CN102916464B - 一种交流充电装置与电动汽车通信的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交流充电装置与电动汽车通信的系统，交流充电装置和电动汽车均包括耦合在连接端子CP和PE之间的高速电力线载波通信模块，交流充电装置通过连接端子CC检测到充电电缆已经连接后，高速电力线载波通信模块A通过连接端子CP和PE发起与高速电力线载波通信模块B的通信链接，链接建立后，在连接端子CP和PE上建立基于IPV6的TCP连接，交流充电装置和所述电动汽车通过TCP连接根据需求进行协商制定出充电计划曲线，交流充电装置依据所述充电计划曲线通过连接端子L和N对电动汽车进行充电。本发明提供的一种交流充电装置与电动汽车通信的系统采用高速电力载波通信方式，通信速率高。

Description

一种交流充电装置与电动汽车通信的系统

技术领域

本发明涉及电动汽车充电领域，具体涉及一种交流充电装置与电动汽车通信的系统。

背景技术

电动汽车是未来汽车工业发展的方向，与电动汽车高速发展相配套的电动汽车交流/直流充电设施是电动汽车能源供给和应用推广的基础。

目前针对电动汽车与充电设施间通信接口的标准只有一项：《GB/T 27930-2011电动汽车非车载传导式交流充电装置与电池管理系统之间的通信协议》。此项标准采用了基于CAN接口的通信方式，只适用于直流充电的情况。在直流充电过程中能够采取CAN接口的方式是因为在该国家标准（GB/T 20234.3-2011）中明确定义了CAN接口的电缆线芯。

但是，在交流充电接口的标准中（GB/T 20234.2-2011）却未给出有关充电接口通信电缆线芯的定义。因此，在交流充电中如何实现电动汽车与充电设施之间的通信是一个未明确的问题。但是，为满足电动汽车充换电服务网络成熟后的推广应用，兼容充电设施的多种计费管理方式，及用户身份认证模式，必须建立电动汽车与交流充电装置之间的通信通道。

目前，常用的通信方法主要有以下几种：

（1）RS232通信：这种通信方法可以实现全双工通信，缺点是通信距离比较短，当交流充电装置与电动汽车距离比较远时，可能影响通信质量，并且通信速率较低，需要3根专用的屏蔽通信电缆。

（2）RS422通信：本方法可以实现长距离通信，并可以全双工通信。本方法的缺点是通信速率较低，需要4根专用的信号线。

（3）RS485通信：本方法可以实现长距离通信，但是通信速率较低，并且只能半双工通信，需要2根专用的屏蔽通信电缆。

（4）CAN总线通信：本方法可以最高实现500kbps的通信速率，信号传输采用差分方式，可以实现较长距离通信。本方法主要缺点是通信速率较低，需要2根专用的屏蔽通信电缆。

（5）以太网通信：本方法可以最高实现100Mbps的通信速率，可以实现较长距离通信。本方法主要缺点是电路较复杂，需要4根专用的屏蔽通信电缆。

（6）无线WIFI通信：本方法可以最高实现150Mbps的通信速率，无需在通信主体双方连接电缆。本方法主要缺点是通信的保密性差，需要增加额外的通信附件（通信天线等）。

以上通信方法应用在电动汽车与交流充电装置之间的通信中，均存在一定的局限性，其大多需要采用专用屏蔽通信电缆，无线方式也存在保密性不够等问题。随着电动汽车充电需求的不断增长，急需改进或提出新的通信方法。

家庭插电联盟（HomePlug Alliance）于2010年发布了一项HomePlug GreenPHY（以下简称HPGP）规范。其与现有的电力线宽带技术HomePlugAV规范和IEEE P1901标准类似，且与两者具有完全的互操作性。HPGP规范是为满足公用事业企业对智能电网应用的要求而专门开发的。公用事业企业对电力线通信（PLC）技术的要求除了显著的可靠性和覆盖范围之外，还要求更低的功耗和降低的成本。HPGP提供的峰值PHY速率为10Mbps，此速率为当前和将来的智能电网应用提供了足够的带宽。而且，HPGP提供了更低的技术复杂度和更低的功耗。

