CN103038090B

CN103038090B - 在领示线上的通信

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Publication number: CN103038090B
Application number: CN201180037478.6A
Authority: CN
Inventors: B·瓦拉达拉雅; I·H·金; A·达巴克; E·穆林斯
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN103038090A; WO2012003309A3; JP2016129481A; JP6293174B2; US20120002714A1; JP5901629B2; JP2013531954A; WO2012003309A2; US8831077B2

Abstract

公开了用于在电动车辆服务设备（EVSE）（101）和电动车辆（EV）（102）之间的领示线（103）上进行通信的系统和方法。EVSE和EV在领示线（103）上交换脉冲宽度调制（PWM）信号，以控制EV（102）的充电操作。也可以在领示线（103）上诸如在发射调制解调器（104）和接收调制解调器（105）之间传输数据通信。调制解调器或者在不考虑PWM信号的状态的情况下连续地发射通信信号，或者只在PWM处于关闭状态时才发射通信信号。如果当PWM接通时发射，则调制解调器需要大的耦合阻抗和/或大的信号注入。为了只在PWM关闭时才发射，调制解调器可以在耦合电路中使用阻流二极管或者可以与PWM信号中的脉冲同步。

Description

在领示线上的通信

技术领域

本发明大体涉及电动车辆，更具体地，涉及耦合到电动车辆的领示线/导引线（pilot wire）上传送的通信。

背景技术

电动车辆，即通过一个或更多电动机推进的车辆，由大的可再充电电池提供动力。电动车辆受到可用电池技术的限制，可用电池技术限制绝大多数电动车辆的每次充电的续航。为了广泛运用和使用切实可行的电动车辆，需要普遍可用的再充电站，诸如在家中和在公共场所。

电动车辆供电设备（EVSE）包括充电器和电动车辆的充电站。EVSE调节电动车辆从充电站汲取的电量。电动车辆通过使用特定连接器，诸如SAE J1772-顺应连接器连接到EVSE的电缆上。连接器可以包括许多引脚（pin），这些引脚对应于电动车辆和EVSE之间的不同连接，诸如120V AC线、240V AC线、地线、领示线和其他连接。当电动车辆连接到EVSE时，领示线/辅助导线用来调节电动车辆可用的电力和/或由电动车辆汲取的电力。在EVSE和电动车辆之间的领示线上承载脉冲宽度调制（PWM）控制信号。PWM信号的占空比指示是否应该通过从例如120V AC线或者240V AC线汲取功率而对电动车辆再充电。

EVSE耦合到电力线网络，诸如用于家庭的配电网络，并且调节电动车辆从电力线网络汲取的电力。在一些电力线网络中使用电力线通信从而传输数据和通信信号。因为电动车辆经EVSE电缆耦合到电力线系统上，所以电力线通信可以在电动车辆和电力线网络的调制解调器之间发送。

发明内容

领示线系统耦合电动车辆服务设备（EVSE）和电动车辆（EV），并且在EVSE和EV之间具有承载脉冲宽度调制（PWM）信号的领示线。第一和第二调制解调器也耦合到领示线，并且经领示线交换通信信号。接口电路将第一调制解调器耦合到领示线。在一个实施例中，接口电路被配置为具有比领示线系统的有效阻抗更大的阻抗。

在另一个实施例中，在通信信号注入领示线上之前，接口电路中的线路驱动器电路放大通信信号。线路驱动器电路以与领示线系统的有效阻抗的变化成比例的量放大通信信号，其中有效阻抗变化是由于PWM信号从接通状态改变为关闭状态所引起的。领示线系统的有效阻抗可以对应于电动车辆服务设备阻抗、电动车辆阻抗和领示线电缆阻抗的组合。

通信信号可以是正交频分复用（OFDM）信号，其遵守PRIME（电力线相关的智能计量发展Powerline Related Intelligent MeteringEvolution）或G3标准。通信信号可以是频移键控（FSK）或者相移键控（PSK）信号，这取决于传输/发射方法。

