将EVs引入智能电网，实现稳定性和安全性

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我是靠谱客的博主缥缈狗，最近开发中收集的这篇文章主要介绍将EVs引入智能电网，实现稳定性和安全性，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

　　插入式混合动力汽车和电池电动汽车(phev, bev)的健康市场可以显著减少尾气排放的环境负担，而不牺牲个人运输所提供的自由。欧盟的立法委员们是最热心的倡导者之一，他们主张对更清洁的汽车进行改革，一些欧洲国家已经表示有意在2040年之前禁止销售新型的汽车和货车。

　　汽车制造商可以通过使PHEVs和bev尽可能容易地使用来刺激市场的接受。这包括让充电变得简单和安全，就像给手机充电一样。标准的物理充电连接可以帮助，尽管目前在国际标准IEC 62196-2中规定了三种类型。这包括SAE(美国汽车工程师学会)J1772插头，它在北美广泛使用，并被定义为IEC 62196-2的第1型插头。许多欧洲国家更喜欢IEC 2型插头(在某些国家，有或没有IP等级的覆盖)，可以支持高达43.5 kW的充电功率，并能与欧洲三相交流电源供应快速充电站，以及普通单相电源。

　　这两种类型的接口都包括安全特性，以确保只有在插入插头时才能够提供能量，并且在充电周期结束之前，插头断开连接时，就可以防止触电。

　　步骤1:使充电简单安全

　　J1772规范和iec61851 -1，是电动汽车充电接口的全球标准，在充电点-或电动汽车服务设备(EVSE) -和车载充电器(OBC)电子设备之间，指定了基本的电气信号。这些相互作用确定了连接，并根据可用的通风等标准来协商电力输送，以防止潜在的危险，如过热。

　　沟通是基于1 kHz±12 V脉宽调制(PWM)控制信号。EVSE产生12 V信号。当充电插头正常工作时，电动汽车将电压降至9伏。然后，EVSE应用PWM并调整工作周期，以指示其自身的输出额定电流。这是车辆允许使用的最大充电电流。与此同时，EVSE关闭其输出继电器以允许充电开始。在这一点上，电动汽车对导频信号线的阻力较小，将电压降至6伏，表明充电正在进行中。图1显示了与各种电动汽车充电状态相关的信号电压。状态D，当电压降至3 V时，表明有足够的通气可以允许快速充电使用最高的可能功率。

　　电动汽车的充电位置，各种电阻负载。

　　图1:电动汽车被充电时，驾驶员信号线上的各种电阻负载显示其状态。

　　因为J1772接口没有检测到当车辆完全充电时，当电缆不插电时充电终止。当发生这种情况时，驾驶员信号电压恢复到12伏，EVSE将输出关闭，以防止电流流动。

　　J1772接口参考设计

　　德州仪器为j1772兼容的EVSE设计了一个参考设计，它利用了MSP430F6736单片机的特性，以方便控制和监控导频信号线。其中包括一个高度精确的定时器模块，用于生成所需的工作周期的PWM信号，以及一个连续的近似寄存器(SAR)模拟数字转换器(ADC)，以读取在引线上的车辆的响应。由于EVSE的当前评级基本上是由诸如输出继电器、电缆和连接器等部件的额定值决定的，因此该值通常可以固定在固件中以控制定时器电路。

　　驱动控制信号在数米的电缆和车辆的负载电阻应用连接时,参考设计使用一个OPA171运算放大器,利用±18 V的电源电压范围宽,轨到轨输出和输出额定电流475毫安。MSP430单片机通过一个分压器对OPA171的输出进行监控，以检测车辆施加的负载阻力。

　　参考设计实现了J1772充电接口的所有电气功能，如图2所示。这些包括电源管理生成±12 VDC,3.3 V逻辑供应从主交流线,和一个TPL7407L下部司机管理两级输出继电器。该设计还利用MSP430F6736的可中断通用输入/输出(GPIO) pin，通过LM7321放大器连接到电流互感器，以防止潜在危险的接地故障。使用这个可中断的pin使系统能够比通过ADC监视当前变压器的输出来更快地响应。

