電動汽車(EV)和充電站之間通信協(xié)議國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15118

標(biāo)準(zhǔn)于 2010 年由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）通過，電動汽車和充電站之間的通信，改善了不同品牌、型號和充電類型（交流或直流）之間的互動。確保互操作性、智能充電和更高的安全性，提升電動汽車充電的整體體驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)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(qū)。

ISO15118 最初被命名為 ISO/IEC 15118。IEC（國際電工委員會）制定和發(fā)布電氣、電子和相關(guān)領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。有時(shí)標(biāo)準(zhǔn)也由 ISO 和 IEC 以所謂的聯(lián)合工作組 (JWG) 的形式聯(lián)合開發(fā)，正如 ISO/IEC 15118 那樣，因?yàn)樾畔⒓夹g(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(biāo)準(zhǔn)”，而是所謂的“雙標(biāo)識(logo)標(biāo)準(zhǔn)”。因?yàn)镮SO 是主導(dǎo)的出版商，所以由ISO來冠名，但該標(biāo)準(zhǔn)還提供附加的 IEC 標(biāo)志。因此，現(xiàn)如今人們實(shí)際上更多地稱該標(biāo)準(zhǔn)為 ISO 15118 而不是 ISO/IEC 15118。

2022年4月26國際組織- 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（IX-ISO ）發(fā)布ISO 15118-20，是ISO15118的最新版本標(biāo)準(zhǔn)系列，ISO 15118-20 是 ISO 15118-2 的擴(kuò)展，另外還支持無線功率傳輸 (WPT)。這些服務(wù)中的每一項(xiàng)都可以使用雙向電力傳輸 (BPT) 和自動連接設(shè)備 (ACD) 來提供

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(biāo)準(zhǔn)的是 ISO 15118 - 1, 2, 3, 4, 5, 8 這六份文檔，關(guān)于無線充電的6， 7 已經(jīng)集成到1， 2 之中，將不會作為單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。目前已經(jīng)發(fā)布的文檔和 OSI 7層協(xié)議的對應(yīng)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(xiàn)充電和計(jì)費(fèi)流程的應(yīng)用場景，并描述了在各應(yīng)用場景中的設(shè)備以及設(shè)備間的信息交互

15118-2是說應(yīng)用層協(xié)議方面的

這部分定義的應(yīng)用場景定義了mesages（消息）, message sequences（消息次序） and state machines（狀態(tài)機(jī)）， 以及實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用場景所需定義的技術(shù)要求。定義了從網(wǎng)絡(luò)層一直到應(yīng)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)無需關(guān)心太多

15118-8是無線方面的，目前不要看

15118-9是無線物理層方面的

（2）ISO 15118-20版本

ISO 15118-20 是ISO 15118的最新版本標(biāo)準(zhǔn)系列，面向未來的電動汽車 (EV) 充電通信標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC 聯(lián)合工作組于 2015 年底開始開發(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)市場供應(yīng)商實(shí)施 ISO 15118-2 時(shí)發(fā)現(xiàn)的限制。ISO 15118-20 旨在成為服務(wù)于所有用例的標(biāo)準(zhǔn)，以支持全系列電動汽車，無論是汽車、摩托車、卡車、公共汽車、船舶還是飛機(jī)。是的，甚至是飛機(jī)。讓我們深入了解這一面向未來的通信標(biāo)準(zhǔn)的新版本可以期待的最重要的新功能，以及其市場推出的粗略時(shí)間表。ISO 15118-2 指定了電動汽車和充電站交換的消息，以控制交流和直流充電會話。而且，即插即充功能。ISO 15118-20 是 ISO 15118-2 的擴(kuò)展，另外還支持無線功率傳輸 (WPT)。這些服務(wù)中的每一項(xiàng)都可以使用雙向電力傳輸 (BPT) 和自動連接設(shè)備 (ACD) 來提供，下面將對此進(jìn)行說明。

二、CCS接口介紹

CCS充電標(biāo)準(zhǔn)的歷史可以追溯到2011年。當(dāng)時(shí)，歐洲、北美和亞洲的電動汽車市場出現(xiàn)了不同的充電標(biāo)準(zhǔn)，這給全球范圍內(nèi)的電動汽車發(fā)展帶來了互操作性和充電便利性的問題。為解決這一問題，歐洲汽車制造商協(xié)會（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：單相交流充電、三相交流充電以及直流充電?？梢詾殡妱悠囂峁└`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(biāo)準(zhǔn)也在歐州和北美市場得到廣泛采用。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。

1、接口介紹

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

德標(biāo)DIN、歐標(biāo)EN、國際ISO、國標(biāo)GB對照表，做出口必備資料

2、CCS1接口

美國和日本國內(nèi)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)市場占據(jù)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(fù)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家汽車企業(yè)包含Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, GM, Porsche, 和 VW 提議了一個(gè)統(tǒng)一的充電接口（汽車端口和充電槍插頭），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汽車充電的時(shí)間。

左邊是 Type-2 CCS 汽車充電端口，右邊是直流充電槍的插頭。汽車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(dāng)中，電動汽車（EV）和充電樁（EVSE）之間的通信是通過 Control Pilot (CP)接口來進(jìn)行

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

PP - Proxmity Pilot (也叫 Plug Presence) 接口傳輸一個(gè)信號使得汽車（EV）能夠監(jiān)測到充電槍插頭已經(jīng)連接上。用來實(shí)現(xiàn)一個(gè)重要的安全功能 - 當(dāng)充電槍連接時(shí)，汽車不能移動。

