充电桩通信方式

lqq1407 · 发表于 2024-8-5 13:03:10

一、通信概论

通信，也有用通讯一词，有人认为信是偏重结果，而讯偏重过程与方式，不过似乎没有太大差别，在厘定概念上可以不去纠结。不论是通信还是通讯，都是用电、磁、光等各种信号把要表达的信息传递到目的地去。举个简单的例子，如果有两个学生，分别住在 1 号楼和 2 号楼，两人商量，如果看到白色衬衫，表示今天一起翘课。这里可以简化为，在特定场景下，白衬衫=一起翘课，它对应通信协议，此外还涉及几个动作：1.挂白衬衫 2.看到白衬衫 3.天的光线足够看到衬衫，分别对应通信理论的编码、解码、信道。当然，实际生活的通信，要比白衬衫的例子复杂得多，需要从可靠性、稳定性、经济性等角度考虑信道的选择，以及编码与解码的设备成本问题等等，比如我们可以选择4G 的物联通信网络，但是成本高，就可能放弃一些稳定性，去选择GPRS 的物联通信网络了。

除了上述协议、编码和通道的基本动作以外，在物联网通信中，有一个重要的问题就是给任何信息的出发点和目的地做个编号，也就是要表述清楚 WHO IS WHO，通过编号可以识别世界上任何一个出发点和目的地的设备，并通过相关机制，使信息依照一定的路径在这两者之间传送。这被称为“寻址”，“寻址”首先要解决如何分配地址，接着才是让信号通过特定规则找到目的地地址。

物联网通信中最重要的两个地址概念是IP地址与MAC地址，IP地址是指 Internet 协议使用的地址，而MAC地址是Ethernet协议使用的地址。Ethernet的每一个节点有全球唯一的48位地址，这个地址是由IEEE组织管理的，网卡制造商将MAC地址烧录到每一块网卡里，MAC地址就像身份证号码一样具有唯一性。MAC地址和IP地址的映射关系，被每台主机不断增加和更新着，就成了“地址映射表”，IP地址被比喻为门牌号。所以一个持有某 MAC1身份证的设备，可以今天在门牌号IP1入住，也可以明天在门牌号 IP2入住，同理MAC2身份证的设备也可以在IP1入住。

与IP地址相提并论的还有 URL（Uniform Resoure Locator）地址，意思是统一资源定位器，指的是Internet文件在网上的地址，URL使用数字和字母按一定顺序排列以确定一个地址，URL必须通过DNS服务器把它转换成门牌号（即IP地址），才能找到文件放在哪家网上的服务器上。

二、车桩通信

1.基于 GB/T 27930-2023 的车与直流桩的 CAN 通信

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939 协议。

目前中国和日本在直流快充中采用了 CAN 总线通信。在我国标准中，关于直流充电的总体流程有如下描述：物理连接完成-低压辅助上电-充电握手-参数配置-充电-结束前通讯-结束充电。

低压辅助上电之后，车与桩进入通信阶段，一直到结束。整个通信过程，车与桩相互之间传递的信息，我们称之为“报文”，以下是基于国标的报文定义摘要，其中C开头为充电桩发出的信息，B开头为车辆VCU、BMS发出的信息，通过这些定义，我们可以知道充电的过程，电动汽车与充电桩之间大概需要交流什么内容。

CHM 充电桩握手

BHM 车辆握手

CRM 充电桩辨识

BRM 车辆BMS 辨识

BCP 电池参数

CTS 充电时间同步

CML 充电桩最大输出能力

BRO 电池准备

CRO 充电桩准备

BCL 电池需求

BCS 电池充电状态

CCS 充电桩充电状态

BSM 电池状态信息

BMV 单体电池电压

BMT 电池温度

BSP 预留报文

BST 车辆 BMS 中止充电

CST 充电桩中止充电

BSD 车辆 BMS 统计数据

CSD 充电桩统计数据

BEM 车辆 BMS 错误报文

CEM 充电桩错误报文

2.交流桩中的控制导引电路与PWM

PWM，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉冲宽度（脉宽）调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。比如发射端给接收端一串脉冲，如果基础脉宽是100ms，那么当发射端的脉宽变大时，比如增大为150ms，那么接收端就控制做出动作A；当发射端的脉宽减小时，比如减小为50ms，那么接收端就控制做出动作B。

