插電式混合動力和電池電動汽車（PHEV，BEV）的健康市場可以顯著減少尾氣排放的環境負擔，同時不會犧牲個人交通工具提供的自由。歐盟立法者是改變清潔汽車的最熱心倡導者之一，一些歐洲國家已經表示有意在2040年前禁止用傳統內燃機銷售新車和貨車。

汽車制造商可以刺激通過使PHEV和BEV盡可能簡單易用而獲得市場認可。這包括使充電像為手機充電一樣簡單安全。標準化物理充電連接可能會有所幫助，盡管目前國際標準IEC 62196-2中規定了三種類型。其中包括SAE（美國汽車工程師協會）J1772插頭，該插頭在北美廣泛使用，并被定義為IEC 62196-2中的Type 1插頭。許多歐洲國家更喜歡IEC Type 2插頭（有或沒有某些國家/地區要求的IP防護罩），可以支持高達43.5 kW的充電功率，并且能夠與歐洲三相交流電源配合使用以實現快速充電這兩種類型的接口都包含安全功能，以確保只有在插入插頭時才能提供能量并確保安全，以便在插頭斷開時防止觸電在充電周期結束之前。

步驟1：使充電簡單安全

J1772規范和IEC 61851-1，這是EV充電電氣接口的全球標準，具體說明通過充電點（或電動車輛服務設備（EVSE））與車輛的車載充電器（OBC）電子設備之間的引導連接的基本電信號。這些相互作用確認連接并根據可用通風等標準協商功率輸送，以防止過熱等潛在危險。

通信基于1 kHz±12 V脈沖寬度調制（PWM）導頻信號。 EVSE產生12 V信號。當充電插頭正確接合時，EV會放置一個電阻負載，將電壓降至9 V.然后EVSE應用PWM并調整占空比以指示其自身的輸出電流額定值。這是車輛允許的最大充電電流。與此同時，EVSE關閉其輸出繼電器以允許開始充電。此時，EV對導頻信號線施加較低的電阻，將電壓降至6 V，作為充電正在進行的指示。圖1顯示了與各種EV充電狀態相關的信號電壓。狀態D，當電壓降至3 V時，表示有足夠的通風可以使用盡可能高的功率進行快速充電。

圖1 ：待充電的EV在導頻信號線上放置各種電阻負載以指示其狀態。

由于J1772接口未檢測到車輛何時充滿電，因此在拔下電纜時終止充電。發生這種情況時，導頻信號電壓返回到12V，EVSE關閉輸出以防止電流流過。

J1772接口參考設計

德州儀器公司已經制作了一個參考設計適用于符合J1772標準的EVSE，它利用MSP430F6736微控制器中的功能，便于控制和監控導頻信號線。這些包括用于產生所需占空比的PWM信號的高度精確的定時器模塊，以及用于讀取導頻線上的車輛響應的逐次逼近寄存器（SAR）模數轉換器（ADC）。由于EVSE的電流額定值主要取決于輸出繼電器，電纜和連接器等元件的額定值，因此通?？梢栽诠碳行迯驮撝?，以控制定時器電路。

為了在幾米的電纜上驅動導頻信號并通過連接時車輛施加的負載電阻，參考設計使用OPA171運算放大器，充分利用其寬電源電壓范圍±18 V，軌到 - 軌道輸出，475 mA輸出電流額定值。 MSP430微控制器通過分壓器監控OPA171的輸出，以檢測車輛施加的負載電阻。

參考設計實現了J1772充電接口的所有電氣功能，如圖2所示。這些包括用于從主AC線路生成±12 VDC和3.3 V邏輯電源的電源管理，以及用于管理兩級輸出繼電器的TPL7407L低側驅動器。該設計還利用了MSP430F6736的可中斷通用輸入/輸出（GPIO）引腳，通過LM7321放大器連接到電流互感器，以提供針對潛在危險接地故障的保護。使用這個可中斷引腳使系統能夠比通過ADC監視電流互感器輸出更快地響應。

此外，微控制器的Δ-Σ（ΔΣ）ADC用于集成功率計量，利用現有且經過驗證的單相住宅智能電表參考設計。

圖2：TI參考設計實現了J1772所需的所有功能符合條件的EV充電器。

步驟2：將電動汽車插入智能電網

根據J1772和IEC 61851-1等規范對充電接口進行標準化，使充電變得簡單安全，可以大大鼓勵更多地使用電動汽車。然而，隨著日常使用中此類車輛的數量增加，當電網插入充電時，電網上的負載也會增加。另一方面，如果智能地管理充電，PHEV/BEV可以支持有效的需求響應程序，該程序用于防止過度的峰值負載，并且還可以用作剩余可再生能源的存儲。圖3說明了車輛與充電點之間可能發生的談判類型，利用與電網管理系統的通信來確定能源容量和資費。

