將EVs引入智能電網，實現穩定性和安全性

　　插入式混合動力汽車和電池電動汽車(phev, bev)的健康市場可以顯著減少尾氣排放的環境負擔，而不犧牲個人運輸所提供的自由。歐盟的立法委員們是最熱心的倡導者之一，他們主張對更清潔的汽車進行改革，一些歐洲國家已經表示有意在2040年之前禁止銷售新型的汽車和貨車。

　　汽車製造商可以通過使PHEVs和bev儘可能容易地使用來刺激市場的接受。這包括讓充電變得簡單和安全，就像給手機充電一樣。標準的物理充電連接可以幫助，儘管目前在國際標準IEC 62196-2中規定了三種類型。這包括SAE(美國汽車工程師學會)J1772插頭，它在北美廣泛使用，並被定義爲IEC 62196-2的第1型插頭。許多歐洲國家更喜歡IEC 2型插頭(在某些國家，有或沒有IP等級的覆蓋)，可以支持高達43.5 kW的充電功率，並能與歐洲三相交流電源供應快速充電站，以及普通單相電源。

　　這兩種類型的接口都包括安全特性，以確保只有在插入插頭時才能夠提供能量，並且在充電週期結束之前，插頭斷開連接時，就可以防止觸電。

　　步驟1:使充電簡單安全

　　J1772規範和iec61851 -1，是電動汽車充電接口的全球標準，在充電點-或電動汽車服務設備(EVSE) -和車載充電器(OBC)電子設備之間，指定了基本的電氣信號。這些相互作用確定了連接，並根據可用的通風等標準來協商電力輸送，以防止潛在的危險，如過熱。

　　溝通是基於1 kHz±12 V脈寬調製(PWM)控制信號。EVSE產生12 V信號。當充電插頭正常工作時，電動汽車將電壓降至9伏。然後，EVSE應用PWM並調整工作週期，以指示其自身的輸出額定電流。這是車輛允許使用的最大充電電流。與此同時，EVSE關閉其輸出繼電器以允許充電開始。在這一點上，電動汽車對導頻信號線的阻力較小，將電壓降至6伏，表明充電正在進行中。圖1顯示了與各種電動汽車充電狀態相關的信號電壓。狀態D，當電壓降至3 V時，表明有足夠的通氣可以允許快速充電使用最高的可能功率。

　　電動汽車的充電位置，各種電阻負載。

　　圖1:電動汽車被充電時，駕駛員信號線上的各種電阻負載顯示其狀態。

　　因爲J1772接口沒有檢測到當車輛完全充電時，當電纜不插電時充電終止。當發生這種情況時，駕駛員信號電壓恢復到12伏，EVSE將輸出關閉，以防止電流流動。

　　J1772接口參考設計

　　德州儀器爲j1772兼容的EVSE設計了一個參考設計，它利用了MSP430F6736單片機的特性，以方便控制和監控導頻信號線。其中包括一個高度精確的定時器模塊，用於生成所需的工作週期的PWM信號，以及一個連續的近似寄存器(SAR)模擬數字轉換器(ADC)，以讀取在引線上的車輛的響應。由於EVSE的當前評級基本上是由諸如輸出繼電器、電纜和連接器等部件的額定值決定的，因此該值通常可以固定在固件中以控制定時器電路。

　　驅動控制信號在數米的電纜和車輛的負載電阻應用連接時,參考設計使用一個OPA171運算放大器,利用±18 V的電源電壓範圍寬,軌到軌輸出和輸出額定電流475毫安。MSP430單片機通過一個分壓器對OPA171的輸出進行監控，以檢測車輛施加的負載阻力。

　　參考設計實現了J1772充電接口的所有電氣功能，如圖2所示。這些包括電源管理生成±12 VDC,3.3 V邏輯供應從主交流線,和一個TPL7407L下部司機管理兩級輸出繼電器。該設計還利用MSP430F6736的可中斷通用輸入/輸出(GPIO) pin，通過LM7321放大器連接到電流互感器，以防止潛在危險的接地故障。使用這個可中斷的pin使系統能夠比通過ADC監視當前變壓器的輸出來更快地響應。

　　此外,單片機的delta-sigma(ΔΣ)adc用於集成電力計量,利用現有的和證明單相住宅智能電錶設計參考。

　　德州儀器j1772兼容EV充電器功能圖

　　圖2:TI參考設計實現了j1772兼容的EV充電器所需的所有功能。

　　第二步:將電動汽車插入智能電網。

　　按照J1772和iec61851 -1等規範，規範充電接口，使充電簡單安全，對鼓勵更多使用電動汽車大有幫助。然而，隨着此類車輛在日常使用中的數量增加，當它們被充電時，電網的負荷也會增加。另一方面，如果對充電進行智能管理，PHEVs/ bev可以支持有效的需求響應程序，以防止過量的峯值負載，還可以作爲剩餘可再生能源的存儲。圖3說明了車輛和充電點之間可能發生的談判，利用與電網管理系統的通信來確定能源容量和關稅。

