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将电动汽车引入智能电网以实现稳定性和安全性

插电式混合动力汽车和电池电动汽车(PHEV,BEV)的健康市场可以在不牺牲个人交通提供的自由的情况下,显着减少尾气排放的环境负担。欧盟立法者是改变清洁车辆的最积极的倡导者之一,一些欧洲国家已经表明,到2040年禁止使用传统内燃机销售新车和厢式货车的意向。
汽车制造商可以通过尽可能轻松地使用PHEV和BEV来刺激市场的接受度。这包括使充电过程像充电一样简单和安全。标准化物理充电连接可以提供帮助,但目前国际标准IEC 62196-2中规定了三种类型。其中包括SAE(美国汽车工程师协会)J1772插头,该插头在北美被广泛使用,并被定义为IEC 62196-2中的1型插头。许多欧洲国家更喜欢使用IEC Type 2插头(有些国家要求使用或不使用IP防护等级),这种插头可以支持高达43.5 kW的充电功率,并且能够与欧洲三相交流电源一起工作以快速充电站,以及普通的单相电源。
两种类型的接口均包含安全功能,以确保只有在插入插头时才能提供能量,并且在充电周期结束之前插头断开连接时为了防止触电而进行?;?。

步骤1:使充电简单和安全

作为电动汽车充电电气接口的全球标准的J1772规范和IEC 61851-1规定了充电点或电动汽车服务设备(EVSE)与车辆车载充电器之间的先导连接的基本电气信号OBC)电子产品。这些相互作用确认连接并根据可用通风等标准协商供电,以防止过热等潜在危险。
通信基于1 kHz±12 V脉宽调制(PWM)导频信号。EVSE产生12V信号。当充电插头正确接合时,EV放置一个电阻负载,将电压降至9 V.然后,EVSE将应用PWM并调整占空比以指示其自身的输出电流额定值。这是车辆被允许绘制的最大充电电流。与此同时,EVSE关闭其输出继电器以启动充电。此时,EV对导频信号线施加较低的电阻,将电压降至6 V,作为正在进行充电的指示。图1显示了与各种EV充电状态相关的信号电压。状态D,当电压降至3 V时,表明有足够的通风可用于使用尽可能高的功率进行快速充电。
要充电的EV图形放置各种电阻负载
图1:要充电的EV将各种阻性负载放置在导频信号线上以指示其状态。
由于J1772接口未检测到车辆充满电时,拔下电缆时充电将终止。发生这种情况时,先导信号电压恢复到12 V,EVSE关闭输出以防止电流流动。

J1772接口参考设计

德州仪器TI)为J1772兼容的EVSE提供了参考设计,该设计充分利用了MSP430F6736微控制器的特性,以便于控制和监测导频信号线。其中包括用于生成所需占空比的PWM信号的高精度定时器??橐约坝糜诙寥〕盗驹诘家呱系南煊Φ闹鸫伪平拇嫫鳎⊿AR)模数转换器(ADC)。由于EVSE的电流额定值基本上由输出继电器,电缆和连接器等组件的额定值决定,因此该值通??梢怨潭ㄔ谟糜诳刂贫ㄊ逼鞯缏返墓碳?。
为了在几米长的电缆上驱动导频信号,并通过连接时车辆施加的负载电阻,参考设计使用OPA171运算放大器,利用其宽电源电压范围±18 V,轨到轨输出,以及475毫安输出电流额定值。MSP430微控制器通过分压器监测OPA171的输出,以检测车辆施加的负载电阻。
该参考设计实现了J1772充电接口的所有电气功能,如图2所示。其中包括用于从主AC线路产生±12 V DC和3.3 V逻辑电源的电源管理以及管理TPL7407L低端驱动器一个两级输出继电器。该设计还利用MSP430F6736的可中断通用输入/输出(GPIO)引脚,通过LM7321放大器连接到电流互感器,以防止潜在的危险接地故障。使用这个可中断的引脚可以使系统响应速度超过通过使用ADC监测电流互感器输出的可能性。
此外,微控制器的Δ-Σ(ADC)ADC用于集成功率计量,利用现有的经过验证的单相住宅智能电表参考设计。
德州仪器符合J1772标准的EV充电器功能图(点击放大)
图2:TI参考设计实现了符合J1772标准的EV充电器所需的所有功能。

