探索電力載波通信PLC技術(shù)在充電樁建設(shè)中的應(yīng)用

張海濤 許倩 孫茜

淮南電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 安徽 淮南 232000

引言

如今，國(guó)內(nèi)大氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，諸多問(wèn)題的污染源均是車(chē)輛尾氣排放。為優(yōu)化當(dāng)前總體環(huán)境，采取新能源作為動(dòng)力，電力便是其中的一類(lèi)。使用電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，充電是一項(xiàng)必須考慮的問(wèn)題。并且為延長(zhǎng)電池的應(yīng)用年限，提升充電的品質(zhì)與智能化程度，應(yīng)運(yùn)用如今較為成熟的通信手段，改進(jìn)充電樁?，F(xiàn)階段，有相對(duì)較好應(yīng)用效果的充電模式為電力載波。

1 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)及充電樁的建設(shè)情況

在環(huán)保與能源消耗等有關(guān)問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)后，控耗以及保護(hù)環(huán)境已然是世界各國(guó)急需考慮的問(wèn)題。而電動(dòng)汽車(chē)是科技的產(chǎn)物，成為綠色生活并兼具經(jīng)濟(jì)型的交通方式，在多個(gè)國(guó)家及地區(qū)均有出現(xiàn)。早在2010年，我國(guó)便推出有關(guān)新興產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展決定，其中，新能源汽車(chē)也被歸納到新興產(chǎn)業(yè)中，而在之后的幾年間，相繼出臺(tái)支持新能源汽車(chē)的針對(duì)性政策，此類(lèi)交通工具已然在國(guó)內(nèi)享有發(fā)展的條件。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，直至2019年2月，新能源汽車(chē)尤其是全電動(dòng)類(lèi)，產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到4.4萬(wàn)輛，銷(xiāo)量占總產(chǎn)量90.90%左右，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)同比提升51.3%與69.4%。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際銷(xiāo)售量占據(jù)新能源類(lèi)總銷(xiāo)量的70%以上。

充電樁是電動(dòng)汽車(chē)的主要配件，我國(guó)市場(chǎng)中，其成長(zhǎng)空間和投資價(jià)值巨大。首先，充電樁行業(yè)被我國(guó)政策支持，為鼓勵(lì)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)出，充電樁此類(lèi)配套設(shè)施勢(shì)必要加緊建設(shè)。在2015年，國(guó)務(wù)院已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)指導(dǎo)意見(jiàn)，利用政策幫助，支持此類(lèi)設(shè)施的落成。其次，大型企業(yè)對(duì)此產(chǎn)業(yè)有較大的興趣。如今，國(guó)家電網(wǎng)依舊為該產(chǎn)業(yè)的主要投資方，而在可預(yù)見(jiàn)的良好前景勢(shì)頭下，不僅是國(guó)內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)中排名前列的企業(yè)，汽車(chē)行業(yè)中的大規(guī)模企業(yè)以及電氣生產(chǎn)主體均紛紛加入進(jìn)來(lái)，如北汽、西門(mén)子等，都在充電樁上投入資金。最后，個(gè)體及民資將會(huì)是未來(lái)此類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目的主力軍之一。

2 PLC技術(shù)剖析

2.1 工作原理

根據(jù)國(guó)際范圍內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支持運(yùn)用PLC建設(shè)充電樁，此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定原因在于此項(xiàng)技術(shù)無(wú)須構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，并且不會(huì)占用過(guò)多的資源，給電力系統(tǒng)造成額外的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，屬于智能化且高效傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ健LC技術(shù)運(yùn)用載波，完成數(shù)字信號(hào)的溝通。其工作原理討論為：PLC利用電線及設(shè)備進(jìn)行傳輸，實(shí)踐運(yùn)用時(shí)，通常是主通信裝置的數(shù)據(jù)輸送至一般通信設(shè)備中，后者基于反饋結(jié)果啟動(dòng)對(duì)應(yīng)操作。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其一，主通信裝置把需反饋的內(nèi)容利用接口輸送至微處理器，后者開(kāi)展編碼及調(diào)制操作，最后輸出處理好的數(shù)據(jù)信號(hào)；其二，利用通信電信輸送到從通信系統(tǒng)內(nèi)，而從通信系統(tǒng)屬于傳送信號(hào)的逆過(guò)程，需要先經(jīng)過(guò)調(diào)制裝置后，通過(guò)處理發(fā)至從通信裝置，由此完成整個(gè)通信任務(wù)?，F(xiàn)實(shí)工作運(yùn)行中，主和從通信設(shè)備能實(shí)現(xiàn)相互交流，上文提到的是由主至從的傳輸。PLC技術(shù)應(yīng)用于充電樁上，會(huì)面對(duì)諸多信號(hào)數(shù)據(jù)處理，能采用高效且智能的手段，實(shí)現(xiàn)信息交互，而此也正是其使用優(yōu)勢(shì)所在[1]。

2.2 電力載波難點(diǎn)

