深入浅出地探讨CCS充电标准的基本原理

2024-01-11

导 言

随着电动汽车的普及,充电技术成为推动电动交通发展的核心要素之一。其中,CCS(Combined Charging System)充电标准作为一种全球性的充电标准,被广泛应用于欧美市场电动汽车的快速充电系统。随着中国企业逐步进军欧美市场,CCS充电标准也逐渐受到更多工程师的关注。

本文将深入浅出地探讨CCS充电标准的基本原理、特点以及相关一致性测试标准。

温馨提示,文末有惊喜

CCS充电标准的发展历程和接口设计:

 

CCS充电标准的历史可以追溯到2011年。当时,欧洲、北美和亚洲的电动汽车市场出现了不同的充电标准,这给全球范围内的电动汽车发展带来了互操作性和充电便利性的问题。为解决这一问题,欧洲汽车制造商协会(ACEA)提出了CCS 充电标准提案,旨在将交流和直流充电整合为一个统一的系统。连接器物理接口上设计为集成了交流和直流接口的组合式插座,能够兼容3种充电模式:单相交流充电、三相交流充电以及直流充电。可以为电动汽车提供更灵活的充电选择。CCS Combo 1.0标准于2012年正式发布。

在2014年,CCS Combo 2.0发布,版本是对之前版本的重要升级,进一步提高了充电功率,支持更快速的直流充电。这一版本的CCS标准也在欧州和北美市场得到广泛采用。此后CCS标准又于2017和2020年进行了两次迭代(CCS Combo 2.0.1和CCS Combo 2.0.2),进一步提高了充电功率以及提升了安全性。

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图 1: CCS1和CCS2接口示意

因为历史原因,CCS包含了两种物理插头设计。上图中左边是CCS Type 2插头(简称CCS2),主要用于欧洲市场。而右边为CCS Type 1(简称CCS1),主要用于北美市场,包括美国和加拿大。CCS中的第一个字母C是Combined的首字母。之所以称之为“联合”,是因为充电端口集成了交流部分(上半部分)和直流部分(下半部分)。在交流充电时仅使用上半部分接口,在直流充电进程中使用下部的直流接口用于能量传输,上部插头的部分针脚用于通信。值得一提的是,区别于国标直流充电使用的CAN通讯,在CCS交直流充电中电动汽车(EV)和充电桩(EVSE)之间的通信均是通过 Control Pilot(CP)接口来实现的。于充电控制相关的引脚为:

CP – Control Pilot:

传输 PWM 信号用于交流充电控制及基于电力线通讯(PLC)的调制信号用于在交流或直流充电中建立高级别通讯。

PP – Proximity Pilot:

此针脚和PE间具有一个预置的电阻,通过此针脚让EV识别到充电枪头已经连接并且识别线缆的最高载流能力。

PE – Protective Earth:

用于EV接地保护,同时也作为CP和PP的参考地。

CCS涉及的国际标准:

 

与充电相关的标准庞大而复杂,受篇幅所限,本文将对CCS交流与直流充电紧密相关的几个标准进行简单阐述。

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图 2:CCS涉及的国际标准

IEC 61851-1

IEC 61851系列标准是由IEC组织制定的国际上最早的充电系统标准,可以称之为充电标准的基石。其无论是对其他国家充电系统标准的制定或是后续充电标准例如DIN70121或ISO15118的制订都具有重要的参考意义。

其中IEC61851-1规定了充电系统的通用要求尤其是包含了交流充电的规范。包括我国的交流充电标准GB/T18487.1-2015也借鉴了相同的控制导引方式。

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图 3:IEC 61851-1中定义的交流充电控制导引方式

交流充电控制导引简单来说是通过充电枪头的连接以及控制车端S2开关的开合实现CP线路上检测点电压的变化,从而实现车和桩对于充电状态的识别和切换。此外,充电桩通过产生不同占空比的PWM信号告知车辆能够提供的最大电流。

由于交流充电过程中实际充电策略由车载充电机OBC实现。因此仅仅通过检测点电压和占空比变化便可以满足车和桩信息交互的要求。到了直流充电,由于车和桩的信息交互需求明显增加,简单的模拟量信号已经无法满足需求了。因此IEC 61851-1在模式四中定义了通过CP线实现高级别通信(HLC)以传输IEC 61851-23中定义的直流充电协议。

CCS的高级别数字通信采用了基于HomePlug GreenPHY作为数据链路层协议的电力线通讯(Power Line Communication,简称PLC)。简单来说就是通过安装在充电桩或车辆CP信号电路上的调制解调器将OFDM调制的高频信号耦合在CP信号线上,并由另一端的调制解调器进行解调。从而在不增加额外通讯引脚的情况下实现高达10 Mbit/s的通讯速率,为直流充电信息交互以及高级功能例如即插即充甚至车网互动提供高带宽的信息交互通道。