PWM 还有一个算法是占空比，它是指高电平在一个周期之内所占的时间比率，比如信号的周期为T，每周期高电平时间为t1，低电平时间为t2，T=t1+t2，则占空比D=t1/T。

GB/T 18487.1-2023 中提到，供电设备通过PWM（模式2和模式3）告知电动汽车允许最大可用电流值，该值不应超过供电设备额定电流、连接点额定电流和电网（电源）额定电流中的最小值。

3.PLC 载波通讯

电力载波通讯即PLC，是英文Power line Communication 的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。

从目前国内宽带网建设的情况来看，留给PLC 的时间和空间并不宽裕。2000 年以来各大运营商大规模推出ADSL、光纤、无线网络等多种宽带接入业务，电力线上网的生存空间，已经不断被其他接入方式压缩。

不过随着家庭智能系统的兴起，PLC 技术的发展迎来了新的机遇。在家庭智能系统中，以PC机为核心的家庭智能系统是最受人热捧的。该系统的观念就是，随着电脑的普及，可以将所有家用电器需要处理的数据都交给PC机来完成。这样就需要在家电与PC 机间构建一个数据传送网络，大家都看好无线，但是在家庭这个环境中，“墙多”这一特征严重影响着无线传输的质量，特别是在别墅和跃层式住宅中这一缺陷更加明显。如果架设专用有线网络除了增加成本以外，在以后的日常生活中要更改家电的位置也显得十分困难和繁琐，这就给无需重新架线的电力载波通讯带来了机遇。

PLC 技术也闯入了汽车领域，在电动汽车与充电桩之间，国内外采取的通信技术手段存在明显差异，国际上对 PLC 在电动汽车充电控制通信方面的研究较多，依据了两种PLC 技术标准：G3-PLC 和 HomePlug Green Phy。目前福特、奔驰、宝马等五大汽车厂商及高通公司等芯片制造商都支持 HomePlug Green Phy 标准，美信、TI 等芯片公司则支持 G3-PLC，而国内电动汽车则大多采用CAN 总线技术，可能与国内外电网载波信道水平差异有关。

IEC 起草的ISO/IEC15118 标准对电动汽车和电网之间的通信接口作了规定，标准认为PLC 技术是一种适用于此的通信技术，其中 ISO/IEC15118-1 对电动汽车通信控制单元与充电设备通信控制单元之间的通信流程做了规定，该标准推荐使用PLC 技术解决电动汽车与充电桩之间的通信问题，并在附录中给出了PLC 技术在此系统中的可能应用场景。后来在CCS 充电系统中，快充控制采用了HomePlug Green Phy（简称HPGP）的PLC 通信协议。

下图是 CHAdeMO 和 CCS 的对比

三、桩与平台通讯

由于通信方式主要有有线方式和无线方式，所以在桩与平台之间，也不例外：

（1）有线方式

有线方式主要有：有线以太网（RJ45 线、光纤）、工业串行总线（RS485、RS232、CAN 总线）。有线以太网主要优点是数据传输可靠、网络容量大，缺点是布线复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差。而工业串行总线（RS485、RS232、CAN 总线）优点是数据传输可靠、设计简单，缺点是布网复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差、通信容量低。

（2）无线方式

无线方式主要采用移动运营商的无线网络数据接入业务，如：GPRS/CDMA/TD-SCDMA/WCDMA/EVDO以及更新的4G/5G LTE 网络等。无线方式的优点是：成本低廉、建设工程周期短、适应性强、扩展性好、维护方便并且扩展容易。

多方案平台与桩通信示意图：

在上述方案中，利用 2G/3G/4G 无线数据传输技术，基于服务端应用宽带有线网络提供固定IP 或者动态 IP（可用域名绑定）以及端口号，将这些服务端参数设置在通信无线传输终端DTU 上，利用它能够自动解析域名地址，连接到服务端的充电桩管理平台，可以为充电桩管理系统提供实时的数据采集、传输、发布、远程管理与控制、实现远程无线数据传输的完美解决方案。

