隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，充電技術(shù)成為推動(dòng)電動(dòng)交通發(fā)展的核心要素之一。其中，CCS（Combined Charging System）充電標(biāo)準(zhǔn)作為一種全球性的充電標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于歐美市場(chǎng)電動(dòng)汽車(chē)的快速充電系統(tǒng)。隨著中國(guó)企業(yè)逐步進(jìn)軍歐美市場(chǎng)，CCS充電標(biāo)準(zhǔn)也逐漸受到更多工程師的關(guān)注。
 
       本文將深入淺出地探討CCS充電標(biāo)準(zhǔn)的基本原理、特點(diǎn)以及相關(guān)一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

一．CCS充電標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程和接口設(shè)計(jì)：
 
       CCS充電標(biāo)準(zhǔn)的歷史可以追溯到2011年。當(dāng)時(shí)，歐洲、北美和亞洲的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)出現(xiàn)了不同的充電標(biāo)準(zhǔn)，這給全球范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展帶來(lái)了互操作性和充電便利性的問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，歐洲汽車(chē)制造商協(xié)會(huì)（ACEA）提出了CCS 充電標(biāo)準(zhǔn)提案，旨在將交流和直流充電整合為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。連接器物理接口上設(shè)計(jì)為集成了交流和直流接口的組合式插座，能夠兼容3種充電模式：?jiǎn)蜗嘟涣鞒潆姟⑷嘟涣鞒潆娨约爸绷鞒潆??？梢詾殡妱?dòng)汽車(chē)提供更靈活的充電選擇。CCS Combo 1.0標(biāo)準(zhǔn)于2012年正式發(fā)布。
 
       在2014年，CCS Combo 2.0發(fā)布，版本是對(duì)之前版本的重要升級(jí)，進(jìn)一步提高了充電功率，支持更快速的直流充電。這一版本的CCS標(biāo)準(zhǔn)也在歐州和北美市場(chǎng)得到廣泛采用。此后CCS標(biāo)準(zhǔn)又于2017和2020年進(jìn)行了兩次迭代（CCS Combo 2.0.1和CCS Combo 2.0.2），進(jìn)一步提高了充電功率以及提升了安全性。


圖 1: CCS1和CCS2接口示意

     因?yàn)闅v史原因，CCS包含了兩種物理插頭設(shè)計(jì)。上圖中左邊是CCS Type 2插頭（簡(jiǎn)稱(chēng)CCS2），主要用于歐洲市場(chǎng)。而右邊為CCS Type 1（簡(jiǎn)稱(chēng)CCS1），主要用于北美市場(chǎng)，包括美國(guó)和加拿大。CCS中的第一個(gè)字母C是Combined的首字母。之所以稱(chēng)之為“聯(lián)合”，是因?yàn)槌潆姸丝诩闪私涣鞑糠郑ㄉ习氩糠郑┖椭绷鞑糠郑ㄏ掳氩糠郑?。在交流充電時(shí)僅使用上半部分接口，在直流充電進(jìn)程中使用下部的直流接口用于能量傳輸，上部插頭的部分針腳用于通信。值得一提的是，區(qū)別于國(guó)標(biāo)直流充電使用的CAN通訊，在CCS交直流充電中電動(dòng)汽車(chē)（EV）和充電樁（EVSE）之間的通信均是通過(guò) Control Pilot（CP）接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。于充電控制相關(guān)的引腳為：
CP - Control Pilot：
 
       傳輸 PWM 信號(hào)用于交流充電控制及基于電力線通訊（PLC）的調(diào)制信號(hào)用于在交流或直流充電中建立高級(jí)別通訊。
 
PP - Proximity Pilot：
 
       此針腳和PE間具有一個(gè)預(yù)置的電阻，通過(guò)此針腳讓EV識(shí)別到充電槍頭已經(jīng)連接并且識(shí)別線纜的最高載流能力。
 
PE - Protective Earth：
 
       用于EV接地保護(hù)，同時(shí)也作為CP和PP的參考地。
二．CCS涉及的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：
 
       與充電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)龐大而復(fù)雜，受篇幅所限，本文將對(duì)CCS交流與直流充電緊密相關(guān)的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。



圖 2：CCS涉及的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61851-1
 
       IEC 61851系列標(biāo)準(zhǔn)是由IEC組織制定的國(guó)際上最早的充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，可以稱(chēng)之為充電標(biāo)準(zhǔn)的基石。其無(wú)論是對(duì)其他國(guó)家充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定或是后續(xù)充電標(biāo)準(zhǔn)例如DIN70121或ISO15118的制訂都具有重要的參考意義。
 
       其中IEC61851-1規(guī)定了充電系統(tǒng)的通用要求尤其是包含了交流充電的規(guī)范。包括我國(guó)的交流充電標(biāo)準(zhǔn)GB/T18487.1-2015也借鑒了相同的控制導(dǎo)引方式。
 