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图 4:CCS的高级别通讯(HLC)实现原理示意

如上文所述,引入PLC通讯可以在保持CCS交流部分物理接口不变的情况下实现高级别通信,可以在保持兼容性的基础上将交流和直流电气接口高度集成。但是带来的缺点也同样明显:首先CP导引电路中必须增加调制解调电路,HomePlug GreenPHY的芯片价格昂贵,间接增加了CCS的应用成本;此外,因为PLC通信基于高频信号,因此对于传输媒介也就是充电线缆的质量提出了较高要求。在我们日常协助客户测试中偶尔遇到因为线缆或接插端子问题导致信号衰减过大从而无法建立充电握手的情况。

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图 5:通过Keysight CDS测试系统测量的正常PLC信号增益(左)与异常增益(右)

DIN SPEC 70121

DIN 70121标准是由德国标准化学会与2012年发布的用于电动车与直流充电桩之间数字通信的规范性标准。早在2011年,宝马集团就已经发布了纯电概念车i3和i8并宣布在2013年上市。但此时ISO/IEC 15118标准还在起草制定中,德国汽车行业迫切需要一份标准来规范市场并推出产品。因此,DIN 70121 带着振兴德国汽车电气化转型的使命诞生。它基于IEC 61851-23 和 ISO 15118 早期未发布的版本,定义了直流充电过程中的数字通讯规范。通俗的说,DIN 70121标准规定了采用CP信号线作为传输媒介、PLC作为数据链路、使用MAC和TCP/IP作为网络传输层的通讯模式以及规范了高级别通讯的握手、交互流程以及报文内容,从而解决了当时直流充电行业没有标准的燃眉之急。

在2014年,德国标准化学会又发布了DIN 70121:2014 Ed.2,修正了部分问题。2018年又正式发布了针对DIN 70121的一致性测试规范DIN 70122:2018。至此,CCS充电有了一整套相对完整的标准及一致性测试体系。

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图 6:DIN 70121 及 DIN 70122在OSI七层模型中的覆盖范围

由于发布时间紧迫,DIN 70121在实际运用当中发现了很多缺陷或无法实施的问题。这里就不得不提到一个在欧洲充电行业非常活跃的组织—- 电动汽车充电接口倡议组织(CharIN e.V.)。这个组织在2015年由欧洲的几家头部汽车公司发起,目前已经有164位核心成员以及139位会员。CharIN组织旨在联合行业共同完善CCS充电标准,其中最有代表性的就是每年的测试会(CharIN Testival):他们通过测试会组织行业内车企和桩企进行互操作性测试并将测试中遇到的问题收集起来,而后发布了针对DIN 70121和DIN 70122中问题的应用指南(CharIN Implementation Guide for DIN 70121:2014)和一致性测试例(CharIN Test Cases for DIN 70121:2014 Implementation Guide)。这两份指导文件作为对DIN标准的补充和修正,也会在今后的DIN版本中得到采纳。目前,随着CharIN组织的不断壮大,他们已经不局限于CCS标准而放眼全球充电标准了。

CharIN组织还定义了CCS充电标准的三个阶段,而DIN 70121就属于Basic阶段。

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图 7:CCS发展的三个阶段

ISO 15118

了解了上文所述的背景后不难理解,DIN SPEC 70121 就是作为临时解决方案而发布的。而于2014年首次发布的 ISO 15118 才是原规划中CCS充电的规范性标准。ISO 15118由于其全面性和复杂性而分成了三个部分:

15118-1 规定了充电系统的通用要求,15118系列标准的纲领性文件

15118-2规定了交流和直流充电中网络和应用协议要求(OSI模型中3~7层)

15118-3定义了物理和数据链路层要求(OSI 模型中1~2层)

同时标准组也在2018年发布了一致性测试标准,分别为ISO 15118-4 和 ISO 15118-5。

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图 8:ISO 15118标准中各部分的覆盖范围

作为一套相对完善的充电协议标准,相对于DIN 70121仅支持直流充电而言,ISO 15118增加了交流充电的支持。此外,ISO 15118 引入了两种充电用户身份识别方法:外部识别模式 (EIM) 和即插即充 (PnC) 模式。EIM模式下用户需要在充电过程开始之前通过传统刷卡或扫码等方式完成鉴权;在 PnC 模式下,识别和计费信息都通过 高级别通信在 EV 和 EVSE 之间自动交换,不需要用户手动执行。此外ISO 15118 还提出了智能充电的概念,允许车辆根据电网容量和能源成本来智能安排充电时间。为了保证即插即充(PnC)等功能的安全性,ISO 15118增加了传输层安全 (TLS) 加密通信、数字证书和基于 XML 的数字签名的要求以强化通讯安全性。从下图可以看到,ISO标准对CCS充电高级别通信的协议栈有了清晰且明确的定义。且无论交流充电也可以建立高级别通讯以实现PnC或增值功能。