如图1所示为传统交流充电装置与电动汽车部分连接关系框图，由图1可知，交流充电装置包括供电接口和交流充电控制模块，电动汽车包括车辆接口、车载充电机、电池组及电池管理单元和车辆控制装置，交流供电装置和电动汽车通过供电接口和车辆接口连接，供电接口包括供电插座和供电插头，车辆接口包括车辆插头和车辆插座，供电插座、供电插头、车辆插头和车辆插座中均包含7个连接端子，分别是L、N，交流充电的功率端子；PE，保护接地端子；CC，电动汽车与交流充电装置连接确认信号；CP，控制确认控制线，其上有1KHz的PWM信号用于表示充电电流限值；NC1、NC2，备用触头。当将独立充电电缆的两端插头分别与电动汽车的车辆插座以及交流充电装置的电源插座连接以后，电动汽车与交流充电装置分别通过本侧的CC线检测到充电电缆已经连接，同时电动汽车通过Rc电阻可以确认充电电缆的额定载流量。交流充电装置在确认电缆连接后，合上S1开关输出PWM信号来表示其最大供电电流，该PWM信号的占空比为0%-96%，相对应于6A-80A。电动汽车检测到此PWM信号及自身没有故障时，合上S2开关向交流充电装置表示已准备好接收充电。交流充电装置检测到此状态后，即合上K1与K2输出交流电能对电动汽车进行充电。

现有通信方法的局限性，限制了电动汽车交流充电装置与车辆控制装置通信的整体性能，影响了电动汽车交流充电装置的产业化推广应用。随着电动汽车充电需求的不断增长，急需改进或提出新的通信方法。

发明内容

本发明针对现有交流充电装置与车辆控制装置通信存在的速率低，可靠性差，需要专用屏蔽通信电缆等缺点和不足，提供一种交流充电装置与电动汽车通信的系统，所述交流充电装置包括相互连接的供电接口和交流充电控制模块，所述电动汽车包括车辆接口、车载充电机、电池组及电池管理单元和车辆控制装置，所述供电接口包括供电插座和供电插头，所述车辆接口包括车辆插头和车辆插座，所述交流充电装置与电动汽车通过将充电电缆的两端插头分别与所述车辆插座和供电插座连接后进行连接，所述交流充电装置和电动汽车均包括耦合在所述连接端子CP和PE之间的高速电力线载波通信模块，所述高速电力线载波通信模块包括位于所述交流充电装置里的高速电力线载波通信模块A与位于所述电动汽车里的高速电力线载波通信模块B；

所述供电插座、供电插头、车辆插头和车辆插座中均包含7个连接端子：L、N、PE、CC、CP、NC1和NC2，L和N为交流充电的功率端子；PE为保护接地端子；CC为电动汽车与交流充电装置连接确认信号；CP为控制确认控制线；NC1和NC2为备用端子；

所述交流充电装置通过所述连接端子CC检测到所述充电电缆已经连接后，所述高速电力线载波通信模块A通过所述连接端子CP和PE发起与所述高速电力线载波通信模块B的通信链接，链接建立后，在所述连接端子CP和PE上建立基于IPV6的TCP连接，所述交流充电装置和所述电动汽车通过所述TCP连接根据需求进行协商制定出充电计划曲线，所述交流充电装置依据所述充电计划曲线通过所述连接端子L和N对所述电动汽车进行充电。

本发明提供的第一优选实施例中：所述高速电力线载波通信模块A发起与所述高速电力线载波通信模块B的通信链接的方法为：所述交流充电装置通过输出特定的PWM信号来表示需要进行所述高速电力线载波通信模块A和高速电力线载波通信模块B之间的连接；所述特定的PWM信号的占空比为5%，所述电动汽车检测到所述特定的PWM信号后启动所述高速电力线载波通信模块之间的链接。

本发明提供的第二优选实施例中：如果所述高速电力线载波通信模块A和高速电力线载波通信模块B之间的链接失败，所述交流充电装置检测到所述电动汽车已准备接收充电的状态后，以PWM信号所示的允许充电电流为限值通过所述连接端子L和N对所述电动汽车进行充电，所述PWM信号的占空比为10%-96%。