圖 3：IEC 61851-1中定義的交流充電控制導(dǎo)引方式

       交流充電控制導(dǎo)引簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是通過(guò)充電槍頭的連接以及控制車(chē)端S2開(kāi)關(guān)的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)CP線路上檢測(cè)點(diǎn)電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)和樁對(duì)于充電狀態(tài)的識(shí)別和切換。此外，充電樁通過(guò)產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào)告知車(chē)輛能夠提供的最大電流。
 
       由于交流充電過(guò)程中實(shí)際充電策略由車(chē)載充電機(jī)OBC實(shí)現(xiàn)。因此僅僅通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)電壓和占空比變化便可以滿足車(chē)和樁信息交互的要求。到了直流充電，由于車(chē)和樁的信息交互需求明顯增加，簡(jiǎn)單的模擬量信號(hào)已經(jīng)無(wú)法滿足需求了。因此IEC 61851-1在模式四中定義了通過(guò)CP線實(shí)現(xiàn)高級(jí)別通信（HLC）以傳輸IEC 61851-23中定義的直流充電協(xié)議。
 
       CCS的高級(jí)別數(shù)字通信采用了基于HomePlug GreenPHY作為數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的電力線通訊（Power Line Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)安裝在充電樁或車(chē)輛CP信號(hào)電路上的調(diào)制解調(diào)器將OFDM調(diào)制的高頻信號(hào)耦合在CP信號(hào)線上，并由另一端的調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。從而在不增加額外通訊引腳的情況下實(shí)現(xiàn)高達(dá)10 Mbit/s的通訊速率，為直流充電信息交互以及高級(jí)功能例如即插即充甚至車(chē)網(wǎng)互動(dòng)提供高帶寬的信息交互通道。

圖 4：CCS的高級(jí)別通訊（HLC）實(shí)現(xiàn)原理示意
 
       如上文所述，引入PLC通訊可以在保持CCS交流部分物理接口不變的情況下實(shí)現(xiàn)高級(jí)別通信，可以在保持兼容性的基礎(chǔ)上將交流和直流電氣接口高度集成。但是帶來(lái)的缺點(diǎn)也同樣明顯：首先CP導(dǎo)引電路中必須增加調(diào)制解調(diào)電路，HomePlug GreenPHY的芯片價(jià)格昂貴，間接增加了CCS的應(yīng)用成本；此外，因?yàn)镻LC通信基于高頻信號(hào)，因此對(duì)于傳輸媒介也就是充電線纜的質(zhì)量提出了較高要求。在我們?nèi)粘f(xié)助客戶測(cè)試中偶爾遇到因?yàn)榫€纜或接插端子問(wèn)題導(dǎo)致信號(hào)衰減過(guò)大從而無(wú)法建立充電握手的情況。



圖 5：通過(guò)Keysight CDS測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的正常PLC信號(hào)增益（左）與異常增益（右）
 
DIN SPEC 70121
 
       DIN 70121標(biāo)準(zhǔn)是由德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)與2012年發(fā)布的用于電動(dòng)車(chē)與直流充電樁之間數(shù)字通信的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。早在2011年，寶馬集團(tuán)就已經(jīng)發(fā)布了純電概念車(chē)i3和i8并宣布在2013年上市。但此時(shí)ISO/IEC 15118標(biāo)準(zhǔn)還在起草制定中，德國(guó)汽車(chē)行業(yè)迫切需要一份標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范市場(chǎng)并推出產(chǎn)品。因此，DIN 70121 帶著振興德國(guó)汽車(chē)電氣化轉(zhuǎn)型的使命誕生。它基于IEC 61851-23 和 ISO 15118 早期未發(fā)布的版本，定義了直流充電過(guò)程中的數(shù)字通訊規(guī)范。通俗的說(shuō)，DIN 70121標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了采用CP信號(hào)線作為傳輸媒介、PLC作為數(shù)據(jù)鏈路、使用MAC和TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸層的通訊模式以及規(guī)范了高級(jí)別通訊的握手、交互流程以及報(bào)文內(nèi)容，從而解決了當(dāng)時(shí)直流充電行業(yè)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的燃眉之急。
 
       在2014年，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)又發(fā)布了DIN 70121:2014 Ed.2，修正了部分問(wèn)題。2018年又正式發(fā)布了針對(duì)DIN 70121的一致性測(cè)試規(guī)范DIN 70122:2018。至此，CCS充電有了一整套相對(duì)完整的標(biāo)準(zhǔn)及一致性測(cè)試體系。


