電動(dòng)汽車(chē)(EV)和充電站之間通信協(xié)議國際標準ISO 15118

標準于 2010 年由國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會(huì )（IEC）通過(guò)，電動(dòng)汽車(chē)和充電站之間的通信，改善了不同品牌、型號和充電類(lèi)型（交流或直流）之間的互動(dòng)。確?；ゲ僮餍?、智能充電和更高的安全性，提升電動(dòng)汽車(chē)充電的整體體驗。該標準已在全球廣泛采用，尤其是在歐洲、美國、中南美洲、韓國、印度和澳大利亞等地區。

ISO15118 最初被命名為 ISO/IEC 15118。IEC（國際電工委員會(huì )）制定和發(fā)布電氣、電子和相關(guān)領(lǐng)域的國際標準技術(shù)，ISO（國際標準化組織）的重點(diǎn)是國際除電氣和電子領(lǐng)域外的所有領(lǐng)域的標準。有時(shí)標準也由 ISO 和 IEC 以所謂的聯(lián)合工作組 (JWG) 的形式聯(lián)合開(kāi)發(fā)，正如 ISO/IEC 15118 那樣，因為信息技術(shù)和能源技術(shù)在這里融合。關(guān)于15118協(xié)議的發(fā)布，ISO 和 IEC 最終決定不是發(fā)布ISO/IEC“雙冠名標準”，而是所謂的“雙標識(logo)標準”。因為ISO 是主導的出版商，所以由ISO來(lái)冠名，但該標準還提供附加的 IEC 標志。因此，現如今人們實(shí)際上更多地稱(chēng)該標準為 ISO 15118 而不是 ISO/IEC 15118。

2022年4月26國際組織- 國際標準化組織（IX-ISO ）發(fā)布ISO 15118-20，是ISO15118的最新版本標準系列，ISO 15118-20 是 ISO 15118-2 的擴展，另外還支持無(wú)線(xiàn)功率傳輸 (WPT)。這些服務(wù)中的每一項都可以使用雙向電力傳輸 (BPT) 和自動(dòng)連接設備 (ACD) 來(lái)提供

2、版本信息介紹

（1）ISO 15118-1.0版本

目前發(fā)布的已經(jīng)成為國際標準的是 ISO 15118 - 1, 2, 3, 4, 5, 8 這六份文檔，關(guān)于無(wú)線(xiàn)充電的6， 7 已經(jīng)集成到1， 2 之中，將不會(huì )作為單獨的標準發(fā)布。目前已經(jīng)發(fā)布的文檔和 OSI 7層協(xié)議的對應關(guān)系如下圖所示：

15118-1是通用要求

這部分基于ISO 15118實(shí)現充電和計費流程的應用場(chǎng)景，并描述了在各應用場(chǎng)景中的設備以及設備間的信息交互

15118-2是說(shuō)應用層協(xié)議方面的

這部分定義的應用場(chǎng)景定義了mesages（消息）, message sequences（消息次序） and state machines（狀態(tài)機）， 以及實(shí)現這些應用場(chǎng)景所需定義的技術(shù)要求。定義了從網(wǎng)絡(luò )層一直到應用層的各個(gè)協(xié)議

15118-3是鏈路層方面的，用的是電力載波。軟件的同學(xué)無(wú)需關(guān)心。

這部分定義的物理層信令和消息

15118-4是測試相關(guān)的

15118-5是物理層相關(guān)的，軟件的同學(xué)無(wú)需關(guān)心太多

15118-8是無(wú)線(xiàn)方面的，目前不要看

15118-9是無(wú)線(xiàn)物理層方面的

（2）ISO 15118-20版本

ISO 15118-20 是ISO 15118的最新版本標準系列，面向未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電通信標準。ISO/IEC 聯(lián)合工作組于 2015 年底開(kāi)始開(kāi)發(fā)它，重點(diǎn)是添加未納入 ISO 15118-2 的新功能。此外，我們消除了在各個(gè)市場(chǎng)供應商實(shí)施 ISO 15118-2 時(shí)發(fā)現的限制。ISO 15118-20 旨在成為服務(wù)于所有用例的標準，以支持全系列電動(dòng)汽車(chē)，無(wú)論是汽車(chē)、摩托車(chē)、卡車(chē)、公共汽車(chē)、船舶還是飛機。是的，甚至是飛機。讓我們深入了解這一面向未來(lái)的通信標準的新版本可以期待的最重要的新功能，以及其市場(chǎng)推出的粗略時(shí)間表。ISO 15118-2 指定了電動(dòng)汽車(chē)和充電站交換的消息，以控制交流和直流充電會(huì )話(huà)。而且，即插即充功能。ISO 15118-20 是 ISO 15118-2 的擴展，另外還支持無(wú)線(xiàn)功率傳輸 (WPT)。這些服務(wù)中的每一項都可以使用雙向電力傳輸 (BPT) 和自動(dòng)連接設備 (ACD) 來(lái)提供，下面將對此進(jìn)行說(shuō)明。