其一，主站連接若干從站，由主站發(fā)出的信號(hào)會(huì)被全部相連從站獲取，但部分信號(hào)根本意圖是針對(duì)某個(gè)從站，所以要求從通信系統(tǒng)可準(zhǔn)確識(shí)別某信號(hào)是否應(yīng)當(dāng)執(zhí)行。其二，采用電線支持信號(hào)傳輸，因?yàn)闀?huì)受到脈沖影響，導(dǎo)致信號(hào)傳遞效果被干擾，故必須處理好此類(lèi)脈沖，而此也是如今運(yùn)用PLC的主要難點(diǎn)之一。其三，PLC能利用電線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但過(guò)程中勢(shì)必會(huì)形成消耗。如果設(shè)備間的信號(hào)傳輸量偏大，會(huì)加大電線自身的荷載，進(jìn)一步降低輸送效率及內(nèi)容品質(zhì)。其四，利用電線完成信號(hào)傳輸，在相同系統(tǒng)里，各類(lèi)信號(hào)實(shí)際損失量會(huì)有區(qū)別，造成損耗處理手段的選擇難度較大，部分處理形式也不符合電線傳輸，導(dǎo)致輸送質(zhì)量無(wú)法有效把控，制約PLC大范圍運(yùn)用。

2.3 主流通信比對(duì)

PLC大多是采取電線輸送，能擺脫網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的信息溝通。近些年，數(shù)字編碼的成長(zhǎng)速度明顯，給PLC技術(shù)成長(zhǎng)帶來(lái)幫助，運(yùn)用范圍有所擴(kuò)大。PLC能利用原有電線網(wǎng)絡(luò)，取代專(zhuān)項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)，提高照明及安防等方面的自動(dòng)化管控。按照寬帶情況，PLC包括窄帶9~500kHz以及寬帶2~34MHz兩類(lèi)。前者只能滿足傳輸效率要求標(biāo)準(zhǔn)較低的條件下，如抄表、照明管控等。

3 充電樁中電力載波通信PLC的運(yùn)用分析

在電動(dòng)汽車(chē)持續(xù)推廣中，和其搭配應(yīng)用的充電樁建設(shè)量增多，但無(wú)論是交流點(diǎn)或者是直流電結(jié)構(gòu)，均需保證充電樁之間保持通訊基礎(chǔ)，采集現(xiàn)場(chǎng)信息，傳輸?shù)胶蠖嗽婆_(tái)，實(shí)施統(tǒng)一管理。充電操作期間，要求充電樁和汽車(chē)電池形成實(shí)時(shí)信息交互。充電樁屬于基礎(chǔ)設(shè)施，自身特殊結(jié)構(gòu)，使得智能通訊要實(shí)現(xiàn)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散，但總量多；輻射覆蓋范圍大，通訊間距小；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋼碛锌裳诱辜办`敏度。因?yàn)镻LC無(wú)須架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，支持信息傳輸，也不能形成額外荷載。故采取此項(xiàng)PLC技術(shù)，組織建設(shè)充電樁，讓電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行動(dòng)力補(bǔ)充時(shí)，享有高效及智能化的條件，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上逐漸成長(zhǎng)起來(lái)。

3.1 控制分層結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文闡述的PLC工作原理，被信號(hào)傳輸分成若干步驟。在此傳輸過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)配備完整適宜的裝置負(fù)責(zé)具體工作，以便把電動(dòng)車(chē)當(dāng)下電池情況反饋給充電樁，如剩余電量、電池使用性能等。充電樁則會(huì)根據(jù)獲取到的信息，給出恰當(dāng)?shù)某潆姺?wù)[2]。

3.2 裝置的自適應(yīng)

電動(dòng)車(chē)連接充電期間，為提高此過(guò)程的智能化程度，需融合有關(guān)手段，使充電裝置具備自適應(yīng)的能力。筆者在考慮PLC技術(shù)的同時(shí)，還搭配SDP技術(shù)，保障充電的自適應(yīng)效果，繼而提高采集充電樁及電動(dòng)汽車(chē)的相關(guān)數(shù)據(jù)，縮短查詢匹配的時(shí)間，不斷提升數(shù)據(jù)傳遞的高效性。此處選擇的SDP技術(shù)，在采集對(duì)應(yīng)位置數(shù)據(jù)中，會(huì)立足于標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議上，基于協(xié)議內(nèi)容，判斷雙方有無(wú)連接的條件。筆者闡述的PLC工作形式，傳輸協(xié)議為V2GTP，基于此，電動(dòng)車(chē)能被當(dāng)下車(chē)載電池的情況傳送至充電樁，而后者會(huì)基于電池實(shí)況，完成自適應(yīng)調(diào)節(jié)。此種方式既能增強(qiáng)充電的效果，又能降低對(duì)電池的損耗程度，延長(zhǎng)其的應(yīng)用年限。

3.3 參數(shù)的自適應(yīng)

