基于HPLC+HRF 雙模通信的新能源汽車智能充電終端技術研究

韋雅曼

（南寧職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530008）

0 引言

近年來，新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，按照電動汽車行業(yè)發(fā)展計劃，到2025 年，新能源汽車的新車銷量將占到新車銷售總額的20%。2020 年國務院辦公廳發(fā)布的“新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）”[1]、2022 年國家發(fā)改委等多部門聯(lián)合發(fā)布的“國家發(fā)展改革委等部門關于進一步提升電動汽車充電基礎設施服務保障能力的實施意見”[2]和2023 年6 月國家總理在主持召開國務院常務會議指出，要進一步加快新能源汽車充電設施的建立，構建高質量充電基礎設施體系。在政策和需求的“雙重驅動”下，我國的充電基礎設施建設已經(jīng)走上了快速發(fā)展的道路，因此，構建高質量充電基礎設施對推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動新型電力系統(tǒng)的建設，助力實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。

2023 年3 月16 日，中國消費者協(xié)會對外發(fā)布“新能源電動汽車消費與公共充電樁使用情況調查報告”[3]顯示，受訪者表示新能源汽車充電設施有待完善，服務體驗還有待提高。近6 成受訪者經(jīng)常遇到充電樁損壞或故障的情況：31.4%的受訪者認為充電樁損壞或故障的情況非常多，27.7%的受訪者認為此類情況相對較多，僅6.1%認為基本沒有故障。新能源汽車用戶遇到的網(wǎng)絡問題中，其中網(wǎng)絡不穩(wěn)定導致充電失敗、手機無法連接到充電樁和無法在充電樁程序上設置充電計劃占了大部分。

充電終端維護不到位、解決故障不及時、品牌服務響應能力不足等問題普遍存在。尤其在網(wǎng)絡環(huán)境復雜、信號不穩(wěn)定等地方，如在商業(yè)地下停車場、居民小區(qū)、偏遠地區(qū)等無信號、信號弱或覆蓋面積大的區(qū)域，暴露出的充電終端通信可靠性差、延遲大、無法使用或故障搶修不及時等問題，用戶的體驗感將降低，同時投訴率也會增加。因此亟需加快新能源汽車充電終端的相關通信技術和機制創(chuàng)新，進一步提升充電終端的通信質量和效率。

對新能源汽車智能充電終端的基于HPLC+HRF雙模通信技術進行研究，雙模通信技術可以實現(xiàn)HPLC 和HRF 自由切換，保證了通信的穩(wěn)定性和及時性。該充電終端無需布置網(wǎng)線、交換機和路由器等，直接通過載波電力線即可完成信息的傳輸，減少故障點的出現(xiàn)，云平臺監(jiān)測到相應的故障并及時搶修，解決充電終端通信可靠性差、延遲大、無法使用或故障搶修不及時等問題。

1 充電終端的通信技術概述

1.1 高速電力線載波通信

高速電力線載波通信（High-speed Power Linecarrier Communication，HPLC）是一種通過低壓電力線傳輸數(shù)據(jù)的寬頻電力線載波技術，具有高速率、實時性、高抗干擾、高傳輸、可實現(xiàn)芯片間的互連等優(yōu)點，可以滿足目前家用和其他用電設備對信息收集的需要。然而，隨著電力電子裝置及變頻器的廣泛使用，電網(wǎng)的電磁環(huán)境日趨復雜，使得電力線載波通信的環(huán)境日趨惡劣，導致故障報告成功率較低，單跳通信距離較短，網(wǎng)絡中存在“孤島/孤點”現(xiàn)象。傳統(tǒng)的PLC 通信模式面臨著網(wǎng)絡覆蓋范圍、通信可靠性和部署經(jīng)濟性等方面的巨大挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的單一PLC 通信模式已不能滿足新能源汽車充電終端的智能化需要。

1.2 高速無線通信

高速無線通信（High radio frequency，HRF）是指多個節(jié)點間不經(jīng)由導體或纜線傳播進行的遠距離傳輸通信，因具有低功耗、靈活組網(wǎng)等優(yōu)點，逐步成為場域網(wǎng)絡構建中的一種主要信息傳遞模式[4]，它能避免電力線路中的各種干擾與噪音，克服了孤島/孤點、停電報告成功率低、單跳通信距離短等缺點，是HPLC通信的一種有效補充。然而，HRF 通信也易受外界環(huán)境的干擾，特別是在建筑、地下停車場等復雜的環(huán)境中，存在著信號衰減嚴重、信號盲區(qū)等問題。