　　此外,单片机的delta-sigma(ΔΣ)adc用于集成电力计量,利用现有的和证明单相住宅智能电表设计参考。

　　德州仪器j1772兼容EV充电器功能图

　　图2:TI参考设计实现了j1772兼容的EV充电器所需的所有功能。

　　第二步:将电动汽车插入智能电网。

　　按照J1772和iec61851 -1等规范，规范充电接口，使充电简单安全，对鼓励更多使用电动汽车大有帮助。然而，随着此类车辆在日常使用中的数量增加，当它们被充电时，电网的负荷也会增加。另一方面，如果对充电进行智能管理，PHEVs/ bev可以支持有效的需求响应程序，以防止过量的峰值负载，还可以作为剩余可再生能源的存储。图3说明了车辆和充电点之间可能发生的谈判，利用与电网管理系统的通信来确定能源容量和关税。

　　车辆、智能充电器和电网之间复杂的通信图。

　　图3:车辆、智能充电器和电网之间的精密通信，保证了充电的及时完成，同时保证了电网的稳定性。Christoph Saalfeld, Daimler AG, Vector Congress 2010的介绍。

　　此外，对充电的智能管理使得附加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下一个旅程中最节能的路线，并预测消费。这两种功能都为所有者提供了价值，并帮助公用事业公司确保了网格的稳定性和可用性。其他可以提供的服务包括动态计费，这样电动汽车车主在家里或在公共充电站、工作场所、朋友或家庭成员的房产等其他地点的收费都可以被正确地收取。

　　为了使这些类型的特性和服务得以实现，需要在车辆和EVSE之间进行更复杂的通信。ISO/IEC 15118工作组已经制定了车辆对电网(V2G)通信的规范，利用电力线通信(PLC)标准，当车辆通过电缆充电时。特别地，它选择了IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP)宽带PLC规范作为最佳协议，以确保通信的健壮性和高的数据率。HPGP在2mhz和30mhz之间的频率运行，使系统能够将有效的数据与其他附近的噪声源的噪声区分开来。

　　在启动充电过程后，建立通信系统，允许车辆及其充电点交换信息，如控制和配置数据、访问特权、时间戳、关税信息、客户ID和位置，以及仪表读数。

　　端到端V2G沟通

　　各种研究已经研究了车辆和电网管理系统之间的通信标准。EU PowerUp项目检查了使用IEC 62056 DLMS/COSEM的机会，利用了协议的各个方面，例如将信息转发到智能网格管理系统(例如负载平衡控制器)的PUSH原始数据。随着EV的具体扩展，DLMS/COSEM被发现是一个适合端到端V2G通信的协议。

　　另一种方法是使用iec61850协议，该协议的设计目的是支持变电站自动化系统之间的通信，用于管理可再生电力资源和消费者之间的能源流动。电动车提出了特定的扩展使交互使用ISO / IEC 15118 V2G接口,弗劳恩霍夫研究所的嵌入式系统和通信技术(弗劳恩霍夫面)开发了一个参考系统使用ISO / IEC 15118和IEC 61850标准- HPGP以及IPv6 V2G通信通过一个智能充电站,能够支持增值服务。图4显示了该参考设计如何结合ISO/ iec15811和iec61850协议来实现端到端V2G通信。

　　由智能车辆充电站管理的端到端V2G通信图。

　　图4:智能汽车充电站管理的端到端V2G通信。

　　HomePlug - AV (HomePlug - AV, HomePlug Green PHY)的HomePlug (HomePlug - AV)协议，旨在使芯片制造商能够快速、轻松地创建支持标准的ICs，并准备在各种智能家居产品中使用。

　　STMicroelectronics ' ST2100 STreamPlug是一个集成了可配置硬件引擎的系统芯片，能够支持多个HomePlug AV或HPGP端口。该设备的架构是为各种智能用例(如家庭自动化、安全性和电动汽车充电)提供单片机解决方案。集成的手臂®9 CPU提供足够的处理能力来主机智能充电应用程序和协议栈IEC 61850或dlm / COSEM,作为与智能电网通信管理系统的建议。此外，从一开始就被设计为智能、连接应用程序的高度集成芯片，它还包含硬件密码协处理器和支持算法，如AES、DES/3DES和IPSec。一个内置的以太网端口和彩色LCD控制器使该设备能够支持很大比例的智能电动汽车充电功能，而无需额外的外部设备。

　　幸运的是，广泛的软件可以作为支持软件开发工具包(SDK)的一部分，包括带有内核调度器、系统软件和Linux内核的接口层。核心调度器的接口层提供了支持系统软件的api，它实现了HPGP MAC和其他模块。Linux内核包含用于控制ST2100接口和整个硬件平台的Linux设备驱动程序。

　　STMicroelectronics ST2100软件架构图。