使用PLC技術(shù)建設(shè)充電樁，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電中，通常會(huì)經(jīng)過(guò)以下程度：汽車(chē)與充電樁連接完成后，汽車(chē)會(huì)給后者發(fā)送查看電纜有無(wú)正確連通的信號(hào)，后者獲取到此請(qǐng)求數(shù)據(jù)后，會(huì)基于充電系統(tǒng)中的電壓情況加以判斷。假設(shè)成功連接，會(huì)進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，反之充電樁會(huì)反饋出連接錯(cuò)誤的信號(hào)。而在完成連接之后，汽車(chē)?yán)^續(xù)發(fā)出信號(hào)，請(qǐng)求進(jìn)行充電。之后，充電樁根據(jù)汽車(chē)請(qǐng)求發(fā)給其的車(chē)輛資料與電池?cái)?shù)據(jù)等，自動(dòng)選擇最優(yōu)充電參數(shù)，并在充電期間，保證各項(xiàng)信息的平穩(wěn)傳送，利于保障充電的品質(zhì)及效果。而PLC技術(shù)如何完成上述過(guò)程，一般是借助BMS電池管理，組合此項(xiàng)技術(shù)，把被充電對(duì)象的全部資料傳輸給充電樁，能規(guī)避充電過(guò)量以及充電不足等問(wèn)題，同樣能延長(zhǎng)電池的應(yīng)用年限[3]。

3.4 典型實(shí)例分析

設(shè)計(jì)充電樁時(shí)，應(yīng)考慮到設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間暴露在自然環(huán)境中，還需抵御電磁及噪聲干擾。在通訊方面，要保證上傳下達(dá)的容量與速度，并適應(yīng)充電樁實(shí)物的部署特點(diǎn)。基于此，再考量在早期施工與后期保養(yǎng)維護(hù)上，可能會(huì)付出的成本代價(jià)。電動(dòng)汽車(chē)與充電樁應(yīng)構(gòu)建平穩(wěn)且高效的連接通道，PLC技術(shù)借助當(dāng)前已經(jīng)建設(shè)完成的電力線路，便能實(shí)現(xiàn)信息溝通，不必額外增設(shè)電纜設(shè)施，同時(shí)也不必改造如今已投入應(yīng)用的充電設(shè)施，借助充電系統(tǒng)內(nèi)多項(xiàng)交直流線纜，足以支持?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)交互，滿足輸電及通信集約化的目的。壓縮建設(shè)的工程量以及施工周期，整體耗用成本量不高。普通充電樁會(huì)分成直流和交流兩類(lèi)，其中前者屬于大電流快充類(lèi)型，能用在大巴車(chē)及混合動(dòng)力客車(chē)、出租車(chē)等類(lèi)型的充電任務(wù)中，而后者屬于小電流慢充的類(lèi)型，一般建設(shè)于住宅小區(qū)、商場(chǎng)與公用停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)所。以某交流電的充電系統(tǒng)為例，各個(gè)充電樁能借助敞口、網(wǎng)口和PLC建立聯(lián)系。充電樁的樁體和載波單元之間構(gòu)成信號(hào)交互。低壓配電柜的位置，安設(shè)單臺(tái)PLC主機(jī)設(shè)備，設(shè)置成三相通信結(jié)構(gòu)，能和三相線上全部從機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)溝通。PLC主機(jī)本身帶有RJ-45網(wǎng)口，能按照距離對(duì)比，就近確定寬帶率路由器，由此實(shí)現(xiàn)和云端控制平臺(tái)連接。能避免常規(guī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，遇到屏蔽、掉線、數(shù)據(jù)租費(fèi)等問(wèn)題造成的困擾。

在本典型實(shí)例中，PLC芯片框圖不僅能貢獻(xiàn)出電力載波的通信服務(wù)，還可支持?jǐn)?shù)個(gè)外部接口，包括以太網(wǎng)、SDIO等。采取的關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)為：①根據(jù)IEEE-1901標(biāo)準(zhǔn)，確定調(diào)制解調(diào)手段，能呈現(xiàn)出的物理層中傳輸效率最高值是240Mbps。②多跳中繼，屬于最高的十級(jí)中繼，能實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程傳輸長(zhǎng)度是10km。根據(jù)充電的現(xiàn)場(chǎng)干擾條件，能借助中繼處理，提高網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的平穩(wěn)度，為此需要載波芯片擁有自動(dòng)組網(wǎng)性能。數(shù)十個(gè)節(jié)點(diǎn)基于網(wǎng)絡(luò)情況，形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，讓距離偏大的節(jié)點(diǎn)也能借助中繼手段，和主節(jié)點(diǎn)相連。③滿足多類(lèi)通信線纜應(yīng)用，如雙絞線、電話線等。④滿足國(guó)際上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。⑤載波寬帶達(dá)到2~28MHz。⑥信號(hào)動(dòng)態(tài)的最大能達(dá)到90dB。⑦中繼的延遲時(shí)長(zhǎng)最大僅有10ms。其八，運(yùn)行的功耗是0.8W，在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，功耗不會(huì)超過(guò)0.2W。

圖2 立柱式交流汽車(chē)充電樁

4 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，降低人類(lèi)交通活動(dòng)造成的環(huán)境污染，國(guó)家政策為此提供大力支持，使其擁有廣闊的前景。而充電樁是配套設(shè)施中比較關(guān)鍵的一項(xiàng)，也受到各界的關(guān)注。經(jīng)過(guò)本文討論，有效驗(yàn)證PLC的應(yīng)用價(jià)值。