摘  要： 剖析了电动车(EV)与电动车供电设备(EVSE)之间可靠通信所需的标准要求。详细论述了高可靠性G3-PLC方案应用于电动车智能充电系统的优势。数据表明，G3-PLC系统完全满足汽车和电力行业的通信标准，是最佳的低频通信方案。
关键词： PLC；G3-PLC；EV；PHEV

    电动车(EV)和插电式混合动力车(PHEV)正在形成一个前所未有、充满活力的移动电能消费类市场，电力提供方(电力公司)和汽车所有者之间的关系也日益清晰。许多电力公司已经或正在计划为EV用户提供特殊的费率标准，包括固定月费率。
    EV为电能市场注入了新的活力和需求。实际上，EV与能源提供者之间相互依存的关系已开始形成。由于EV储能容量较大，通常为10 kVH，在数小时内需要吸收80 A甚至更大的电流。这为电网设备增添了重大压力，特别是对于低压变压器，可能在为用户家庭供电时产生过热甚至发生故障。另外，EV储备的电能也可以产生电流倒灌，向电网输送电能，以解决供电高峰时期的电力需求，避免启动高碳排放的柴油发电机。
    为了建立这种新型互动关系，EV和能源提供者必须相互沟通。电力公司必须能够识别每一辆汽车，并且需要通过双向通信进行电能流向和用电量的计量。为满足这一新的市场需求，包括汽车工程师协会(SAE)、国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)在内的各标准组织，开始着手制定连接EV和电动车供电单元EVSE的通信标准。将这种安全、可靠的双向通信能力集成到当前的供电系统，涉及到诸多关键问题。同时，随着EV充电成为一项关键的行业需求，面向智能电网的新标准G3-PLC脱颖而出，成为利用电力线通信管理电网能源的领先技术。
    本文分析了可靠的EV-EVSE通信关键要求。数据表明G3-PLC系统完全满足汽车与电力行业的新标准。经过全球各地测试检验的G3-PLC方案是最佳的低频通信方案。
EV-EVSE通信标准
    在过去的3年中，汽车厂商已经研究、测试了各种不同的EV-EVSE通信方案。最近，汽车联盟也将其测试结果锁定在两种电力线通信(PLC)解决方案，并将G3-PLC作为低频通信选择的重点。一套切实可行的通信方案面临众多挑战，设计人员也在积极探索可行方案。
    通信方案需要遵循的关键原则是：(1)可靠的数据通信和满足汽车级要求的部件；(2)满足EMC、联合干扰及串扰限制；(3)符合全球范围的电力线规范；(4)通过控制线工作；(5)工作在交流或直流电网；(6)对能源管理系统提供安全的联网支持。
    此外，汽车解决方案为IC设计者和制造商带来了特殊挑战。IC器件必须能够承受恶劣的工作环境，必须能可靠工作10～20年，并满足汽车的相关认证和质量保证体系要求。
G3-PLC——EV-EVSE通信技术的最佳选择
    一段时间以来，汽车行业对电动车供电单元作研究的同时，电力行业也在开发使用寿命长达10年之久的高可靠性G3-PLC方案。这些成果已经得到世界最大电力公司的支持，包括法国电力集团(EDF?誖)。目前已经推出G3-PLC电力线调制解调器，可以工作在负信噪比(SNR)的恶劣环境下。无论怎样强调G3-PLC技术的重要性都不为过，它已成为确保任何EV-EVSE条件下可靠通信的关键。
    美国能源部2009年资助的独立直流充电试验结果证明了EV-EVSE通信所面临的困难。测试结果显示Maxim的G3-PLC电力线调制解调器具有高度可靠的通信能力，能够适应任何工作条件。
强噪声充电电缆
    大多数独立的PLC方案都工作在较低电流，G3-PLC是唯一能够在250 A下实现可靠通信的PLC系统。测试数据如图1所示，噪声可能比信号强20 dB，甚至更高。此外，开关电源所产生的噪声频率也不相同，取决于具体使用的开关电源。G3-PLC系统采用专有技术应对恶劣的环境条件，包括可靠工作模式(robo模式)、自适应频率映射、两级纠错和二维梳状滤波等。这些功能在IEEE?誖ISPLC文献中有详细介绍[1]，并经过现场测试验证，G3-PLC能够跨变压器实现可靠的数据通信。