二、CCS接口介紹

CCS充電標準的歷史可以追溯到2011年。當時(shí)，歐洲、北美和亞洲的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)出現了不同的充電標準，這給全球范圍內的電動(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 充電標準提案，旨在將交流和直流充電整合為一個(gè)統一的系統。連接器物理接口上設計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?、三相交流充電以及直流充電?？梢詾殡妱?dòng)汽車(chē)提供更靈活的充電選擇。CCS Combo 1.0標準于2012年正式發(fā)布。

在2014年，CCS Combo 2.0

發(fā)布，版本是對之前版本的重要升級，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標準也在歐州和北美市場(chǎng)得到廣泛采用。此后CCS標準又于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。

1、接口介紹

EV（electricity vehicle） - 充電接口 - 協(xié)議

德標DIN、歐標EN、國際ISO、國標GB對照表，做出口必備資料

2、CCS1接口

美國和日本國內的電網(wǎng)只支持單相交流充電，所以Type 1的插頭和端口在這兩個(gè)市場(chǎng)占據主流。

3、CCS2接口介紹

歐洲特別是德國有三相電的充電訴求，使得該接口很復雜，有好幾種配置，單相交流、三相交流、低功率直流和中等功率直流，歐洲和中國電網(wǎng)支持單相 240 V和三相 400 V連接。在2011年10月，8家汽車(chē)企業(yè)包含Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, GM, Porsche, 和 VW 提議了一個(gè)統一的充電接口（汽車(chē)端口和充電槍插頭），同時(shí)支持交流和直流充電：Combined Charging System (CCS)。這個(gè)提議后來(lái)形成了 IEC 62196-3。Type 2端口支持單相和三相充電，三相交流充電可以縮短電動(dòng)汽車(chē)充電的時(shí)間。

左邊是 Type-2 CCS 汽車(chē)充電端口，右邊是直流充電槍的插頭。汽車(chē)的充電端口集成了交流部分（上半部分）和 直流部分（下半部分的兩個(gè)粗的接口）。在交流和直流充電進(jìn)程當中，電動(dòng)汽車(chē)（EV）和充電樁（EVSE）之間的通信是通過(guò) Control Pilot (CP)接口來(lái)進(jìn)行

CP - Control Pilot 接口傳輸模擬的 PWM 信號和基于電力線(xiàn)載波（PLC）的調制到模擬信號上的ISO 15118 或 DIN70121 數字信號。

PP - Proxmity Pilot (也叫 Plug Presence) 接口傳輸一個(gè)信號使得汽車(chē)（EV）能夠監測到充電槍插頭已經(jīng)連接上。用來(lái)實(shí)現一個(gè)重要的安全功能 - 當充電槍連接時(shí)，汽車(chē)不能移動(dòng)。

PE - Productive Earth, 接地保護，是設備的接地引線(xiàn)。

其他的幾個(gè)接口用來(lái)傳輸電能：Neutral (N)線(xiàn)，L1(AC 單相），L2, L3 (AC 三相）；DC+，DC- （直流）。

三、ISO15118協(xié)議內容介紹

ISO 15118 通信協(xié)議是基于客戶(hù)端-服務(wù)器（client-server) 模式的，由汽車(chē)充電控制器（EVCC） 發(fā)送請求消息（這些消息帶有后綴"Req"），由樁端充電控制器（SECC）來(lái)返回相應的響應消息（帶有后綴"Res"）。EVCC 需要在相應請求消息的特定超時(shí)范圍（一般在 2 到 5 秒之間）內收到 SECC 的響應消息 ，否則該會(huì )話(huà)將被終止，根據不同廠(chǎng)家的實(shí)現，EVCC可以再重新發(fā)起一個(gè)新的會(huì )話(huà)。