本发明提供的第三优选实施例中：所述交流充电装置和所述电动汽车通过所述TCP连接根据双方各自不同的需求进行协商，所述需求包括各时段的电价表、电源侧的负荷控制策略、电动汽车的充电功率需求和充电时间要求；

所述制定出的充电计划曲线经所述交流充电装置和所述电动汽车双方认可必须遵守。

本发明提供的第四优选实施例中：所述交流充电装置包括交流充电控制模块、高速电力线载波通信模块A和供电接口，所述交流充电控制模块通过高速电力线载波通信模块A与供电接口连接；

所述交流充电装置交流充电控制模块与所述高速电力线载波通信模块A通过以太网连接。

所述高速电力线载波通信模块A与所述车辆控制装置连接，获得所述电动汽车充电的控制参数，将所述控制参数经过算法分析，形成本次充电的电流控制曲线，并通过所述高速电力线载波通信模块A下发给所述电动汽车上的车辆控制装置，进行充电控制。

本发明提供的第五优选实施例中：所述电动汽车包括车车辆接口、车载充电机、高速电力线载波通信模块B、车辆控制装置和电池组及电池管理单元；

所述车辆控制装置通过CAN总线与所述电池组及电池管理单元通信，获得电池组及电池的状态，经过算法计算，得到控制所述交流充电装置的控制参数，所述车辆控制装置与所述高速电力线载波通信模块B通过以太网连接，将充电实时参数通过所述高速电力线载波通信模块B传递到所述交流充电装置，同时通过所述高速电力线载波通信模块B获得所述交流充电装置下发的电流控制曲线；

所述车辆控制装置通过CAN总线与所述车载充电机相连，根据所述电流控制曲线、车载充电机以及电池组及电池的状态，对所述车载充电机进行参数设置，控制所述车载充电输出电压和电流。

本发明提供的第六优选实施例中：所述高速电力线载波通信模块A和高速电力线载波通信模块B分别通过耦合电路A和耦合电路B进行耦合；

所述耦合电路采用变压器耦合方式，所述高速电力线载波通信模块的输入和输出分别通过输入带通滤波器和输出带通滤波器后通过信号耦合变压器进行耦合；

所述耦合后的通信信号分别通过耦合电容与CP和PE连接，所述CP和PE之间连接有保护信号电路的双向TVS管。

本发明提供的第七优选实施例中：CP和PE间的PWM信号电压最大为24V，所述TVS管选用额定电压为36V的双向TVS管；

所述耦合电容的电容值为53pF；

所述信号耦合变压器的型号为5024-X096；

所述输入带通滤波器和输出带通滤波器的通带为2MHz-28MHz。

本发明提供的第八优选实施例中：所述高速电力载波通信模块包括依次连接的模拟前端电路、电力猫芯片、物理层芯片和RJ45接口；

所述电力猫芯片配置了一片SDRAM作为程序运行和存放数据的空间；

所述耦合电路与所述模拟前端电路连接，所述RJ45接口与所述交流充电装置交流充电控制模块或车辆控制装置连接；

从耦合电路过来的信号经过所述模拟前端电路进行处理后与所述电力猫芯片接口，所述电力猫芯片通过所述RJ45接口采用以太网与所述车辆控制装置或交流充电装置交流充电控制模块连接。

本发明提供的第九优选实施例中：所述模拟前端电路采用INT1400芯片；

所述电力猫芯片采用INT6400芯片，所述INT6400芯片采用OFDM调制模式，支持1024/256/64/16/8-QAM，QPSK，BPSK和ROBO多种调制模式，通信速率达200Mbps，同时INT6400为ARM926EJ-S 32位RISC处理器，配置了一片SDRAM作为程序运行和存放数据的空间；