1.3 雙模通信

雙模通信是基于高速電力載波通信（HPLC）+高速無線通信（HRF）技術的一種新型通信方式，將HPLC+HRF 相結合的雙模通信技術，實現(xiàn)HPLC 和HRF 技術的優(yōu)缺互補，通信方式既能選擇電力線傳輸又能選擇無線傳輸，通過雙信道同時發(fā)送，提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，保證通信效率和通信可靠性。雙模通信的充電終端系統(tǒng)涵蓋各類數(shù)據(jù)采集、自動組網(wǎng)、自動中繼、雙模通信自動切換、遠程費控、遠程校時、信息主動上報等功能，具有HPLC、HRF 等單一通信模式無法比擬的優(yōu)勢，包括：雙模自動切換、通信鏈路穩(wěn)定、通信速率高及抗干擾能力強等。

中國的學者和科研單位在雙模通信方面做了一些研究，張春玲等[5]提出了一種基于HPLC＆HRF 雙模系統(tǒng)中新的導頻設計方案，增加了導頻的頻域密度，以更好地適應頻率選擇性高的信道，導頻開銷得到有效降低。李波等[6]提出了雙模通信技術的系統(tǒng)測試方案，在實驗室環(huán)境下模擬各種工況環(huán)境，為找出和凸顯對應的雙模通信方案可能存在的問題奠定基礎。黃瑞等[7]為提高配用電場域網(wǎng)連通率和傳輸效率，構建了具有高速電力線載波和微功率無線通信能力的配用電雙模異構場域網(wǎng)，減少了網(wǎng)絡層級，提高了傳輸效率。目前各大企業(yè)以及高校對雙模通信技術等方面進行了相關研究，但大多數(shù)的研究面向的是傳統(tǒng)家庭和社區(qū)用電[6]，大范圍應用于新能源汽車智能充電終端的基本沒有。

2 智能充電終端系統(tǒng)

2.1 智能充電終端的組網(wǎng)架構

針對基于雙模通信技術的新能源汽車智能充電終端系統(tǒng)的組網(wǎng)架構如圖1 所示，可以劃分為三部分：新能源汽車用戶的客戶端、智能充電終端硬件系統(tǒng)和新能源充電云平臺。新能源汽車用戶通過客戶端對智能充電終端掃碼或刷卡進行充電，充電終端的數(shù)據(jù)通過雙模通信技術實時將數(shù)據(jù)上傳至匯聚終端，匯聚終端再將數(shù)據(jù)通過4G/5G/以太網(wǎng)上傳至新能源充電云平臺，基于雙模通信技術的網(wǎng)絡架構支持上下行全雙工通信的信息交互，保證了通信的穩(wěn)定性，杜絕了智能充電終端因高樓、場地偏遠或地下停車場等出現(xiàn)信號較弱或信號盲區(qū)，用戶無法掃碼進行充電和無法結算問題，該網(wǎng)絡組織架構可以減免設備在通信信號較差的場地不得不布置網(wǎng)線的問題，從而減少了充電終端的建樁的成本，更有利于新能源汽車智能充電終端的推廣和使用。

圖1 智能充電終端的系統(tǒng)組網(wǎng)架構

2.2 智能充電終端的硬件系統(tǒng)

根據(jù)智能充電終端的功能需求，智能充電終端硬件系統(tǒng)可以分為7 個單元模塊，如圖2 示，其中包括：控制各模塊交互并處理各數(shù)據(jù)信息的主控模塊，上傳實時狀態(tài)信息數(shù)據(jù)和接收控制指令的通信模塊，給各個模塊進行供電的電源模塊，進行過壓、欠壓、過流、過熱、短路和漏電保護的安全防護模塊，對充電電壓、電流進行監(jiān)測和計量的電能計量模塊，采樣充電接口電壓與車載充電機進行通信的控制引導模塊及人機交互模塊。各模塊之間相互協(xié)調，共同完成充電、計量、監(jiān)測和安全的需求。