1、充電流程

（1）充電流程圖

（2）交流充電過(guò)程

（3）直流充電過(guò)程

2、ISO 15118運行機制

IEC 61851

標準定義了一種基于脈寬調制（PWM）的和充電安全相關(guān)的通信協(xié)議。ISO 15118 通過(guò)更高級別的數字協(xié)議增強了充電樁和電動(dòng)汽車(chē)之間的通信機制，提供更豐富的信息，主要包括：雙向通信，信道加密，認證，授權，充電狀態(tài)，離開(kāi)時(shí)間，等。當在充電線(xiàn)的 CP 引腳上測量到 5% 占空比的 PWM 信號時(shí)，充電樁和汽車(chē)之間的充電控制就會(huì )立即交給 ISO 15118 。

如果充電樁或汽車(chē)僅支持 IEC 61851 通信協(xié)議，5%占空比的PWM信號將導致以最大可用充電電流開(kāi)始充電過(guò)程，直到汽車(chē)完全充滿(mǎn)電 - 充電站運營(yíng)商 (CPO) 不會(huì )了解到整個(gè)充電過(guò)程汽車(chē)需要多少電能或汽車(chē)希望充電過(guò)程何時(shí)結束（例如汽車(chē)希望充10kw的電能，但同時(shí)必須20分鐘后就要離開(kāi)）。但是當我們討論電網(wǎng)的削峰填谷以及更有價(jià)值的服務(wù)時(shí)，這些信息是必不可少的，而這些正是 ISO 15118 所能夠提供的。

3、核心功能

（1）智能充電

智能電動(dòng)汽車(chē)充電是智能控制、管理和調整電動(dòng)汽車(chē)充電各個(gè)方面的能力。它基于電動(dòng)汽車(chē)、充電器、充電運營(yíng)商和電力供應商或公用事業(yè)公司之間的實(shí)時(shí)數據通信來(lái)完成。在智能充電中，所有相關(guān)方不斷溝通并使用先進(jìn)的充電解決方案來(lái)優(yōu)化充電。這個(gè)生態(tài)系統的核心是智能充電電動(dòng)汽車(chē)解決方案，該解決方案可以處理這些數據，并允許充電運營(yíng)商和用戶(hù)管理充電的各個(gè)方面。

1）智能能源管；它管理電動(dòng)汽車(chē)充電對電網(wǎng)和電力供應的影響。

2）優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)；充電它幫助電動(dòng)汽車(chē)司機和充電服務(wù)提供商在成本和效率方面優(yōu)化充電。

3）遠程管理和分析；它使用戶(hù)和運營(yíng)商能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )平臺或移動(dòng)應用程序控制和調整充電。

4）先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)許多新技術(shù)，如V2G

，都需要智能充電功能才能正常運行。

ISO 15118 標準引入了另一種可以用作智能充電的信息源：電動(dòng)汽車(chē)本身（EV）。規劃充電過(guò)程時(shí)最重要的信息之一是汽車(chē)想要消耗的能量。有許多選項可以向 CSMS 提供此類(lèi)信息：

用戶(hù)可以使用移動(dòng)應用程序（由 eMSP 提供）輸入請求的能量，并通過(guò)后端到后端的集成將其發(fā)送到 CPO 的 CSMS，充電站可以使用自定義 API 將此數據直接發(fā)送到 CSMS

（2）智能充電與智能電網(wǎng)

智能電動(dòng)汽車(chē)充電是該系統的一部分，因為電動(dòng)汽車(chē)充電會(huì )在很大程度上影響家庭、建筑物或公共區域的能源消耗。電網(wǎng)的能力在某個(gè)點(diǎn)可以處理多少電力方面受到限制。

（3）即插即充

2014 年發(fā)布的 ISO 15118 頂級功能。

（4）TLS通信

（5）密鑰驗證

四、充電樁協(xié)議對比

IEC 61851 同時(shí)包含了確保只有在連接到靜止車(chē)輛時(shí)才會(huì )激活充電電流的機制。因此，IEC61851 是一種模擬的，安全相關(guān)的，低級的充電控制協(xié)議。

IEC 62196 和 ISO 15118 均基于 IEC 61851。 IEC 62196 插頭中的 CP 線(xiàn)允許區分 6 種電動(dòng)汽車(chē)（EV）連接狀態(tài)并可以通過(guò)模擬 PWM 信號（脈寬調制）表示充電樁（EVSE）所允許通過(guò)的最大充電電流。

要實(shí)現對一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)汽車(chē)（EV）同時(shí)充電的靈活管理需要更多的基本參數，這些基本的參數的傳輸無(wú)法通過(guò)PWM模擬信號來(lái)實(shí)現。這就產(chǎn)生了對數字通信協(xié)議的需求，進(jìn)而導致了標準化的工作， ISO 15118 協(xié)議應運而生。

DIN 70121

基于 ISO 15118 標準的早期未發(fā)布版本.