步骤2:将电动车辆插入智能电网

根据J1772和IEC 61851-1等规范对充电接口进行标准化,使充电简单安全,可以大大促进电动汽车的使用。但是,随着日常使用这类车辆的数量增加,电网插入充电时的负载也会增加。另一方面,如果智能化地管理充电,PHEV / BEV可以支持有效的需求响应程序,以防止过高的峰值负荷,并且还可以用作剩余可再生能源的存储。图3说明了车辆和充电站之间可能发生的谈判类型,利用与电网管理系统的沟通来确定能源容量和价格。
车辆,智能充电器和电网之间复杂的通信图
图3:车辆,智能充电器和电网之间的高级通信可以确保充电及时完成,同时保持电网稳定。Christoph Saalfeld,戴姆勒股份公司,2010年矢量大会演讲。
此外,计费的智能管理使附加增值服务成为可能,例如应用基于云计算的机器学习算法来计算下一次旅程中最节能的路线并预测消耗。这两项功能都为业主提供价值,并帮助公用事业公司确保电网的稳定性和可用性??商峁┑钠渌癜ǘ品?,以便EV主人在家中或其他位置(例如公共充电站,工作场所或朋友或家人的财产)收费时可以正确计费。
为了实现这些类型的功能和服务,车辆和EVSE之间需要更复杂的通信。当车辆通过电缆充电时,ISO / IEC 15118工作组制定了车对电网(V2G)通信规范,利用电力线通信(PLC)标准。特别是,它选择了IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY(HPGP)宽带PLC规范作为确??煽客ㄐ藕透呤菟俾实淖罴研?。HPGP工作在2 MHz和30 MHz之间的频率,使系统能够区分连接的导频线上的有效数据与其他附近信源的噪声。
充电过程开始后,通信建立,允许车辆及其充电点交换控制和配置数据,访问权限,时间戳,资费信息,客户ID和位置以及仪表读数等信息。

端到端的V2G通信

各种研究已经研究了适用于车辆和电网管理系统之间通信的标准。EU PowerUp项目检查了使用IEC 62056 DLMS / COSEM的机会,利用协议的各个方面(如PUSH原语)将信息转发到智能电网管理系统(如负载平衡控制器)。随着EV专用扩展的增加,DLMS / COSEM被认为是适用于端到端V2G通信的合适协议。
另一种方法是使用IEC 61850协议,该协议被设计用于支持变电站自动化系统之间的通信,用于管理可再生电力资源和消费者之间的能源流动等目的。已经提出了EV特定的扩展以实现与ISO / IEC 15118 V2G接口的交互,并且Fraunhofer嵌入式系统和通信技术研究所(Fraunhofer ESK)已经开发了使用ISO / IEC 15118和IEC 61850标准的参考系统 - 以及HPGP和IPv6 - 通过智能充电站进行V2G通信,能够支持增值服务。图4显示了这个参考设计如何提出ISO / IEC 15811和IEC 61850协议的组合来实现端到端的V2G通信。
由智能车辆充电站管理的端到端V2G通信图
图4:由智能车辆充电站管理的端到端V2G通信。
HomePlug PLC协议(包括HomePlug Green PHY的HomePlug AV)旨在帮助芯片制造商快速轻松地创建支持这些标准的IC,并准备用于各种智能家居产品。
意法半导体的 ST2100STreamPlug是一款集成了可配置硬件引擎的片上系统,可支持多个HomePlug AV或HPGP端口。该器件的架构旨在为单一芯片解决方案提供各种智能用例,例如家庭自动化,安全性和电动车充电。与智能电网管理系统进行通信时,集成的ARM®9CPU提供足够的处理能力来托管智能充电应用和协议栈,如IEC 61850或DLMS / COSEM。此外,它从一开始就被设计为智能连接应用的高度集成芯片,它还包含一个硬件加密协处理器,支持AES,DES / 3DES和IPSec等算法。
幸运的是,作为支持软件开发工具包(SDK)的一部分,有大量软件可供使用,包括带核心调度程序的接口层,系统软件和Linux内核。具有核心调度程序的接口层提供API以支持系统软件,该软件实现HPGP MAC和其他???。Linux内核包含用于控制ST2100接口和整个硬件平台的Linux设备驱动程序。
意法半导体ST2100软件架构图
图5:ST2100软件架构
图5显示了ST2100软件架构。OK Linux技术支持虚拟化,通过允许多个应用程序或操作系统在同一个处理器上并排运行,可简化应用程序开发。例如,可以使用实时操作系统来托管延迟敏感功能,同时也可以从开源社区的资源中受益,以促进Linux应用程序的开发。

结论

环境问题和反排放政府政策是促使电动汽车大幅度转向插电式电动车并大幅减少对内燃机依赖的驱动因素之一。从用户的角度来看,由于采用了标准化接口(如SAE J1772或IEC 61851-1),充电过程可以简单而安全。
智能充电是克服广泛使用插入式电动汽车对电网稳定性带来挑战的下一步需要。诸如ISO / IEC 15118,HPGP和IEC 61850等合适的通信协议已经可用于支持端到端的V2G通信,该协议可以帮助管理需求并平衡能量流,同时通过提供车辆用户增值服务。
(责任编辑:ioter)

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