圖2 通信控制通信協(xié)議數(shù)據(jù)流程

3 充電終端的雙模通信

3.1 雙模通信模塊

智能充電終端和匯聚終端均裝有雙模通信模塊，智能充電終端通過雙模通信模塊將數(shù)據(jù)信息與匯聚終端進行交互，再與新能源汽車云平臺進行信息交互，實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)傳送和通信。該設計采用東軟6代SSC1663 芯片，采用OFDM 通信技術，頻段范圍為1.95 ～11.96 MHz，通信速率為100 kbps ～25 Mbps。國內(nèi)絕大部分家電和工業(yè)設備頻段都在1 MHz 以下，對窄帶載波干擾較大，而采用的SSC1663 芯片可以遠離噪聲干擾，通信質量高。芯片支持512 路子載波，可以根據(jù)電力線環(huán)境變化，自動切換子載波，以避開信道干擾信號，穩(wěn)定通信鏈路。支持AES128 加密，支持WAPI 加密傳輸協(xié)議，保障信息數(shù)據(jù)可靠安全傳輸。

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，雙模模塊在靜態(tài)功耗、抗衰減性能、抗白噪聲性能、抗窄帶干擾性能、抗脈沖干擾性能上均有顯著提升。尤其在停電上報率上，實現(xiàn)上報漏報率小于2%，誤報率達到0%，極大地提升了通信能力。

表1 雙模模塊與單模模塊性能對比

3.2 充電控制通信協(xié)議

依靠HPLC 和HRF 的雙模通信來進行數(shù)據(jù)傳輸，在充電終端中采用東軟6 代SSC1663 芯片，通信滿足基于DL/T645 的充電協(xié)議，充電終端采集完數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，完成后就傳輸給雙模通信模塊再傳輸?shù)絽R聚終端，最后上傳到云平臺。本研究的基于HPLC 和HRF 的雙模通信技術，自主設計了充電控制通信協(xié)議，具體描述了充電終端中的主控模塊的充電控制單元（CCU）與電能計量模塊中計費控制單元（TCU）、充電終端中數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）以及匯聚終端之間的通信。

充電終端上電后，主動連接匯聚終端，連接成功后，充電終端先發(fā)送簽到登錄報文給匯聚終端，充電終端收到簽到應答成功后，等待匯聚終端發(fā)送對時，對時成功后進入正常交互流程。未收到對時，充電終端持續(xù)發(fā)送簽到，直到對時成功。當用戶對充電終端進行掃碼或者刷卡時，發(fā)送充電請求的數(shù)據(jù)幀，充電終端收到消息后，再上傳到匯聚終端，與云平臺建立連接。在通信成功后加入心跳包機制，確?？梢蚤L久和正確地進行通信。串口通信協(xié)議中數(shù)據(jù)幀格式如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)幀格式

幀起始符是0x68H，標志一幀信息的開始。地址域由6 個字節(jié)構成，取樁編碼的后6 個字節(jié)。控制碼的高字節(jié)為表示傳輸方向，其中0001B 為請求，1001B 為應答。低字節(jié)功表示功能碼，用于區(qū)分不同的命令幀。數(shù)據(jù)域長度表示整個數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，其中數(shù)據(jù)包含充電終端編號（充電終端唯一標志）。該檢驗代碼是從該第一個幀起始符直到該檢驗代碼之前的每個字節(jié)的模256 的總和，也就是每個字節(jié)二進制的算術總和，并且沒有任何超出256 的溢出被計算在內(nèi)，而結束符則是Ox16H，作為識別了一個數(shù)據(jù)幀幀的信息的結束。

其中，控制碼編碼列見表2。

表2 控制碼編碼

3.3 雙模信道選擇

充電終端與匯聚終端之間可以進行三種方式的通信。當檢測到只有無線能成功通信時，選擇無線通信方式；當檢測到只有電力線能成功通信時，選擇電力線通信方式；當兩種方式都能成功通信時，比較兩種通信的接收信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI），按照預定的流程判斷進行相應的通信方式選擇。通過這種雙模通信方式能提高通信的成功率，如遇到問題可以及時進行故障上報。圖4 為通信信號主路和輔路示意圖，主路為充電終端與匯聚終端的直接通信鏈路，跳數(shù)較少；輔路為充電終端通過相鄰充電終端再到匯聚終端的間接通信鏈路，跳數(shù)較多。