在另一个实施例中，第一调制解调器耦合到领示线系统。领示线系统使用承载PWM信号的领示线来耦合EVSE和EV。第一调制解调器经领示线将通信信号发射到第二调制解调器。接口电路将第一调制解调器耦合到领示线。接口电路包括二极管，当PWM脉冲存在于领示线上时，二极管阻止第一调制解调器通信信号到达领示线。二极管包括耦合到第一调制解调器的阳极和耦合到领示线的阴极。当PWM信号关闭时，二极管将第一调制解调器通信信号传导到领示线。

在进一步的实施例中，第一调制解调器监控领示线上的PWM信号，以便识别PWM信号是接通还是关闭的。当PWM信号关闭时，第一调制解调器经领示线将通信信号发射到第二调制解调器。当PWM信号接通时，第一调制解调器停止发射通信信号。通信信号可以是OFDM信号，其具有与PWM信号的占空比一致的零前缀。

附图说明

参考随附的附图描述示例实施例，其中：

图1图示说明具有电动车辆供电设备部分、电动车辆部分和领示线部分的领示线通信模型；

图2图示说明通过电动车辆供电设备和发射调制解调器发射的信号；

图3图示说明包括耦合电路的发射调制解调器；

图4图示说明在接收调制解调器上接收的频域信号；

图5图示说明由PWM系统上的发射调制解调器发射的OFDM信号的模拟结果；

图6图示说明具有带有单向耦合电路的发射调制解调器的领示线通信模型；以及

图7图示说明根据本发明一个实施例的PWM感知发射（PWM-aware transmission）。

具体实施方式

本发明可以实现为许多不同的方式，并且本发明不应该理解为限制于这里阐述的示例实施例。

图1图示说明领示线通信模型100，其具有电动车辆供电设备（EVSE）部分101、电动车辆（EV）部分102以及将EVSE101连接到EV102的领示线部分103。使用领示线103上的脉冲宽度调制（PWM）信号，在EVSE101和EV102之间传递信息。从EVSE101传送到EV102的信息被包含在PWM信号的占空比和信号电平中。

另外，发射调制解调器104经领示线103与接收调制解调器105进行通信。为了保护占空比信息，发射调制解调器104和接收调制解调器105必须具有足够大的阻抗以防止PWM信号脉冲扩散，因而改变占空比。来自发射调制解调器的信号将被添加到PWM脉冲中，因而，可影响在EV102上观察到的明显的PWM信号电平。因此，发射调制解调器必须在PWM脉冲期间注入相对小的信号，从而保护由EVSE101发射的PWM电平。

图2图示说明由EVSE101和发射调制解调器104发射的信号。PWM信号201是由EVSE101产生的，并且经过领示线103发送到EV102。PWM信号201具有包括多个脉冲203的重复周期202，脉冲203具有脉冲宽度204。脉冲203的信号电平以及PWM信号201的占空比承载信息到EV 102。根据由EVSE 101和EV 102使用的标准，产生PWM信号201。脉冲203的脉冲宽度204和信号电平以及PWM信号201的占空比必须遵守该标准。由发射调制解调器104添加到领示线103的信号不应该影响PWM信号的特性，或者PWM信号可以不遵守有关的标准。

信号205是由发射调制解调器104产生的数据信号。在一个实施例中，信号205是正交频分复用（OFDM）信号，其符合PRIME（电力线相关的智能计量发展）或G3标准。在其他的实施例中，发射调制解调器104和接收调制解调器105可以通过使用不同的标准或者协议进行通信，诸如，符合国际电子技术委员会（IEC）61334-5-1标准的扩展频移键控（S-FSK），或者相移键控（PSK）。