GB/T 27930

是針對國內電動(dòng)汽車(chē)充電設施的充電接口通信這種特定應用場(chǎng)景設計的通信協(xié)議。

1、IEC 61851協(xié)議

IEC 61851-1 是最早發(fā)布的定義電動(dòng)汽車(chē)一般充電要求的標準之一。IEC 61851-1 定義了 4 種充電模式，其中模式 2 定義了在Pilot線(xiàn)上加載脈沖寬度調制 (PWM) 信號作為 EV 和車(chē)外充電器之間的通信方式；IEC 61851-1 的模式 4 定義了通過(guò) Pilot 信號線(xiàn)進(jìn)行高級通信 (HLC) 以管理 IEC 61851-23 中定義的直流充電（DC）的通信和管理協(xié)議。1kHz 的PWM信號由充電樁產(chǎn)生，實(shí)際充電的電流大小由汽車(chē)（EV）來(lái)決定。

具體可以參照《儲能系統---交流充電樁（三）》

脈寬調制是一種用于對信息進(jìn)行編碼的調制技術(shù)，例如，把最大允許充電電流這樣的信息轉換為脈沖信號。它的基本工作機制是通過(guò)控制充電樁輸出端口CP信號的電壓幅度和在一個(gè)周期(1ms)內的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)實(shí)現的。電源打開(kāi)和關(guān)閉的時(shí)間比例稱(chēng)為“占空比”，以百分比表示， 高的占空比代表更高的可用充電電流。CP線(xiàn)上的電壓（和地線(xiàn)（PE）的電壓差[V]）用來(lái)區別不同的樁和車(chē)之間的連接狀態(tài)：

2、GB/T27930協(xié)議

GB/T 27930是針對我國國標GB/T20234.3的直流充電接口制定的協(xié)議

具體可以參照《儲能系統---充電樁工作原理介紹（二）》

3、DIN70121協(xié)議

DIN 70121標準是由德國標準化學(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字通信的規范性標準。早在2011年，寶馬集團就已經(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標準還在起草制定中，德國汽車(chē)行業(yè)迫切需要一份標準來(lái)規范市場(chǎng)并推出產(chǎn)品。因此，DIN 70121 帶著(zhù)振興德國汽車(chē)電氣化轉型的使命誕生。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)程中的數字通訊規范。直流充電會(huì )話(huà)中 EV 和 EVSE 之間的 HLC over Pilot 信號。到 DIN 70121 發(fā)布時(shí)，北美和歐洲地區都已經(jīng)采用 PLC（如 HomePlug Green PHY 規范中所述）作為 HLC 協(xié)議的物理層和數據鏈路層。通俗的說(shuō)，DIN 70121標準規定了采用CP信號線(xiàn)作為傳輸媒介、PLC作為數據鏈路、使用MAC和TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò )傳輸層的通訊模式以及規范了高級別通訊的握手、交互流程以及報文內容，從而解決了當時(shí)直流充電行業(yè)沒(méi)有標準的燃眉之急。

在2014年，德國標準化學(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DIN 70121的一致性測試規范DIN 70122:2018。至此，CCS充電有了一整套相對完整的標準及一致性測試體系。

4、SAE J1772

協(xié)議

SAE J1772 由汽車(chē)工程學(xué)會(huì ) (SAE) 發(fā)布，用于規范不同類(lèi)型的充電協(xié)議。SAE 采用 DIN70121 的 HLC 協(xié)議進(jìn)行直流充電，采用 IEC 61851-1 的 Pilot PWM 信號進(jìn)行交流充電。SAE J1772 為交流充電定義了 EV-EVSE 接口中控制Pilot 信號的相關(guān) PWM 波形。此外，SAE J1772 和 SAE J2847-2 協(xié)議也詳細描述了基于 DIN70121 來(lái)實(shí)現車(chē)輛到電網(wǎng) (V2G)通信的各類(lèi)消息的時(shí)序和順序。

