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采用J1772接口的插电式电动汽车可提供电网稳定性

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-14 13:48:28 | 95 次阅读

插电式混合动力和电池电动汽车(PHEV,BEV)的健康市场可以显着减少尾气排放的环境负担,同时不会牺牲个人交通工具提供的自由。欧盟立法者是改变清洁汽车的最热心倡导者之一,一些欧洲国家已经表示有意在2040年前禁止用传统内燃机销售新车和货车。

汽车制造商可以刺激通过使PHEV和BEV尽可能简单易用而获得市场认可。这包括使充电像为手机充电一样简单安全。标准化物理充电连接可能会有所帮助,尽管目前国际标准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,该插头在北美广泛使用,并被定义为IEC 62196-2中的Type 1插头。许多欧洲国家更喜欢IEC Type 2插头(有或没有某些国家/地区要求的IP防护罩),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配合使用以实现快速充电这两种类型的接口都包含安全功能,以确保只有在插入插头时才能提供能量并确保安全,以便在插头断开时防止触电在充电周期结束之前。

步骤1:使充电简单安全

J1772规范和IEC 61851-1,这是EV充电电气接口的全球标准,具体说明通过充电点(或电动车辆服务设备(EVSE))与车辆的车载充电器(OBC)电子设备之间的引导连接的基本电信号。这些相互作用确认连接并根据可用通风等标准协商功率输送,以防止过热等潜在危险。

通信基于1 kHz±12 V脉冲宽度调制(PWM)导频信号。 EVSE产生12 V信号。当充电插头正确接合时,EV会放置一个电阻负载,将电压降至9 V.然后EVSE应用PWM并调整占空比以指示其自身的输出电流额定值。这是车辆允许的最大充电电流。与此同时,EVSE关闭其输出继电器以允许开始充电。此时,EV对导频信号线施加较低的电阻,将电压降至6 V,作为充电正在进行的指示。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,表示有足够的通风可以使用尽可能高的功率进行快速充电。

采用J1772接口的插电式电动汽车可提供电网稳定性

图1 :待充电的EV在导频信号线上放置各种电阻负载以指示其状态。

由于J1772接口未检测到车辆何时充满电,因此在拔下电缆时终止充电。发生这种情况时,导频信号电压返回到12V,EVSE关闭输出以防止电流流过。

J1772接口参考设计

德州仪器公司已经制作了一个参考设计适用于符合J1772标准的EVSE,它利用MSP430F6736微控制器中的功能,便于控制和监控导频信号线。这些包括用于产生所需占空比的PWM信号的高度精确的定时器模块,以及用于读取导频线上的车辆响应的逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器ADC)。由于EVSE的电流额定值主要取决于输出继电器,电缆和连接器等元件的额定值,因此通常可以在固件中修复该值,以控制定时器电路

为了在几米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,充分利用其宽电源电压范围±18 V,轨到 - 轨道输出,475 mA输出电流额定值。 MSP430微控制器通过分压器监控OPA171的输出,以检测车辆施加的负载电阻。

参考设计实现了J1772充电接口的所有电气功能,如图2所示。这些包括用于从主AC线路生成±12 VDC和3.3 V逻辑电源的电源管理,以及用于管理两级输出继电器的TPL7407L低侧驱动器。该设计还利用了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,以提供针对潜在危险接地故障的保护。使用这个可中断引脚使系统能够比通过ADC监视电流互感器输出更快地响应。

此外,微控制器的Δ-Σ(ΔΣ)ADC用于集成功率计量,利用现有且经过验证的单相住宅智能电表参考设计。

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图2:TI参考设计实现了J1772所需的所有功能符合条件的EV充电器。

步骤2:将电动汽车插入智能电网

根据J1772和IEC 61851-1等规范对充电接口进行标准化,使充电变得简单安全,可以大大鼓励更多地使用电动汽车。然而,随着日常使用中此类车辆的数量增加,当电网插入充电时,电网上的负载也会增加。另一方面,如果智能地管理充电,PHEV/BEV可以支持有效的需求响应程序,该程序用于防止过度的峰值负载,并且还可以用作剩余可再生能源的存储。图3说明了车辆与充电点之间可能发生的谈判类型,利用与电网管理系统的通信来确定能源容量和资费。

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图3:车辆,智能充电器和电网之间的复杂通信可确保在保持电网稳定性的同时及时完成充电。 2010年矢量大会戴姆勒股份公司Christoph Saalfeld的演讲。

此外,智能充电管理使得额外的增值服务成为可能,例如应用基于云的机器学习算法来计算最节能的路线。下一个旅程并预测消费。这两种功能都为业主带来了价值,并帮助公用事业公司确保电网的稳定性和可用性。可以提供的其他服务包括动态计费,以便EV所有者可以在家中或其他位置(例如公共充电站,工作场所或朋友或家庭成员的财产)收费时正确收费。

要启用这些类型的功能和服务,需要在车辆和EVSE之间进行更复杂的通信。 ISO/IEC 15118工作组制定了车辆到电网(V2G)通信规范,当车辆通过电缆充电时,利用电力线通信(PLC)标准。特别是,它选择IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY(HPGP)宽带PLC规范作为确保稳健通信和高数据速率的最佳协议。 HPGP在2 MHz和30 MHz之间的频率下工作,使系统能够将连接的导频线上的有效数据与来自其他附近源的噪声区分开来。

充电过程开始后,建立通信,允许车辆通信及其收费点,用于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项目研究了使用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。通过添加EV特定扩展,DLMS/COSEM被发现是用于端到端V2G通信的合适协议。

另一种方法是使用IEC 61850协议,该协议设计用于支持变电站自动化系统之间的通信,以便管理可再生电力资源和消费者之间的能量流。已提出EV特定扩展以实现与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)已开发出使用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显示了该参考设计如何提出ISO/IEC 15811和IEC 61850协议的组合来实现端到端V2G通信。

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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 AV,HomePlug Green PHY源自HomePlug AV,旨在使芯片制造商能够快速轻松地实现创建支持这些标准的IC,并准备用于各种智能家居产品。

STMicroelectronics的ST2100 STreamPlug是一个片上系统,集成了一个可配置的硬件引擎,能够支持多个HomePlug AV或HPGP端口。该器件的架构旨在为单个芯片解决方案提供各种智能用例,如家庭自动化,安全性和EV充电。集成的ARM®9CPU可为主机智能充电应用和协议栈(如IEC 61850或DLMS/COSEM)提供足够的处理能力,用于与智能电网管理系统进行通信。此外,它从一开始就被设计为智能互联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。内置的以太网端口和彩色LCD控制器使设备无需额外的外部设备即可支持大部分智能电动车充电功能。

幸运的是,广泛的软件可作为支持软件开发套件的一部分( SDK),包括具有核心调度程序,系统软件和Linux内核的接口层。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和其他模块。 Linux内核包含Linux设备驱动程序,用于控制ST2100接口和整个硬件平台。

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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处理器上并行运行,简化了应用程序开发。例如,可以使用实时操作系统来托管对延迟敏感的功能,同时还可以从开源社区中的资源中受益,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推动插电式电动汽车显着转变并大幅减少对内燃机依赖的驱动因素。从用户的角度来看,由于SAE J1772或IEC 61851-1等标准化接口,充电可以简单安全。

充电智能是克服广泛使用的挑战所需的下一步插电式电动汽车可提供电网稳定性。合适的通信协议,如ISO/IEC 15118,HPGP和IEC 61850已经可用于支持端到端V2G通信,可以帮助管理需求和平衡能量流,同时通过提供车辆用户提供额外的好处增值服务。

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