为了在调制解调器104、105之间成功通信，发射调制解调器104应该注入具有足够大的信号电平的信号205，从而克服来自PWM信号201的干扰以及在领示线103上的噪声。在一个实施例中，领示线噪声在10MHz通道上大约500mV p-p（正峰值-负峰值之差）噪声，并且最大的发射调制解调器信号205为大约600mV p-p。

发射调制解调器104可以连续地或者在选择的时间段期间发射信号205。在一个实施例中，发射调制解调器104在不考虑PWM信号201的状态的情况下发射信号205。在另一个实施例中，发射调制解调器104仅在PWM信号201为关闭状态期间才发射信号205。信号206图示说明组合的信号电平206，其将在领示线103上由EV101检测到。如果发射调制解调器104一直发射，包括在PWM信号201接通时也在发射，那么会出现信号206。

如果发射调制解调器104在PWM脉冲203期间是接通的，则可能要求特定限制。具体地，可能需要发射调制解调器104和接收调制解调器105的耦合电路适于最小化或者避免调制解调器对领示线特性的影响。

图3图示说明包括耦合电路302的发射调制解调器301。在发射调制解调器301中产生的信号通过线路驱动器303和耦合电路302馈送到领示线304。PWM电路100（图1）到地面的有效阻抗是Z_eff=（C1||C_c||C2||R2）。Z_eff可以依赖于EVSE101的等效电容（C1+C_c）而显著地变化。在一些实施例中，EVSE电容（C1+C_c）值可以在300pF到3100pF范围变化。当发射时，发射调制解调器301具有阻抗Z_tx，其是由耦合电路302的电容C_tx决定的。对发射调制解调器104的特定限制可以被认为是为了提高持续调制解调器信号发射期间的系统性能。

为了确保在发射调制解调器104的持续操作期间PWM电路100的行为不会改变，耦合电路阻抗Z_tx必须比阻抗Z_eff大得多。在图3图示说明的示例中，如果C_tx大于约1nF，则PWM脉冲203上升时间增加，其增加了PWM脉冲203的脉冲宽度204并且减少了PWM信号的占空比。该结果是不可接受的，因为其可能改变至少部分由占空比表示的PWM信号上承载的信息。第一限制是要求耦合电路302具有比PWM阻抗Z_eff的最大值更大的阻抗Z_tx。

考虑调制解调器阻抗和PWM系统阻抗，接收的信号电平（S_rx）等于发射的信号电平（S_tx）乘以Z_eff/（Z_eff+Z_tx）≈S_tx×（Z_eff/Z_tx）。接收的S_rx信号几乎随Z_eff线性变化，其理论上变化10倍。假定通信要求的最小的信号电平被定义为V_min，则第二限制是需要输入信号S_tx达到10×V_min，从而补偿最差情况的信号变化。

图4图示说明在接收调制解调器105（图1）上接收的频域信号S_rx。总的接收信号S_rx等于由发射调制解调器104发射的信号S_tx401，加上由EVSE101发射的PWM信号402，加上噪声403。如图4所示，PWM信号402中的脉冲产生显著的带内频率分量。发射的信号S_tx401是700mVp-p，并且噪声信号403是在10MHz上500mV p-p。另外，在PWM脉冲203的每次转变期间，PWM402的带内分量引起大的带内脉冲噪声。在一个实施例中，带内信号与AWGN噪声比是大约13dB。如图4所示，PWM信号402覆盖发射调制解调器信号401中的一些，其将导致消除发射调制解调器信号中的一些。

图5图示说明在PWM系统上由发射调制解调器发射的OFDM信号的模拟结果。如图示说明，随着发射电压的增加，误帧率下降。另外，与配置502（15%的样本由PWM所消除）相比，配置501（10%的样本由PWM所消除）的误帧率较佳。误差的主要来源是发射调制解调器信号带内的PWM分量。在一个实施例中，通过检测PWM尖峰将何时发生并且将它们消除，可以防止这些误差。在一个实施例中，预期15%的消除，所以400mVp-p信号是实现图5的示例中大约1b/s/Hz或者约250kbps所必须的。