EMC抑制
    在G3-PLC收发器推出之前，电磁兼容性EMC一直是困扰PLC用于户外通信的主要障碍。然而，由于G3-PLC系统工作在较低频率(500 kHz以下)，并且针对全球智能电网而设计，克服了EMC这一难题。实际上，初步试验已经显示，在低频带(500 kHz)，G3-PLC系统的EMC水平低于CISPR-25的限制门限，随后的大量试验也证明了这一点。
联合干扰与串扰
    通常情况下，充电站会对平行排列的多台电动车充电，一旦发生通信误码，将会造成计费错误。因此，联合干扰和串扰成为EV-EVSE网络的一个关键指标。汽车行业最初考虑在这一应用中采用无线通信方案，但事实证明这一方案无法保证可靠的联合充电。
    采用G3-PLC技术解决充电中EV的正确计费难题。EVSE开关断开时无法进行通信，从而保证在具有多条充电线路的EVSE中无法通过开路触点通信或在充电线路之间通信，如图2所示。这一功能在新近的ISO 15118 PT4试验中得到了进一步证实。试验中将G3-PLC信号增大到正常工作水平的10倍，以引入串扰。在标称条件甚至更嘈杂的工作条件下，未检测到串扰。

    全球化方案是汽车制造商的关键目标，G3-PLC系统已经在全球多个地区经过广泛测试，工作在10 kHz～500 kHz各国授权的许可频带。为了支持许可频带的地区差异，Maxim G3-PLC方案提供可编程功能，以满足部署区域的规定。因此，在欧洲电力公司的试验中，将G3-PLC系统编程在CENELEC?誖A波段(最高95 kHz)；在美国测试中，则将G3-PLC设置在FCC频带(最高490 kHz)；日本的测试则设置在ARIB频带(最高450 kHz)。
工作于控制线
    工作在控制线时，G3-PLC收发器需要克服更多的设计挑战。为了满足SAE J1772规范，工作在控制线时需要注意两个关键因素——超低电压与耦合问题，以避免PWM干扰。考虑到G3-PLC系统的坚固特性，工作在低压(及小电流)条件不成问题。图3表明，在500 mV下正常工作时，收发器不会出现丢包现象，也无需重发。

    另外，还需注意避免PWM信号过载(对摆率造成不利影响)，并避免来自1 kHz、12 V信号的PWM谐波。为确保PWM信号频带与G3-PLC传输频带不发生重叠，G3-PLC系统设置工作在150 kHz以上。为确保PWM摆率在系统限值的范围内,优先考虑电感耦合(优于电容耦合)。
多功能性带来更多可能
    G3-PLC方案作为交流电源方案已经在全球众多电力公司进行广泛测试。SAE赞助的试验结果表明：G3-PLC系统能够以零误码发送数千万条汽车用电数据。由于G3-PLC系统可工作在加电和非加电线路(交流电网、控制线、CAN或任何介质)，从能够提供值得信赖的可靠性保障。
    G3-PLC方案对高级电表基础架构(AMI)非常重视，为交流电网上的EV-EVSE通信开启了一扇新的大门，使G3-PLC系统能够与电表直接通信。图4所示为G3-PLC能够支持的完备生态系统。预计家庭中的EVSE将具有独立、专用的断路器，提供与外部电源断路器的直接通路，避免相差的影响。

    部分电力公司在汽车厂商提出要求之前已经为G3-PLC系统增加了IPv6寻址。实际上，正如Stephen Shankland在ZDNet发表的文章《Time Running Out for IPv4》所述[2]，IPv4地址几乎已经耗尽，所以支持IPv6成为当务之急。G3-PLC方案采用6LowPAN压缩方案，确保支持真正的IPv6寻址。G3-PLC采用真正的IPv6组网后，PHY和MAC不确定能源管理的解决方案能够在网络上无缝切换。
最终方案
    汽车厂商在EV-EVSE通信方案的实施过程中面临着诸多挑战，Maxim的低频通信技术能够使这些问题迎刃而解。MAX2992电力线收发器G3-PLC系统是久经考验、在全球范围进行过多项测试和验证的可靠方案。MAX2992已经量产，满足汽车级要求，符合即将实施的EV-EVSE通信规范SAE J2931/3 PLC。器件也兼容于即将颁布的IEEE 1901.2规范。
参考文献
[1] RAZAZIAN K.G3-PLC provides an ideal communication platform for the smart gird[C/OL].ISPLC 2010.http://ewh.ieee.org/conf/isplc/2010/KeynoteAndPanelFiles/9-40-KAVEH.pdf.
[2] SHANKLAND S.Time running out for IPv4[EB/OL].[2011-1-28].www.zdnet.com.au/time-running-out-for-ipv4-339308822.htm.