　　車輛、智能充電器和電網之間複雜的通信圖。

　　圖3:車輛、智能充電器和電網之間的精密通信，保證了充電的及時完成，同時保證了電網的穩定性。Christoph Saalfeld, Daimler AG, Vector Congress 2010的介紹。

　　此外，對充電的智能管理使得附加的增值服務成爲可能，例如應用基於雲的機器學習算法來計算下一個旅程中最節能的路線，並預測消費。這兩種功能都爲所有者提供了價值，並幫助公用事業公司確保了網格的穩定性和可用性。其他可以提供的服務包括動態計費，這樣電動汽車車主在家裏或在公共充電站、工作場所、朋友或家庭成員的房產等其他地點的收費都可以被正確地收取。

　　爲了使這些類型的特性和服務得以實現，需要在車輛和EVSE之間進行更復雜的通信。ISO/IEC 15118工作組已經制定了車輛對電網(V2G)通信的規範，利用電力線通信(PLC)標準，當車輛通過電纜充電時。特別地，它選擇了IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP)寬帶PLC規範作爲最佳協議，以確保通信的健壯性和高的數據率。HPGP在2mhz和30mhz之間的頻率運行，使系統能夠將有效的數據與其他附近的噪聲源的噪聲區分開來。

　　在啓動充電過程後，建立通信系統，允許車輛及其充電點交換信息，如控制和配置數據、訪問特權、時間戳、關稅信息、客戶ID和位置，以及儀表讀數。

　　端到端V2G溝通

　　各種研究已經研究了車輛和電網管理系統之間的通信標準。EU PowerUp項目檢查了使用IEC 62056 DLMS/COSEM的機會，利用了協議的各個方面，例如將信息轉發到智能網格管理系統(例如負載平衡控制器)的PUSH原始數據。隨着EV的具體擴展，DLMS/COSEM被發現是一個適合端到端V2G通信的協議。

　　另一種方法是使用iec61850協議，該協議的設計目的是支持變電站自動化系統之間的通信，用於管理可再生電力資源和消費者之間的能源流動。電動車提出了特定的擴展使交互使用ISO / IEC 15118 V2G接口,弗勞恩霍夫研究所的嵌入式系統和通信技術(弗勞恩霍夫面)開發了一個參考系統使用ISO / IEC 15118和IEC 61850標準- HPGP以及IPv6 V2G通信通過一個智能充電站,能夠支持增值服務。圖4顯示了該參考設計如何結合ISO/ iec15811和iec61850協議來實現端到端V2G通信。

　　由智能車輛充電站管理的端到端V2G通信圖。

　　圖4:智能汽車充電站管理的端到端V2G通信。

　　HomePlug - AV (HomePlug - AV, HomePlug Green PHY)的HomePlug (HomePlug - AV)協議，旨在使芯片製造商能夠快速、輕鬆地創建支持標準的ICs，並準備在各種智能家居產品中使用。

　　STMicroelectronics ' ST2100 STreamPlug是一個集成了可配置硬件引擎的系統芯片，能夠支持多個HomePlug AV或HPGP端口。該設備的架構是爲各種智能用例(如家庭自動化、安全性和電動汽車充電)提供單片機解決方案。集成的手臂®9 CPU提供足夠的處理能力來主機智能充電應用程序和協議棧IEC 61850或dlm / COSEM,作爲與智能電網通信管理系統的建議。此外，從一開始就被設計爲智能、連接應用程序的高度集成芯片，它還包含硬件密碼協處理器和支持算法，如AES、DES/3DES和IPSec。一個內置的以太網端口和彩色LCD控制器使該設備能夠支持很大比例的智能電動汽車充電功能，而無需額外的外部設備。

　　幸運的是，廣泛的軟件可以作爲支持軟件開發工具包(SDK)的一部分，包括帶有內核調度器、系統軟件和Linux內核的接口層。核心調度器的接口層提供了支持系統軟件的api，它實現了HPGP MAC和其他模塊。Linux內核包含用於控制ST2100接口和整個硬件平臺的Linux設備驅動程序。

　　STMicroelectronics ST2100軟件架構圖。

　　圖5:ST2100軟件架構。

　　圖5展示了ST2100軟件架構。OK Linux技術支持虛擬化，通過允許多個應用程序或操作系統在同一處理器上並行運行，從而簡化了應用程序開發。例如，可以使用實時操作系統來承載延遲敏感函數，同時還可以從開源社區的資源中獲益，以促進Linux應用程序的開發。

　　結論

　　環境問題和反排放的政府政策應該鼓勵人們轉向電動汽車，並大幅減少對內燃機的依賴。從用戶的角度來看，由於SAE J1772或iec61851 -1等標準接口，充電可以是簡單和安全的。

　　要想克服廣泛使用插件EVs對網格穩定性帶來的挑戰，下一步需要進行智能充電。已經有合適的通信協議，如ISO/IEC 15118、HPGP和iec61850，可以支持端到端的V2G通信，可以幫助管理需求和平衡能量流，同時通過提供增值服務給汽車用戶帶來額外的好處。