圖 6：DIN 70121 及 DIN 70122在OSI七層模型中的覆蓋范圍
 
        由于發(fā)布時(shí)間緊迫，DIN 70121在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了很多缺陷或無(wú)法實(shí)施的問(wèn)題。這里就不得不提到一個(gè)在歐洲充電行業(yè)非?；钴S的組織---- 電動(dòng)汽車(chē)充電接口倡議組織（CharIN e.V.）。這個(gè)組織在2015年由歐洲的幾家頭部汽車(chē)公司發(fā)起，目前已經(jīng)有164位核心成員以及139位會(huì)員。CharIN組織旨在聯(lián)合行業(yè)共同完善CCS充電標(biāo)準(zhǔn)，其中最有代表性的就是每年的測(cè)試會(huì)（CharIN Testival）：他們通過(guò)測(cè)試會(huì)組織行業(yè)內(nèi)車(chē)企和樁企進(jìn)行互操作性測(cè)試并將測(cè)試中遇到的問(wèn)題收集起來(lái)，而后發(fā)布了針對(duì)DIN 70121和DIN 70122中問(wèn)題的應(yīng)用指南（CharIN Implementation Guide for DIN 70121:2014）和一致性測(cè)試?yán)–harIN Test Cases for DIN 70121:2014 Implementation Guide）。這兩份指導(dǎo)文件作為對(duì)DIN標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充和修正，也會(huì)在今后的DIN版本中得到采納。目前，隨著CharIN組織的不斷壯大，他們已經(jīng)不局限于CCS標(biāo)準(zhǔn)而放眼全球充電標(biāo)準(zhǔn)了。
 
圖 7：CCS發(fā)展的三個(gè)階段
 
ISO 15118
 
       了解了上文所述的背景后不難理解，DIN SPEC 70121 就是作為臨時(shí)解決方案而發(fā)布的。而于2014年首次發(fā)布的 ISO 15118 才是原規(guī)劃中CCS充電的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。ISO 15118由于其全面性和復(fù)雜性而分成了三個(gè)部分：
 
*15118-1 規(guī)定了充電系統(tǒng)的通用要求，15118系列標(biāo)準(zhǔn)的綱領(lǐng)性文件
 
*15118-2規(guī)定了交流和直流充電中網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議要求（OSI模型中3~7層)
 
*15118-3定義了物理和數(shù)據(jù)鏈路層要求（OSI 模型中1~2層)
 
       同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)組也在2018年發(fā)布了一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別為ISO 15118-4 和 ISO 15118-5。

圖 8：ISO 15118標(biāo)準(zhǔn)中各部分的覆蓋范圍
       
       作為一套相對(duì)完善的充電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于DIN 70121僅支持直流充電而言，ISO 15118增加了交流充電的支持。此外，ISO 15118 引入了兩種充電用戶身份識(shí)別方法：外部識(shí)別模式 (EIM) 和即插即充 (PnC) 模式。EIM模式下用戶需要在充電過(guò)程開(kāi)始之前通過(guò)傳統(tǒng)刷卡或掃碼等方式完成鑒權(quán)；在 PnC 模式下，識(shí)別和計(jì)費(fèi)信息都通過(guò) 高級(jí)別通信在 EV 和 EVSE 之間自動(dòng)交換，不需要用戶手動(dòng)執(zhí)行。此外ISO 15118 還提出了智能充電的概念，允許車(chē)輛根據(jù)電網(wǎng)容量和能源成本來(lái)智能安排充電時(shí)間。為了保證即插即充（PnC）等功能的安全性，ISO 15118增加了傳輸層安全 (TLS) 加密通信、數(shù)字證書(shū)和基于 XML 的數(shù)字簽名的要求以強(qiáng)化通訊安全性。從下圖可以看到，ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CCS充電高級(jí)別通信的協(xié)議棧有了清晰且明確的定義。且無(wú)論交流充電也可以建立高級(jí)別通訊以實(shí)現(xiàn)PnC或增值功能。


圖 9：ISO 15118的協(xié)議棧

圖 10：V2G報(bào)文包含交流和直流充電交互內(nèi)容

       由于協(xié)議的成熟性，目前在歐美市場(chǎng)上仍然擁有大量支持DIN 70121的車(chē)和充電樁。但可以預(yù)見(jiàn)，隨著ISO 15118標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善和廣泛實(shí)施，DIN 70121將會(huì)逐步退出歷史舞臺(tái)。
 
ISO 15118-20
 
       隨著新能源產(chǎn)業(yè)的崛起，對(duì)于智能充電（Smart Charging）、車(chē)網(wǎng)互動(dòng)（V2G）以及無(wú)線充電的需求也逐步顯現(xiàn)出來(lái)。針對(duì)這些需求，ISO工作組在2022年4月正式推出了ISO 15118-20標(biāo)準(zhǔn)。它在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議上做出了諸多創(chuàng)新，包括能量傳輸模式、物理層和信息安全。至此，CCS充電標(biāo)準(zhǔn)來(lái)到了第三階段。