圖4 雙模通信信道選擇

雙模信道選擇流程如圖5 所示，首先，通過周期發(fā)送網(wǎng)絡維護報文交互雙向信息，獲得與匯聚終端的主路和相鄰充電終端的輔路通信的接收信號強度（RSSI），依次進行判斷。當主路無線通信的RSSI 大于-80 dBm 時，選擇無線通信方式進行通信，否則當主路有線通信的RSSI 大于15 dBm 時，選擇有線通信方式進行通信；在主路通信質量均不滿足的情況下，當輔路無線通信的RSSI 大于-80 dBm 時，選擇無線通信方式進行通信，否則當輔路有線通信的RSSI大于15 dBm 時，選擇有線通信方式進行通信；最后，如果主路和輔路的通信質量均不滿足時，則進行下一個循環(huán)判斷，超過5 min 均不滿足通信條件時，則進行故障上報。

圖5 雙模信道選擇流程

總的來說，充電終端實時評估主路和輔路的有線信道和無線信道的傳輸成功率和信號質量，當主路無線信道受空間特性變化影響通信信號質量時，評估主路有線信道。同理，當主路有線信道受電力線環(huán)境影響，通信信號質量較差時，評估輔路無線信道，當輔路無線信道受空間特性變化影響通信質量時，評估輔路有線信道，最終選擇較好的一方進行通信。

3.4 通信性能測試

影響通信可靠性的因素有很多，比如所處的地理環(huán)境、電磁環(huán)境、信噪比和系統(tǒng)抗干擾能力等。在某小區(qū)地下室針對基于雙模通信技術的新能汽車充電終端進行通信可靠性測試，并與傳統(tǒng)的只基于電力載波通信（HPLC）和基于無線通信（HRF）的單一通信方式的充電終端進行對比。其中，匯聚終端負責對所管轄的智能充電終端進行管理，以6 s 一次的時間間隔對終端設備的數(shù)據(jù)進行采集，一共取3000 次收發(fā)數(shù)據(jù)成功率的平均值。我們從數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳舷滦谐晒β屎驼麄€通信網(wǎng)絡的信噪比等技術指標對通信的可靠性進行對比。結果如圖6 所示。

圖6 HRF、HPLC 和雙模通信技術上下行數(shù)據(jù)傳輸成功率

由此可見，基于雙模通信技術的上下行數(shù)據(jù)傳輸成功率為97% ～99%，基于單一的HPLC 通信技術的上下行數(shù)據(jù)傳輸成功率為92% ～94%，基于HRF 通信技的通信上下行的成功率為90% ～92%。因此，基于雙模通信技術的通信可靠性比基于單模通信技術的可靠性更高。

3.5 新能源汽車云平臺

智能充電終端接入到新能源汽車運營商云平臺，云平臺可以根據(jù)充電終端的接入、充電情況，進行智能充電終端的管理，其中包括監(jiān)管沙盤、充電站管理、充電終端管理、充電接口管理、充電訂單管理、運營監(jiān)控等。通過云平臺的大數(shù)據(jù)分析，可以有效地管控各區(qū)域充電樁/站的實際運行情況，分析新能源汽車智能充電終端的充電狀態(tài)，智能充電終端通過采集和記錄充電歷史數(shù)據(jù)和充電規(guī)律，為后續(xù)充電樁終端區(qū)域規(guī)劃設計和運營管理提供數(shù)據(jù)支撐，提高充電終端的使用率。云平臺后臺監(jiān)控部分界面如下所示。圖7 為充電終端的接口管理，可以監(jiān)測目前充電終端的在線和離線情況。

圖7 充電終端的接口管理

4 結語

對基于HPLC+HRF 雙模通信的新能源汽車智能充電終端技術進行研究，自主設計了充電控制通信協(xié)議，使得雙模通信技術可以實現(xiàn)HPLC 和HRF 自由切換，比單一模式的通信方式更穩(wěn)定和可靠，保證了通信的穩(wěn)定性和及時性；無需布置網(wǎng)線、交換機和路由器等，直接通過載波電力線即可完成信息的傳輸，減少故障點的出現(xiàn)，并且通過云平臺監(jiān)測到相應的故障并及時搶修，解決充電終端通信可靠性差、延遲大、無法使用或故障搶修不及時等問題。