探索電力載波通信PLC技術在充電樁建設中的應用

張海濤 許倩 孫茜

淮南電力規劃設計院有限公司 安徽 淮南 232000

引言

如今，國內大氣污染愈發嚴重，諸多問題的污染源均是車輛尾氣排放。為優化當前總體環境，采取新能源作為動力，電力便是其中的一類。使用電動汽車時，充電是一項必須考慮的問題。并且為延長電池的應用年限，提升充電的品質與智能化程度，應運用如今較為成熟的通信手段，改進充電樁。現階段，有相對較好應用效果的充電模式為電力載波。

1 國內電動汽車及充電樁的建設情況

在環保與能源消耗等有關問題逐漸顯現出來后，控耗以及保護環境已然是世界各國急需考慮的問題。而電動汽車是科技的產物，成為綠色生活并兼具經濟型的交通方式，在多個國家及地區均有出現。早在2010年，我國便推出有關新興產業的戰略發展決定，其中，新能源汽車也被歸納到新興產業中，而在之后的幾年間，相繼出臺支持新能源汽車的針對性政策，此類交通工具已然在國內享有發展的條件。根據相關統計報告顯示，直至2019年2月，新能源汽車尤其是全電動類，產量已經達到4.4萬輛，銷量占總產量90.90%左右，兩項數據同比提升51.3%與69.4%。同時，電動汽車實際銷售量占據新能源類總銷量的70%以上。

充電樁是電動汽車的主要配件，我國市場中，其成長空間和投資價值巨大。首先，充電樁行業被我國政策支持，為鼓勵電動汽車產出，充電樁此類配套設施勢必要加緊建設。在2015年，國務院已經出臺相關指導意見，利用政策幫助，支持此類設施的落成。其次，大型企業對此產業有較大的興趣。如今，國家電網依舊為該產業的主要投資方，而在可預見的良好前景勢頭下，不僅是國內能源產業中排名前列的企業，汽車行業中的大規模企業以及電氣生產主體均紛紛加入進來，如北汽、西門子等，都在充電樁上投入資金。最后，個體及民資將會是未來此類建設項目的主力軍之一。

2 PLC技術剖析

2.1 工作原理

根據國際范圍內的相關標準，支持運用PLC建設充電樁，此項標準的設定原因在于此項技術無須構建網絡，并且不會占用過多的資源，給電力系統造成額外的運轉壓力，屬于智能化且高效傳輸的通信模式。PLC技術運用載波，完成數字信號的溝通。其工作原理討論為：PLC利用電線及設備進行傳輸，實踐運用時，通常是主通信裝置的數據輸送至一般通信設備中，后者基于反饋結果啟動對應操作。簡單來說，其一，主通信裝置把需反饋的內容利用接口輸送至微處理器，后者開展編碼及調制操作，最后輸出處理好的數據信號；其二，利用通信電信輸送到從通信系統內，而從通信系統屬于傳送信號的逆過程，需要先經過調制裝置后，通過處理發至從通信裝置，由此完成整個通信任務。現實工作運行中，主和從通信設備能實現相互交流，上文提到的是由主至從的傳輸。PLC技術應用于充電樁上，會面對諸多信號數據處理，能采用高效且智能的手段，實現信息交互，而此也正是其使用優勢所在[1]。

2.2 電力載波難點

其一，主站連接若干從站，由主站發出的信號會被全部相連從站獲取，但部分信號根本意圖是針對某個從站，所以要求從通信系統可準確識別某信號是否應當執行。其二，采用電線支持信號傳輸，因為會受到脈沖影響，導致信號傳遞效果被干擾，故必須處理好此類脈沖，而此也是如今運用PLC的主要難點之一。其三，PLC能利用電線進行數據傳輸，但過程中勢必會形成消耗。如果設備間的信號傳輸量偏大，會加大電線自身的荷載，進一步降低輸送效率及內容品質。其四，利用電線完成信號傳輸，在相同系統里，各類信號實際損失量會有區別，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，導致輸送質量無法有效把控，制約PLC大范圍運用。

2.3 主流通信比對

PLC大多是采取電線輸送，能擺脫網絡環境的信息溝通。近些年，數字編碼的成長速度明顯，給PLC技術成長帶來幫助，運用范圍有所擴大。PLC能利用原有電線網絡，取代專項網絡，提高照明及安防等方面的自動化管控。按照寬帶情況，PLC包括窄帶9~500kHz以及寬帶2~34MHz兩類。前者只能滿足傳輸效率要求標準較低的條件下，如抄表、照明管控等。

3 充電樁中電力載波通信PLC的運用分析

在電動汽車持續推廣中，和其搭配應用的充電樁建設量增多，但無論是交流點或者是直流電結構，均需保證充電樁之間保持通訊基礎，采集現場信息，傳輸到后端云臺，實施統一管理。充電操作期間，要求充電樁和汽車電池形成實時信息交互。充電樁屬于基礎設施，自身特殊結構，使得智能通訊要實現：監測點分散，但總量多；輻射覆蓋范圍大，通訊間距小；網絡拓撲擁有可延展及靈敏度。因為PLC無須架構網絡，支持信息傳輸，也不能形成額外荷載。故采取此項PLC技術，組織建設充電樁，讓電動汽車進行動力補充時，享有高效及智能化的條件，推動電動汽車在國內市場上逐漸成長起來。