所述物理层芯片采用RTL8201芯片。

本发明提供的一种交流充电装置与电动汽车通信的系统的有益效果包括：

1．本发明提供的一种交流充电装置与电动汽车通信的系统，交流充电装置和电动汽车均包括高速电力线载波通信模块，采用高速电力载波通信方式，通信速率高。

2．可以将通信信号耦合到其他信号或电源线上传输，不需额外的通信电缆；

3．信号耦合电路采用TVS管保护，通过电容和变压器耦合载波信号，并配置了带通滤波器，保证了通信的可靠性、安全性。

附图说明

图1为传统交流充电装置与电动汽车部分连接关系框图；

图2为本发明提供的交流充电装置与电动汽车部分连接关系框图；

图3为本发明提供的交流充电装置原理框图；

图4为本发明提供的电动汽车的充电部分的原理框图；

图5为本发明提供的耦合电路的电路原理图；

图6为本发明提供的高速电力载波通信模块的内部原理框图及其与外部相连的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种交流充电装置与电动汽车通信的系统，交流充电装置与电动汽车部分连接关系框图如图2所示，由图2可知，交流充电装置和电动汽车均包括高速电力线载波通信模块，该高速电力线载波通信模块包括位于交流充电装置里的高速电力线载波通信模块A与位于电动汽车里的高速电力线载波通信模块B，交流充电装置与电动汽车连接涉及到5个端子，分别是L、N，交流充电的功率端子；PE为保护接地端子；CC是电动汽车与交流充电装置连接确认信号；CP为控制确认控制线，其上有1KHz的PWM信号用于表示充电电流限值。高速电力线载波通信模块耦合在CP与PE之间。当将独立充电电缆的两端插头分别与电动汽车的车辆插座以及交流充电装置的供电插座连接以后，电动汽车与交流充电装置分别通过本侧的CC线检测到充电电缆已经连接，同时电动汽车通过Rc电阻可以确认充电电缆的额定载流量。交流充电装置在确认电缆连接后，合上开关S1输出特定的PWM信号来表示需要进行高速电力线载波通信模块之间的连接，该特定的PWM信号的占空比为5%。电动汽车检测到此PWM信号后即启动载波通信模块间的链接，链接建立后，在其上建立基于IPv6的TCP连接。通过此连接，交流充电装置与电动汽车间可以就双方各自不同的需求进行协商，该双方各自不同的需求包括各时段的电价表、电源侧的负荷控制策略、电动汽车的充电功率需求、充电时间要求等，制定出一张双方认可的各自必须遵守的充电计划曲线后，交流充电装置即合上K1与K2输出交流电能对电动汽车进行充电。充电的全过程即依据此充电计划曲线来控制。

同时，如果高速电力线载波通信模块之间的链接失败时，可以依据图1中所示的方法按照常规方式继续充电，交流充电装置检测到电动汽车已准备接收充电的状态后，以PWM信号所示的充电电流限制通过所述连接端子L和N对电动汽车进行充电，该PWM信号的占空比为10%-96%。

如图3所示为本发明提供的交流充电装置原理框图，由图3可知，交流充电装置包括交流充电控制模块、高速电力线载波通信模块A和供电接口，交流充电控制模块通过高速电力线载波通信模块A与供电接口连接。其中交流充电控制模块与高速电力线载波通信模块A通过以太网连接，其主要功能是，通过高速电力线载波通信模块A与电动汽车车辆控制装置连接，获得电动汽车充电的控制参数，将控制参数经过专业的算法分析，形成本次充电的电流控制曲线，并通过高速电力线载波通信模块A下发给电动汽车上的车辆控制装置，据此进行充电控制。

如图4所示为本发明提供的电动汽车的充电部分的原理框图，由图4可知，电动汽车的充电部分包括车辆接口、车载充电机、高速电力线载波通信模块B、车辆控制装置和电池组及电池管理单元。车辆控制装置通过CAN总线与电池组及电池管理单元通信，获得电池组及电池的状态，经过专用的算法计算，得到控制交流充电装置的控制参数。车辆控制装置与高速电力线载波通信模块B通过以太网连接，将充电实时参数发送到高速电力线载波通信模块B，并经过高速电力线载波通信模块B传递到交流充电装置；同时通过高速电力线载波通信模块B获得交流充电装置下发的电流控制曲线。车辆控制装置通过CAN总线与车载充电机相连，根据电流控制曲线、车载充电机以及电池组及电池的状态，对车载充电机进行参数设置，控制其输出电压和电流。