5、ISO15118協(xié)議

ISO 15118 是一個(gè)相對完整的綜合協(xié)議標準，其中很大一部分篇幅涉及到交流和直流充電會(huì )話(huà)的 HLC 協(xié)議的安全性。ISO 15118 引入了兩種充電用戶(hù)身份識別方法：外部識別模式 (EIM) 和即插即充電 (PnC) 模式。EIM 類(lèi)似于 DIN 70121 或 SAE J2847，其中汽車(chē)駕駛者需要在充電過(guò)程開(kāi)始之前手動(dòng)使用信用卡或其他的身份識別方法（儲值卡，手機APP等）；在 PnC 模式下，所需的識別和計費信息都通過(guò) HLC 在 EV 和 EVSE 之間自動(dòng)交換，不需要駕駛員手動(dòng)參與。此外，與 DIN SPEC 70121 不同，ISO 15118 允許根據電網(wǎng)容量和能源成本來(lái)智能安排充電時(shí)間。

6、協(xié)議差異性對比

（1）DIN 70121和ISO15118基于PLC通信，GB/T 27930基于CAN通信

基于HomePlug GreenPHY作為數據鏈路層協(xié)議的電力線(xiàn)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信號電路上的調制解調器將OFDM調制的高頻信號耦合在CP信號線(xiàn)上，并由另一端的調制解調器進(jìn)行解調。從而在不增加額外通訊引腳的情況下實(shí)現高達10 Mbit/s的通訊速率，為直流充電信息交互以及高級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。

（2）ISO15118 一對多而IEC 61851 只能支持一對一

IEC 61851 標準定義了一種基于脈寬調制（PWM），是一種模擬信號。如果充電樁或汽車(chē)僅支持 IEC 61851 通信協(xié)議，5%占空比的PWM信號將導致以最大可用充電電流開(kāi)始充電過(guò)程，直到汽車(chē)完全充滿(mǎn)電 - 充電站運營(yíng)商 (CPO) 不會(huì )了解到整個(gè)充電過(guò)程汽車(chē)需要多少電能或汽車(chē)希望充電過(guò)程何時(shí)結束。如果系統支持ISO15118，當在充電線(xiàn)的 CP 引腳上測量到 5% 占空比的 PWM 信號時(shí)，充電樁和汽車(chē)之間的充電控制就會(huì )立即交給 ISO15118 。

（3）ISO15118除了傳統傳導式充電外，還涉及到了V2G（向電網(wǎng)回饋電能）即插即用、和無(wú)線(xiàn)充電部分內容

DIN70121 不支持即插即用，這意味著(zhù)：沒(méi)有通過(guò)傳輸層安全 (TLS) 進(jìn)行的安全通信，沒(méi)有數字證書(shū)，也沒(méi)有基于 XML 的數字簽名，因此真實(shí)性和數據完整性不能保證。充電樁無(wú)法向 EV 發(fā)送充電時(shí)間表以使其以更智能、更電網(wǎng)友好的方式充電。

（4）DIN 70121 基于 ISO 15118 標準的早期未發(fā)布版本，定義了電動(dòng)汽車(chē)和直流充電站之間的數字通信。DC 代表直流電，這意味著(zhù) DIN SPEC 70121 僅涵蓋直流充電模式，而 ISO 15118 涵蓋交流（交流電）和直流充電模式。圖一顯示了DIN 70121 和 ISO 15118 各個(gè)版本之間的主要功能區別：

五、總結

DIN SPEC 70121 是作為臨時(shí)解決方案創(chuàng )建的，以在 ISO 15118 發(fā)布之前啟動(dòng)并運行市場(chǎng)。不幸的是，因為電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(cháng)超過(guò)了 ISO 15118 協(xié)議產(chǎn)品成熟并達到廣泛互聯(lián)互通的量產(chǎn)速度，DIN SPEC 70121 仍然在 ISO 15118 測試研討會(huì )的各種測試裝置中盛行，在實(shí)際市場(chǎng)中部署的充電樁也廣泛支持 70121。從互聯(lián)互通的角度來(lái)看，相對于 ISO 15118，DIN SPEC 70121 在各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品中是目前比較成熟的協(xié)議。隨著(zhù) ISO 15118 及其廣泛的附加功能迅速成為行業(yè)標準，DIN SPEC 70121 將開(kāi)始逐步退出歷史舞臺。自 DIN SPEC 70121 首次發(fā)布以來(lái)，ISO 15118 系列標準有了很大的發(fā)展，這導致了 DIN SPEC 70121 和 ISO 15118 之間的許多技術(shù)差異。DIN SPEC 于 2012 年首次發(fā)布并于 2014 年更新，而第一個(gè)版本的ISO 15118 的技術(shù)規范于 2014 年發(fā)布，第 2 版剛剛開(kāi)始發(fā)布。