3.1 控制分層結構

根據上文闡述的PLC工作原理，被信號傳輸分成若干步驟。在此傳輸過程中，應當配備完整適宜的裝置負責具體工作，以便把電動車當下電池情況反饋給充電樁，如剩余電量、電池使用性能等。充電樁則會根據獲取到的信息，給出恰當的充電服務[2]。

3.2 裝置的自適應

電動車連接充電期間，為提高此過程的智能化程度，需融合有關手段，使充電裝置具備自適應的能力。筆者在考慮PLC技術的同時，還搭配SDP技術，保障充電的自適應效果，繼而提高采集充電樁及電動汽車的相關數據，縮短查詢匹配的時間，不斷提升數據傳遞的高效性。此處選擇的SDP技術，在采集對應位置數據中，會立足于標準化的通信協議上，基于協議內容，判斷雙方有無連接的條件。筆者闡述的PLC工作形式，傳輸協議為V2GTP，基于此，電動車能被當下車載電池的情況傳送至充電樁，而后者會基于電池實況，完成自適應調節。此種方式既能增強充電的效果，又能降低對電池的損耗程度，延長其的應用年限。

3.3 參數的自適應

使用PLC技術建設充電樁，當電動汽車充電中，通常會經過以下程度：汽車與充電樁連接完成后，汽車會給后者發送查看電纜有無正確連通的信號，后者獲取到此請求數據后，會基于充電系統中的電壓情況加以判斷。假設成功連接，會進入下一個環節，反之充電樁會反饋出連接錯誤的信號。而在完成連接之后，汽車繼續發出信號，請求進行充電。之后，充電樁根據汽車請求發給其的車輛資料與電池數據等，自動選擇最優充電參數，并在充電期間，保證各項信息的平穩傳送，利于保障充電的品質及效果。而PLC技術如何完成上述過程，一般是借助BMS電池管理，組合此項技術，把被充電對象的全部資料傳輸給充電樁，能規避充電過量以及充電不足等問題，同樣能延長電池的應用年限[3]。

3.4 典型實例分析

設計充電樁時，應考慮到設備長時間暴露在自然環境中，還需抵御電磁及噪聲干擾。在通訊方面，要保證上傳下達的容量與速度，并適應充電樁實物的部署特點。基于此，再考量在早期施工與后期保養維護上，可能會付出的成本代價。電動汽車與充電樁應構建平穩且高效的連接通道，PLC技術借助當前已經建設完成的電力線路，便能實現信息溝通，不必額外增設電纜設施，同時也不必改造如今已投入應用的充電設施，借助充電系統內多項交直流線纜，足以支持數據信號交互，滿足輸電及通信集約化的目的。壓縮建設的工程量以及施工周期，整體耗用成本量不高。普通充電樁會分成直流和交流兩類，其中前者屬于大電流快充類型，能用在大巴車及混合動力客車、出租車等類型的充電任務中，而后者屬于小電流慢充的類型，一般建設于住宅小區、商場與公用停車場等場所。以某交流電的充電系統為例，各個充電樁能借助敞口、網口和PLC建立聯系。充電樁的樁體和載波單元之間構成信號交互。低壓配電柜的位置，安設單臺PLC主機設備，設置成三相通信結構，能和三相線上全部從機實現信號溝通。PLC主機本身帶有RJ-45網口，能按照距離對比，就近確定寬帶率路由器，由此實現和云端控制平臺連接。能避免常規無線網絡環境下，遇到屏蔽、掉線、數據租費等問題造成的困擾。

在本典型實例中，PLC芯片框圖不僅能貢獻出電力載波的通信服務，還可支持數個外部接口，包括以太網、SDIO等。采取的關鍵技術和參數為：①根據IEEE-1901標準，確定調制解調手段，能呈現出的物理層中傳輸效率最高值是240Mbps。②多跳中繼，屬于最高的十級中繼，能實現的遠程傳輸長度是10km。根據充電的現場干擾條件，能借助中繼處理，提高網絡環境的平穩度，為此需要載波芯片擁有自動組網性能。數十個節點基于網絡情況，形成網絡拓撲，讓距離偏大的節點也能借助中繼手段，和主節點相連。③滿足多類通信線纜應用，如雙絞線、電話線等。④滿足國際上的相關標準。⑤載波寬帶達到2~28MHz。⑥信號動態的最大能達到90dB。⑦中繼的延遲時長最大僅有10ms。其八，運行的功耗是0.8W，在待機狀態時，功耗不會超過0.2W。

圖2 立柱式交流汽車充電樁

4 結束語

電動汽車經濟實惠，降低人類交通活動造成的環境污染，國家政策為此提供大力支持，使其擁有廣闊的前景。而充電樁是配套設施中比較關鍵的一項，也受到各界的關注。經過本文討論，有效驗證PLC的應用價值。