如上面说明的，在不考虑或者独立于PWM状态的情况下操作发射调制解调器时，系统性能在每次转变期间受到落入带内的PWM谐波的限制。在一个实施例中，通过检测PWM谐波并且消除在转变区域内的接收信号，处理PWM谐波。在15%的信号由于PWM尖峰被消除的情况下，发射调制解调器需要大约400mV p-p信号注入。

PWM系统的一个问题是调制解调器发射器耦合电路阻抗需要更大，从而确保PWM信号不会失真。在具有大的耦合电路阻抗的情况下，注入的实际信号电平取决于领示线或者充电电缆的电容。因此，为了实现400mV信号注入，可能需要发射调制解调器提供更大的信号电平。对于这个情况的一个可能的解决方案是使用接收器反馈来为调制解调器设置发射电平。另一个可能的解决方案是使用不同的耦合电路，其具有与大电容串联的大电阻（R_couple）。接收电平将取决于R2/R_couple。电阻或者发射电平可以根据接收器状态而调整。

PWM系统的另一个问题是其他的噪声源可能影响性能，特别是当EV充电器接通时，其将要求更高的信号注入电平。这个问题可能的解决方案包括在PWM为接通状态时不进行发射、注入更大的信号电平或者使用小的耦合电路阻抗。

鉴于上面讨论的问题，调制解调器的发射并不总是可行的。在另一个实施例中，发射调制解调器仅在PWM为关闭状态期间发射。在第一变体中，调制解调器发射器不感知PWM状态，而是相反依赖于阻止信号的耦合电路设计。在第二变体中，调制解调器发射器感知PWM状态，并且在PWM为接通状态期间不进行发射。具有这些变体中的任一个，发射调制解调器可以在PWM关闭状态期间注入足够的信号从而能够通信。因此，由于具有适当的调制解调器设计，在领示线上的通信是可行的。

图6图示说明领示线通信模型600，其具有带有单向耦合电路的发射调制解调器604。电动车辆供电设备（EVSE）601经领示线603与电动车辆（EV）602通信。通过在领示线603上使用PWM信号，在EVSE601和EV602之间传递信息。发射调制解调器604和接收调制解调器605也经由领示线603通过使用例如OFDM或者S-FSK信号进行通信。

发射调制解调器604经发射二极管D_tx耦合到领示线603上。当PWM信号接通时，二极管D_tx的顶端侧比底端侧具有更高的电压，因而，二极管D_tx将不导通。当二极管D_tx反向偏置时，PWM信号可见高阻抗。因而，PWM信号电平的占空比不受发射调制解调器604的影响。然而，在二极管D_tx处于不导通状态的情况下，来自调制解调器604的发射信号被阻止。当PWM信号关闭时，二极管D_tx将导通来自发射调制解调器604的信号。因为只有当PWM信号关闭时，才注入调制解调器发射信号，所以调制解调器发射信号可以是1-2V p-p，而不会使PWM信号失真。因此，采用该配置，高数据速率是可能的。

图7图示说明根据本发明一个实施例的PWM感知发射701。发射和接收调制解调器与PWM信号702同步。发射调制解调器检测到PWM脉冲703的结束，并且当PWM关闭时开始发射。接收调制解调器也检测到PWM脉冲703的结束，并且开始处理接收的信号。同步的接收调制解调器可以忽略在PWM接通状态期间接收的信号。

在一个实施例中，使用了1ms的OFDM符号周期。零前缀可以用于代替循环前缀，并且可以与PWM占空比一致。在图7中说明的发射计划避免了来自PWM信号的干扰。当PWM信号处于关闭状态时，白噪声是唯一误差源。另外，在PWM为接通状态期间，发射调制解调器可以使用具有小阻抗的耦合电路。