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图 9:ISO 15118的协议栈

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图 10:V2G报文包含交流和直流充电交互内容

由于协议的成熟性,目前在欧美市场上仍然拥有大量支持DIN 70121的车和充电桩。但可以预见,随着ISO 15118标准的逐步完善和广泛实施,DIN 70121将会逐步退出历史舞台。

ISO 15118-20

随着新能源产业的崛起,对于智能充电(Smart Charging)、车网互动(V2G)以及无线充电的需求也逐步显现出来。针对这些需求,ISO工作组在2022年4月正式推出了ISO 15118-20标准。它在网络协议和应用协议上做出了诸多创新,包括能量传输模式、物理层和信息安全。至此,CCS充电标准来到了第三阶段。

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图 11:ISO 15118-20标准及一致性测试标准划分

ISO 15118-20的核心在于增加了以下三大功能:

Automated Connection Device (ACD):自动连接装置,主要用于商用车到站后自动充电补能

Wireless Power Transfer (WPT):无线充电功能,包括了电能以及控制导引信号的无线传输

Bidirectional Power Transfer(BPT):双向功率传输,也就是V2G。在支持充电的基础上,还可以根据电网负荷选择放电并逆变回馈电网,以达到削峰填谷的作用。

此外,在以下方面也有修改和提升:

鉴权过程在service discovery之前进行并且优化了服务处理流程

在暂停模式的基础上又增加了待机模式(standby mode)

引入了模块化XML结构

整合TLS1.2至1.3版本,加入了白名单和黑名单

支持多个合同证书

可选支持TPM功能等

同时,为了配合无线充电功能,ISO 15118-8定义了基于WLAN的无线数字通讯方式作为高级别通讯的媒介。

如图11所示,在一致性测试标准方面,因为ISO 15118-20中定义了较多新功能,而这些功能不一定会完整应用到新产品中。例如一个支持ISO 15118-20的直流充电桩只开发了BPT但并没有ACD或WPT功能。为了应对这种情况,减少研发和测试工程师对于一致性测试例区分上的困扰,标准组决定将一致性测试划分为通用一致性测试例(ISO15118-21)和以功能区分的特定测试例(ISO 15118-22 ~ ISO 15118-25)。也就是说,对于上述举例的直流充电桩,测试工程师只需要跑完ISO 15118-21通用测试例以及针对直流的ISO 15118-23测试例就可以了。

CCS充电标准展望:

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图 12:CCS充电高级别通信相关标准发布状态

这里我们整理了与CCS相关数字通信标准的发布时间线,可以相对直观地看出标准的对应及迭代关系。从上图可以看到从标准发布到一致性测试标准的推出还会经历一段时间的空窗期。针对ISO 15118-20的一致性测试标准已经在2022年2月启动了起草工作,是德科技也参与其中。不久的将来在一致性测试标准正式发布时是德科技也将及时跟进提供相应的一致性测试方案。

介绍了这么多,从上文也可以看出CCS基于IPv6的通讯模式确实具有极大的灵活性和可扩展性。尤其是在数据安全层面有了TLS的支持下可以安全地实现即插即充功能。且TCP/IP协议栈较为成熟,开发人员甚至可以基于现有成熟方案对从网络层到应用层进行开发及验证。后期在实现无线充电功能时也只需要修改物理层和数据链路层即可。

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图 13:分布式能源概念(引用)

正如前文所述,BPT(V2G)将是今后欧美充电市场的发展重点。因为欧美能源结构的特点,分布式能源(DER)已经成为了被广泛接受和认可的发展方向。EV的电池作为一个天生优质的储能媒介,一定需要参与到智能电网的调控之中。现有新标准的发布在技术上仅仅扫除了从车到充电桩端的障碍,但是从桩到运营平台再到电力分销商仍然面临诸多标准不一致的问题。

另外由于CCS的通讯特点,基于现有技术不仅能实现直流的功率双向传输,也可以实现交流V2G。因此,与交流并网相关的一致性测试也有可能成为未来新能源车研发人员的一个关注方向。

 

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