高速电力线载波通信模块A和高速电力线载波通信模块B分别通过耦合电路A和耦合电路B进行耦合，耦合电路的电路原理图如图5所示，高速电力线载波通信模块的输入和输出分别通过Tx Band pass和Rx Band pass后通过信号耦合变压器T1或T2耦合到CP、PE上，CP和PE之间连接有TR1或TR2，TR1和TR2为保护信号电路的双向TVS管，由于CP和PE间的PWM信号电压最大为24V，因此该TVS管可以选用额定电压为36V的双向TVS管。耦合后的通信信号分别通过Cplc与CP和PE连接，Cplc为耦合电容，取53pf。信号耦合变压器T1和T2可以选用5024-X096等型号。Tx Band pass和Rx Band pass为输入输出信号滤波器，通带为2MHz-28MHz。

如图6所示为高速电力载波通信模块的内部原理框图及其与外部相连的结构示意图，由图6可知，该高速电力载波通信模块包括依次连接的模拟前端电路、电力猫芯片、物理层芯片和RJ45接口；电力猫芯片配置了一片SDRAM作为程序运行和存放数据的空间；耦合电路与模拟前端电路连接，RJ45接口与交流充电装置交流充电控制模块或车辆控制装置连接；

从耦合电路过来的信号经过模拟前端电路进行处理后与电力猫芯片接口，电力猫芯片通过RJ45接口采用以太网与述车辆控制装置或交流充电装置交流充电控制模块连接。

模拟前端电路采用INT1400芯片；电力猫芯片采用INT6400芯片，INT6400芯片采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）调制模式，支持1024/256/64/16/8-QAM，QPSK,BPSK和ROBO等多种调制模式通信速率可达200Mbps，同时INT6400为ARM926EJ-S 32位RISC处理器，配置了一片SDRAM作为程序运行和存放数据的空间；物理层芯片采用RTL8201。

以上虽然根据附图对本发明的实施例进行了详细说明，但不仅限于此具体实施方式，本领域的技术人员根据此具体技术方案进行的各种等同、变形处理，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流充电装置与电动汽车通信的系统，所述交流充电装置包括相互连接的供电接口和交流充电控制模块，所述电动汽车包括车辆接口、车载充电机、电池组及电池管理单元和车辆控制装置，所述供电接口包括供电插座和供电插头，所述车辆接口包括车辆插头和车辆插座，所述交流充电装置与电动汽车通过将充电电缆的两端插头分别与所述车辆插座和供电插座连接后进行连接，其特征在于，

所述交流充电装置和电动汽车均包括耦合在所述连接端子CP和PE之间的高速电力线载波通信模块，所述高速电力线载波通信模块包括位于所述交流充电装置里的高速电力线载波通信模块A与位于所述电动汽车里的高速电力线载波通信模块B；

所述供电插座、供电插头、车辆插头和车辆插座中均包含7个连接端子：L、N、PE、CC、CP、NC1和NC2，L和N为交流充电的功率端子；PE为保护接地端子；CC为电动汽车与交流充电装置连接确认信号；CP为控制确认控制线；NC1和NC2为备用端子；

所述交流充电装置通过所述连接端子CC检测到所述充电电缆已经连接后，所述高速电力线载波通信模块A通过所述连接端子CP和PE发起与所述高速电力线载波通信模块B的通信链接，链接建立后，在所述连接端子CP和PE上建立基于IPV6的TCP连接，所述交流充电装置和所述电动汽车通过所述TCP连接根据需求进行协商制定出充电计划曲线，所述交流充电装置依据所述充电计划曲线通过所述连接端子L和N对所述电动汽车进行充电；

