和充電樁間以TCP/IP為基礎的網路架構, 帶來了車主在充電時的便利性, 例如多元的身份識別(利用常見的刷卡, 掃碼或利用數位證書進行隨插即充(PnC)和付費), 智慧充電(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)等. 但讓整個溝通的起源是由基礎的硬體信號溝通(ISO 15118–3)和IEC 61851的合作而成. 尤其底層的信號都是類比的電氣訊號, 需有一機制利用類比訊號轉換成上層TCP/IP為主的網路架構(ISO/IEC 15118–2). 而為什麼需要這個轉換? 因為電動車充電站(樁)都會接到雲端, 而充電站業者利用充電站管理軟體 (CSMS)來提供授權, 計費和支付等服務. CSMS 連接到所有充電站內的充電樁. 充電樁和 CSMS 之間的通訊所使用開放充電點協定 (OCPP)也是基於 TCP/IP 網路標準來開發的.
而這個標準(ISO/IEC 15118–3)就是定義和IEC 61851之間的關係和工作原理, 然後串起上層的ISO/IEC 15118–2來形成服務.
什麼是高級通訊(HLC)?
HLC 一般是指充電樁和電動車間的通信網路, 嚴格說應該是電動車內部的通訊端點稱為電動車通訊控制器(EVCC)和充電樁內部的通訊端點稱為供電設備通訊控制器(SECC). HLC 包含OSI layer 1–7. ISO 15118–3 定義了 OSI layer 1–2, ISO 15118–2定義 OSI layer 3–7.
類比訊號做了什麼?
IEC 61851利用類比訊號來產生和偵測特定訊號線上的特定電壓位準和波形並在充電樁和電動車之間做溝通, 類比訊號的標準由 IEC 61851定義(電動車充電系統標準). 此標準定義了交流充電和直流充電的電壓和電流範圍, 充電方式, 連接狀態(電動車和充電樁)和安全等(下圖紅框部分).
深入研究ISO 15118–3之前, 簡單看下 IEC 61851定義那些跟ISO 15118有關部分:
充電模式
- 充電模式 3: 使用交流充電站進行充電. 使用PWM 訊號和非強制的高階通訊(HLC).
- 充電模式 4: 使用直流充電站進行充電. 使用PWM 訊號和強制高級通訊(HLC).
充電系統(系統C)
- 系統 C: 實體層/資料層是電力線路通訊(PLC)和應用層由 ISO 15118 定義.由系統C的定義可以看出, ISO 15118 HLC的底層(類比訊號)是使用電力線通訊(PLC).
又有新名詞出現 “PLC”, PLC(電力線通訊): 通常使用HomePlug Green PHY標準, 在電動車和充電樁兩端實體層(第 1 層)連接, 與IEC 61851使用相同實體線路. 並藉由此線路傳輸 1.8MHz 至 30MHz 範圍內的高頻載波(如下範例圖式).
高級通訊(ISO 15118: HLC)與類比信號(IEC 61851)合作
IEC 61851的類比信號是靠產生5% PWM(PWM是一種控制信號, 應用於硬體控制)的duty cycle的波形來觸發 PLC (1.8MHz-30MHz載波訊號: HLC第一層)來建立實體連接在SECC(充電樁)和EVCC(電動車)之間. 而IEC 61851在 CP 線上發出 5% PWM (+/- 12V, 1KHz)duty cycle來觸發PLC動作(後面會在充電過程中提到), 一旦PLC在充電樁和電動車之間建立了HLC的連接, 而IEC 61851於 ISO/IEC 15118就不再扮演任何角色.
在簡單敘述IEC 61851以PWM方式觸發 ISO 15118–3 HLC 的第一層PLC的機制, 我們就談下充電流程(以直流充電流程為例子).
HLC與類比訊號的整個溝通順序是由下面幾個步驟所完成, 而我會特別標註ISO 15118–3是在哪個類比訊號步驟介入:
- 未配對: 電動車尚未連線(狀態 A)
從紅色圈起來的地方可以看到, 狀態A是在充電樁的CP(Control Pilot)所量測+12V開始. 此時狀態是為未配對(Unmated).
Note: 狀態A, B, C…代表在CP到R1所量測到不同大小的電壓, 藉以定義充電過程之不同狀態.
2. 已配對: 充電樁偵測到電動車了但還未開始充電(狀態 B1）
此時CP進入狀態B1, CP所量測到是9V. 充電樁和電動車已配對(Mated).
3. 初始化: 偵測到電動車(B2), 開始建立HLC OSI layer 1 (ISO 15118–3).
切換S1(紅圈), 電動樁經由PLC送出5% PWM duty cycle請求建立HLC第一層通訊(OSI layer 1).
因為此時開始建立HLC溝通流程, 我們先說下網路架構如何建立(OSI layer 1/2, 此標準之重點).
由下圖OSI layer可看到ISO 15118–3 的OSI layer1藉由PLC觸發信號已建立.
在OSI layer 1 (實體層)建立完後, 在建立OSI layer 2 的過程中, 有個重要的溝通步驟”SLAC” (Signal Level Attenuation Characterization), 經過這個網路交談過程, 我們才可以讀到MAC address, 然後基於MAC address才能支援上層TCP/IP 網路以提供多樣化的應用及服務. 所以, 我認為ISO 15118–3重要的部分就是SLAC.
SLAC溝通過程中最後一步驟, 電動車和充電樁都應該讀到對方的MAC(紅圈).
後面就不細述OSI layer 3 之上層(含 layer 3)的工作, 因為OSI layer 3以上的定義是在ISO 15118–2. 簡單來說, 整個HLC通訊完成就是遵循OSI 架構(下圖). 只是在底層類比訊號從IEC 61851交接給ISO 15118–3.
回到硬體電氣訊號的流程, 在上面第三步(初始化)將網路通訊流程帶起來後,後面跟著是:
4. 電纜檢查: 充電槍鎖定在電動車充電口, 以確保充電是安全.
5. 預先充電: 將電動車充電樁的輸出電壓調整為汽車電池電壓.
6. 充電: 實際充電並控制實際電力傳輸.
7. 斷電: 收到充電結束訊息, 電動車解除充電槍鎖定, 結束PLC通訊.
8. 未配對: 電動車和充電樁回到未配對狀態, 充電樁停止供電.
以上就是整個ISO 15118–3所提到的底層硬體電路設計的工作原理及其溝通流程.
後話
ISO/IEC 15118無縫的利用電氣訊號(5% duty cycle的PWM), 將網路相關應用及服務附加上去. 的確讓電動車的整個充電過程更便利, 充電資訊數據化, 電動車跟電網之間(V2G)可以互相溝通. 且這些功能或服務未來在數據分析, AI化, 電力整體運用和運營管理等都建立實用且彈性的基礎. 可是當發生網路發生中斷, 病毒或駭客侵入等事件時, 是否回歸基本的操作的流程也是選項之一. 雖然現在加油以機械及搭配付費系統, 使用者需要以頻繁的交互操作完成加油. 另外, 目前在基本民生電力供給上, 沒有大量且穩定的綠能跟上, 是否加油站及汽油車也可以一樣畫葫蘆, 以新的架構來規劃且實施?