圖 11：ISO 15118-20標(biāo)準(zhǔn)及一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)劃分
 
ISO 15118-20的核心在于增加了以下三大功能：
 
•Automated Connection Device （ACD）：自動(dòng)連接裝置，主要用于商用車(chē)到站后自動(dòng)充電補(bǔ)能
 
•Wireless Power Transfer （WPT）：無(wú)線充電功能，包括了電能以及控制導(dǎo)引信號(hào)的無(wú)線傳輸
 
•Bidirectional Power Transfer（BPT）：雙向功率傳輸，也就是V2G。在支持充電的基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷選擇放電并逆變回饋電網(wǎng)，以達(dá)到削峰填谷的作用。
 
此外，在以下方面也有修改和提升：
 
•鑒權(quán)過(guò)程在service discovery之前進(jìn)行并且優(yōu)化了服務(wù)處理流程
 
•在暫停模式的基礎(chǔ)上又增加了待機(jī)模式（standby mode）
 
•引入了模塊化XML結(jié)構(gòu)
 
•整合TLS1.2至1.3版本，加入了白名單和黑名單
 
•支持多個(gè)合同證書(shū)
 
•可選支持TPM功能等
 
       同時(shí)，為了配合無(wú)線充電功能，ISO 15118-8定義了基于WLAN的無(wú)線數(shù)字通訊方式作為高級(jí)別通訊的媒介。
 
       如圖11所示，在一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面，因?yàn)镮SO 15118-20中定義了較多新功能，而這些功能不一定會(huì)完整應(yīng)用到新產(chǎn)品中。例如一個(gè)支持ISO 15118-20的直流充電樁只開(kāi)發(fā)了BPT但并沒(méi)有ACD或WPT功能。為了應(yīng)對(duì)這種情況，減少研發(fā)和測(cè)試工程師對(duì)于一致性測(cè)試?yán)齾^(qū)分上的困擾，標(biāo)準(zhǔn)組決定將一致性測(cè)試劃分為通用一致性測(cè)試?yán)↖SO15118-21）和以功能區(qū)分的特定測(cè)試?yán)↖SO 15118-22 ~ ISO 15118-25）。也就是說(shuō)，對(duì)于上述舉例的直流充電樁，測(cè)試工程師只需要跑完ISO 15118-21通用測(cè)試?yán)约搬槍?duì)直流的ISO 15118-23測(cè)試?yán)涂梢粤恕?br /> 三．CCS充電標(biāo)準(zhǔn)展望：

圖 12：CCS充電高級(jí)別通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布狀態(tài)

       這里我們整理了與CCS相關(guān)數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間線，可以相對(duì)直觀地看出標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)及迭代關(guān)系。從上圖可以看到從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布到一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的推出還會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間的空窗期。針對(duì)ISO 15118-20的一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在2022年2月啟動(dòng)了起草工作，是德科技也參與其中。不久的將來(lái)在一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布時(shí)是德科技也將及時(shí)跟進(jìn)提供相應(yīng)的一致性測(cè)試方案。
 
       介紹了這么多，從上文也可以看出CCS基于IPv6的通訊模式確實(shí)具有極大的靈活性和可擴(kuò)展性。尤其是在數(shù)據(jù)安全層面有了TLS的支持下可以安全地實(shí)現(xiàn)即插即充功能。且TCP/IP協(xié)議棧較為成熟，開(kāi)發(fā)人員甚至可以基于現(xiàn)有成熟方案對(duì)從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證。后期在實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電功能時(shí)也只需要修改物理層和數(shù)據(jù)鏈路層即可。


圖 13：分布式能源概念（引用）
 
       正如前文所述，BPT（V2G）將是今后歐美充電市場(chǎng)的發(fā)展重點(diǎn)。因?yàn)闅W美能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分布式能源（DER）已經(jīng)成為了被廣泛接受和認(rèn)可的發(fā)展方向。EV的電池作為一個(gè)天生優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)能媒介，一定需要參與到智能電網(wǎng)的調(diào)控之中?，F(xiàn)有新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布在技術(shù)上僅僅掃除了從車(chē)到充電樁端的障礙，但是從樁到運(yùn)營(yíng)平臺(tái)再到電力分銷(xiāo)商仍然面臨諸多標(biāo)準(zhǔn)不一致的問(wèn)題。
 
       另外由于CCS的通訊特點(diǎn)，基于現(xiàn)有技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)直流的功率雙向傳輸，也可以實(shí)現(xiàn)交流V2G。因此，與交流并網(wǎng)相關(guān)的一致性測(cè)試也有可能成為未來(lái)新能源車(chē)研發(fā)人員的一個(gè)關(guān)注方向。


本文源自“是德科技”