实际上，根据现场不同的需求，可以有也应该有不同的通信方案，比如服务器选在什么地方，是云服务器还是自建服务器？现场有没有布线的条件？如果采用无线，是直接单机发送还是有线集中后发送？除了现场监控外，有没有远程查看的需求？通过逐步拆分信息传递的过程，便可以更好地理解现场所需要的通信解决方案。

四、其他相关通信方式

1.RS232、RS422与RS485

RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232 在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422 由RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到1200米（速率低于 100kb/s 时），并允许在一条平衡总线上连接最多10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围，EIA 又于1983 年在 RS-422 基础上制定了RS-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A 标准。

2.无线射频通信的应用

(1)IC 卡（Integrated Circuit Card）

IC 卡全称是集成电路(Integrated Circuit)卡，它将集成电路芯片镶嵌于塑料基片上，利用集成电路的可存储特性，保存、读取和修改芯片上的信息。按照与外界数据传送的形式来分，IC卡有接触式和非接触式两种。接触式 IC 卡的芯片金属触点暴露在外，肉眼可以看见，通过芯片上的触点可与读写外设接触交换信息，目前使用的IC卡多属这种。非接触式IC 的芯片全部封于卡基内，无暴露部分，通过无线电波或电磁场的感应来交换信息，通常用于门禁、公交收费、地铁收费等需要“一晃而过”的场合。

按照卡内集成电路的不同，IC 卡可分为存储器卡、逻辑加密卡和CPU 卡（智能卡）。存储器卡适合于仅以IC卡作为数据的转存介质或有软件加密而不担心被篡改的系统，价格较低；逻辑加密卡通过设置卡上的密码区域来控制卡的读写，价格适中，目前应用数量最大；CPU卡的集成电路中带有微处理器，自身就可以进行数据计算和信息处理，同时能够利用随机数和密钥进行卡与设备的相互验证，安全性高，虽然价格也稍高一些，但应用前景看好。目前中国人民银行规划的金融卡，国家质量技术监督局规划的组织机构代码证卡，以及劳动和社会保障部规划的社会保障卡采用的都是接触式 CPU 卡。

与接触式IC卡比较，非接触式IC卡具有以下优点：

.可靠性高：它与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，如接触不良、粗暴插卡、芯片脱落、被击穿、弯曲损坏等。

.操作方便、迅速：由于非接触通讯，读写器在10CM 范围内可以对卡片操作，且使用时没有方向性，非常方便用户的使用且能提高效率。

.防冲突：非接触卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此可以“同时”对多张卡进行并行处理，提高系统工作速度。

.可以适合于多种应用：该卡的存储结构特点使它一卡多用，通过密码和访问条件的设定，能应用于不同的系统。

.加密性能好：非接触式IC卡的序列号是唯一的，由制造厂家固化而不可更改。卡中各扇区都有自己的操作密码和访问条件，卡与读写器之间采用双向验证机制，而且通讯过程中所有数据都加密。所以它很适合应用于电子钱包、公路自动收费系统和公交自动售票系统等。

3.电子标签 RFID

RFID 是Radio Frequency Identification 的缩写，即无线射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。一套完整RFID 系统由 Reader 与Transponder 两部分组成，其动作原理为由 Reader 发射一特定频率之无线电波能量给Transponder，用以驱动 Transponder 电路将内部之ID Code 送出，此时 Reader 便接收此IDCode。Transponder 的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡，故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。RFID 技术应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。RFID 标签有两种：有源 RFID 标签和无源 RFID 标签。

RFID 技术的应用

.在零售业中，条形码技术的运用使得数以万计的商品种类、价格、产地、批次、货架、库存、销售等各环节被管理得井然有序；

.采用车辆自动识别技术，使得路桥、停车场等收费场所避免了车辆排队通关现象，减少了时间浪费，从而极大地提高了交通运输效率及交通运输设施的通行能力；

.在自动化的生产流水线上，整个产品生产流程的各个环节均被置于严密的监控和管理之下；

.在粉尘、污染、寒冷、炎热等恶劣环境中，远距离射频识别技术的运用改善了卡车司机必须下车办理手续的不便；

.在公交车的运行管理中，自动识别系统准确地记录着车辆在沿线各站点的到发站时刻，为车辆调度及全程运行管理提供实时可靠的信息。

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