如上面所讨论，存在两个通用方法来形成在领示线上的通信。在第一个方法中，调制解调器连续地发射，而不考虑PWM的状态。在一个实施例中，在PWM为接通状态期间，发射调制解调器使用大的发射耦合电路阻抗，其导致在接收调制解调器上的信号电平随之发生的变化。为了实现可靠的通信，发射调制解调器可能需要大的信号注入电平或者用于适应的接收器反馈。基于目前的噪声假设，估计发射调制解调器要求大约为400mV p-p的发射信号。

在第二个方法中，调制解调器仅在PWM为关闭状态期间才发射。这可以通过至少两种方式实现，包括耦合电路阻流和发射器同步。在一个实施例中，同步的发射器比耦合电路阻流性能更好，但是要求更多的调制解调器处理以便鉴别PWM的接通状态。

本领域内技术人员应该理解，其他的实施例和变化在要求保护的发明的范围内是可能的；并且虽然为了简短或者简明，在具有所有或者仅一些这种特征或步骤的示例实施例中描述了特征或步骤，但是具有描述的特征或步骤中一个或更多个的不同组合的实施例也意在包含在本文中。

Claims

1.一种电路，其包括

耦合到领示线系统的第一调制解调器，所述领示线系统耦合电动车辆服务设备和电动车辆，并且具有承载脉冲宽度调制即PWM信号的领示线，所述第一调制解调器将通信信号经所述领示线传输到第二调制解调器中；

将所述第一调制解调器耦合到所述领示线的接口电路，所述接口电路具有比所述领示线系统的有效阻抗更大的阻抗；以及

在所述接口电路中的线路驱动器电路，在所述通信信号注入到所述领示线上之前，所述线路驱动器电路放大来自所述第一调制解调器的所述通信信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述线路驱动器电路以与所述领示线系统的所述有效阻抗的变化成比例的量放大所述通信信号。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述领示线系统的所述有效阻抗的变化是由PWM信号从接通状态变为关闭状态引起的。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述领示线系统的所述有效阻抗对应于电动车辆服务设备阻抗、电动车辆阻抗和领示线电缆阻抗的组合。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述通信信号是正交频分复用即OFDM信号。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述OFDM信号遵守PRIME即电力线相关的智能计量发展标准或者G3标准。

7.一种电路，其包括：

耦合到领示线系统的第一调制解调器，所述领示线系统耦合电动车辆服务设备和电动车辆，并且具有承载脉冲宽度调制即PWM信号的领示线，所述第一调制解调器将通信信号经所述领示线传输到第二调制解调器中；以及

将所述第一调制解调器耦合到所述领示线的接口电路，所述接口电路包括二极管，当PWM脉冲存在于所述领示线上时，所述二极管阻止所述第一调制解调器通信信号到达所述领示线。

8.根据权利要求7所述的电路，其中所述二极管包括阳极和阴极，所述阳极耦合到所述第一调制解调器，并且所述阴极耦合到所述领示线。

9.根据权利要求8所述的电路，其中当所述PWM信号关闭时，所述二极管将所述通信信号从所述第一调制解调器传导到所述领示线。

10.根据权利要求7所述的电路，其中所述通信信号是正交频分复用即OFDM信号。

11.根据权利要求10所述的电路，其中所述OFDM信号遵守PRIME即电力线相关的智能计量发展标准或者G3标准。

12.一种在领示线上的通信的方法，其包括：

将第一调制解调器耦合到领示线系统，所述领示线系统耦合电动车辆服务设备和电动车辆，并且具有承载脉冲宽度调制即PWM信号的领示线；

监控所述PWM信号从而识别所述PWM信号是接通还是关闭；

当所述PWM信号关闭时，将通信信号从所述第一调制解调器经所述领示线传输到第二调制解调器；

当所述PWM信号接通时，停止所述通信信号的传输。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述通信信号是正交频分复用即OFDM信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述OFDM信号包括与所述PWM信号的占空比一致的零前缀。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述OFDM信号遵守PRIME即电力线相关的智能计量发展标准或者G3标准。