所述高速电力线载波通信模块A发起与所述高速电力线载波通信模块B的通信链接的方法为：所述交流充电装置通过输出特定的PWM信号来表示需要进行所述高速电力线载波通信模块A和高速电力线载波通信模块B之间的连接；所述特定的PWM信号的占空比为5％，所述电动汽车检测到所述特定的PWM信号后启动所述高速电力线载波通信模块之间的链接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，如果所述高速电力线载波通信模块A和高速电力线载波通信模块B之间的链接失败，所述交流充电装置检测到所述电动汽车已准备接收充电的状态后，以PWM信号所示的允许充电电流为限值通过所述连接端子L和N对所述电动汽车进行充电，所述PWM信号的占空比为10％-96％。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交流充电装置和所述电动汽车通过所述TCP连接根据双方各自不同的需求进行协商，所述需求包括各时段的电价表、电源侧的负荷控制策略、电动汽车的充电功率需求和充电时间要求；

所述制定出的充电计划曲线经所述交流充电装置和所述电动汽车双方认可必须遵守。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交流充电装置包括交流充电控制模块、高速电力线载波通信模块A和供电接口，所述交流充电控制模块通过高速电力线载波通信模块A与供电接口连接；

所述交流充电控制模块与所述高速电力线载波通信模块A通过以太网连接；

所述高速电力线载波通信模块A与所述车辆控制装置连接，获得所述电动汽车充电的控制参数，将所述控制参数经过算法分析，形成本次充电的电流控制曲线，并通过所述高速电力线载波通信模块A下发给所述电动汽车上的车辆控制装置，进行充电控制。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电动汽车包括车车辆接口、车载充电机、高速电力线载波通信模块B、车辆控制装置和电池组及电池管理单元；

所述车辆控制装置通过CAN总线与所述电池组及电池管理单元通信，获得电池组及电池的状态，经过算法计算，得到控制所述交流充电装置的控制参数，所述车辆控制装置与所述高速电力线载波通信模块B通过以太网连接，将充电实时参数通过所述高速电力线载波通信模块B传递到所述交流充电装置，同时通过所述高速电力线载波通信模块B获得所述交流充电装置下发的电流控制曲线；

所述车辆控制装置通过CAN总线与所述车载充电机相连，根据所述电流控制曲线、车载充电机以及所述电池组及电池的状态，对所述车载充电机进行参数设置，控制所述车载充电输出电压和电流。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述高速电力线载波通信模块A和高速电力线载波通信模块B分别通过耦合电路A和耦合电路B进行耦合；

所述耦合电路采用变压器耦合方式，所述高速电力线载波通信模块的输入和输出分别通过输入带通滤波器和输出带通滤波器后通过信号耦合变压器进行耦合；

所述耦合后的通信信号分别通过耦合电容与CP和PE连接，所述CP和PE之间连接有保护信号电路的双向TVS管。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述CP和PE间的PWM信号电压最大为24V，所述TVS管选用额定电压为36V的双向TVS管；

所述耦合电容的电容值为53pF；

所述信号耦合变压器的型号为5024-X096；

所述输入带通滤波器和输出带通滤波器的通带为2MHz-28MHz。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高速电力载波通信模块包括依次连接的模拟前端电路、电力猫芯片、物理层芯片和RJ45接口；

所述电力猫芯片配置了一片SDRAM作为程序运行和存放数据的空间；

所述耦合电路与所述模拟前端电路连接，所述RJ45接口与所述交流充电装置交流充电控制模块或车辆控制装置连接；

从耦合电路过来的信号经过所述模拟前端电路进行处理后与所述电力猫芯片接口，所述电力猫芯片通过所述RJ45接口采用以太网与所述车辆控制装置或交流充电装置交流充电控制模块连接。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，

所述模拟前端电路采用INT1400芯片；

所述电力猫芯片采用INT6400芯片，所述INT6400芯片采用OFDM调制模式，支持1024/256/64/16/8-QAM，QPSK，BPSK和ROBO多种调制模式，通信速率达200Mbps，同时INT6400为ARM926EJ-S 32位RISC处理器，配置了一片SDRAM作为程序运行和存放数据的空间；

所述物理层芯片采用RTL8201芯片。