圖3：車輛，智能充電器和電網之間的復雜通信可確保在保持電網穩定性的同時及時完成充電。 2010年矢量大會戴姆勒股份公司Christoph Saalfeld的演講。

此外，智能充電管理使得額外的增值服務成為可能，例如應用基于云的機器學習算法來計算最節能的路線。下一個旅程并預測消費。這兩種功能都為業主帶來了價值，并幫助公用事業公司確保電網的穩定性和可用性?？梢蕴峁┑钠渌瞻▌討B計費，以便EV所有者可以在家中或其他位置（例如公共充電站，工作場所或朋友或家庭成員的財產）收費時正確收費。

要啟用這些類型的功能和服務，需要在車輛和EVSE之間進行更復雜的通信。 ISO/IEC 15118工作組制定了車輛到電網（V2G）通信規范，當車輛通過電纜充電時，利用電力線通信（PLC）標準。特別是，它選擇IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY（HPGP）寬帶PLC規范作為確保穩健通信和高數據速率的最佳協議。 HPGP在2 MHz和30 MHz之間的頻率下工作，使系統能夠將連接的導頻線上的有效數據與來自其他附近源的噪聲區分開來。

充電過程開始后，建立通信，允許車輛通信及其收費點，用于交換控制和配置數據，訪問權限，時間戳，資費信息，客戶ID和位置以及儀表讀數等信息。

端到端V2G通信

各種研究已經研究了適用于車輛和電網管理系統之間通信的標準。 EU PowerUp項目研究了使用IEC 62056 DLMS/COSEM的機會，利用協議的各個方面（如PUSH原語）將信息轉發到智能電網管理系統，如負載平衡控制器。通過添加EV特定擴展，DLMS/COSEM被發現是用于端到端V2G通信的合適協議。

另一種方法是使用IEC 61850協議，該協議設計用于支持變電站自動化系統之間的通信，以便管理可再生電力資源和消費者之間的能量流。已提出EV特定擴展以實現與ISO/IEC 15118 V2G接口的交互，并且Fraunhofer嵌入式系統和通信技術研究所（Fraunhofer ESK）已開發出使用ISO/IEC 15118和IEC 61850標準的參考系統 - 以及HPGP和IPv6 - 通過智能充電站進行V2G通信，能夠支持增值服務。圖4顯示了該參考設計如何提出ISO/IEC 15811和IEC 61850協議的組合來實現端到端V2G通信。

圖4：由智能車輛充電站管理的端到端V2G通信。

HomePlug PLC協議，包括HomePlug AV，HomePlug Green PHY源自HomePlug AV，旨在使芯片制造商能夠快速輕松地實現創建支持這些標準的IC，并準備用于各種智能家居產品。

STMicroelectronics的ST2100 STreamPlug是一個片上系統，集成了一個可配置的硬件引擎，能夠支持多個HomePlug AV或HPGP端口。該器件的架構旨在為單個芯片解決方案提供各種智能用例，如家庭自動化，安全性和EV充電。集成的ARM?9CPU可為主機智能充電應用和協議棧（如IEC 61850或DLMS/COSEM）提供足夠的處理能力，用于與智能電網管理系統進行通信。此外，它從一開始就被設計為智能互聯應用的高度集成芯片，它還包含一個硬件加密協處理器，支持AES，DES/3DES和IPSec等算法。內置的以太網端口和彩色LCD控制器使設備無需額外的外部設備即可支持大部分智能電動車充電功能。

幸運的是，廣泛的軟件可作為支持軟件開發套件的一部分（ SDK），包括具有核心調度程序，系統軟件和Linux內核的接口層。具有核心調度程序的接口層提供API以支持系統軟件，該軟件實現HPGP MAC和其他模塊。 Linux內核包含Linux設備驅動程序，用于控制ST2100接口和整個硬件平臺。

圖5：ST2100軟件架構。

圖5顯示了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并行運行，簡化了應用程序開發。例如，可以使用實時操作系統來托管對延遲敏感的功能，同時還可以從開源社區中的資源中受益，以促進Linux應用程序的開發。

結論

環境問題和反排放政府政策是推動插電式電動汽車顯著轉變并大幅減少對內燃機依賴的驅動因素。從用戶的角度來看，由于SAE J1772或IEC 61851-1等標準化接口，充電可以簡單安全。

充電智能是克服廣泛使用的挑戰所需的下一步插電式電動汽車可提供電網穩定性。合適的通信協議，如ISO/IEC 15118，HPGP和IEC 61850已經可用于支持端到端V2G通信，可以幫助管理需求和平衡能量流，同時通過提供車輛用戶提供額外的好處增值服務。