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

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

三、ISO15118協(xié)議內(nèi)容介紹

ISO 15118 通信協(xié)議是基于客戶端-服務(wù)器（client-server) 模式的，由汽車充電控制器（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）來返回相應(yīng)的響應(yīng)消息（帶有后綴"Res"）。EVCC 需要在相應(yīng)請求消息的特定超時(shí)范圍（一般在 2 到 5 秒之間）內(nèi)收到 SECC 的響應(yīng)消息 ，否則該會話將被終止，根據(jù)不同廠家的實(shí)現(xiàn)，EVCC可以再重新發(fā)起一個(gè)新的會話。

1、充電流程

（1）充電流程圖

（2）交流充電過程

（3）直流充電過程

2、ISO 15118運(yùn)行機(jī)制

IEC 61851

標(biāo)準(zhǔn)定義了一種基于脈寬調(diào)制（PWM）的和充電安全相關(guān)的通信協(xié)議。ISO 15118 通過更高級別的數(shù)字協(xié)議增強(qiáng)了充電樁和電動汽車之間的通信機(jī)制，提供更豐富的信息，主要包括：雙向通信，信道加密，認(rèn)證，授權(quán)，充電狀態(tài)，離開時(shí)間，等。當(dāng)在充電線的 CP 引腳上測量到 5% 占空比的 PWM 信號時(shí)，充電樁和汽車之間的充電控制就會立即交給 ISO 15118 。

如果充電樁或汽車僅支持 IEC 61851 通信協(xié)議，5%占空比的PWM信號將導(dǎo)致以最大可用充電電流開始充電過程，直到汽車完全充滿電 - 充電站運(yùn)營商 (CPO) 不會了解到整個(gè)充電過程汽車需要多少電能或汽車希望充電過程何時(shí)結(jié)束（例如汽車希望充10kw的電能，但同時(shí)必須20分鐘后就要離開）。但是當(dāng)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

智能電動汽車充電是智能控制、管理和調(diào)整電動汽車充電各個(gè)方面的能力。它基于電動汽車、充電器、充電運(yùn)營商和電力供應(yīng)商或公用事業(yè)公司之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信來完成。在智能充電中，所有相關(guān)方不斷溝通并使用先進(jìn)的充電解決方案來優(yōu)化充電。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的核心是智能充電電動汽車解決方案，該解決方案可以處理這些數(shù)據(jù)，并允許充電運(yùn)營商和用戶管理充電的各個(gè)方面。

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

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

3）遠(yuǎn)程管理和分析；它使用戶和運(yùn)營商能夠通過網(wǎng)絡(luò)平臺或移動應(yīng)用程序控制和調(diào)整充電。

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

，都需要智能充電功能才能正常運(yùn)行。

ISO 15118 標(biāo)準(zhǔn)引入了另一種可以用作智能充電的信息源：電動汽車本身（EV）。規(guī)劃充電過程時(shí)最重要的信息之一是汽車想要消耗的能量。有許多選項(xiàng)可以向 CSMS 提供此類信息：

用戶可以使用移動應(yīng)用程序（由 eMSP 提供）輸入請求的能量，并通過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(shù)據(jù)直接發(fā)送到 CSMS

（2）智能充電與智能電網(wǎng)

智能電動汽車充電是該系統(tǒng)的一部分，因?yàn)殡妱悠嚦潆姇诤艽蟪潭壬嫌绊懠彝?、建筑物或公共區(qū)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(yàn)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輛時(shí)才會激活充電電流的機(jī)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 線允許區(qū)分 6 種電動汽車（EV）連接狀態(tài)并可以通過模擬 PWM 信號（脈寬調(diào)制）表示充電樁（EVSE）所允許通過的最大充電電流。

要實(shí)現(xiàn)對一個(gè)或多個(gè)電動汽車（EV）同時(shí)充電的靈活管理需要更多的基本參數(shù)，這些基本的參數(shù)的傳輸無法通過PWM模擬信號來實(shí)現(xiàn)。這就產(chǎn)生了對數(shù)字通信協(xié)議的需求，進(jìn)而導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)化的工作， ISO 15118 協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。

DIN 70121

基于 ISO 15118 標(biāo)準(zhǔn)的早期未發(fā)布版本.

GB/T 27930

是針對國內(nèi)電動汽車充電設(shè)施的充電接口通信這種特定應(yīng)用場景設(shè)計(jì)的通信協(xié)議。

1、IEC 61851協(xié)議

IEC 61851-1 是最早發(fā)布的定義電動汽車一般充電要求的標(biāo)準(zhǔn)之一。IEC 61851-1 定義了 4 種充電模式，其中模式 2 定義了在Pilot線上加載脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號作為 EV 和車外充電器之間的通信方式；IEC 61851-1 的模式 4 定義了通過 Pilot 信號線進(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（EV）來決定。

具體可以參照《儲能系統(tǒng)---交流充電樁（三）》

脈寬調(diào)制是一種用于對信息進(jìn)行編碼的調(diào)制技術(shù)，例如，把最大允許充電電流這樣的信息轉(zhuǎn)換為脈沖信號。它的基本工作機(jī)制是通過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(nèi)的開關(guān)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。電源打開和關(guān)閉的時(shí)間比例稱為“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線上的電壓（和地線（PE）的電壓差[V]）用來區(qū)別不同的樁和車之間的連接狀態(tài)：

2、GB/T27930協(xié)議

GB/T 27930是針對我國國標(biāo)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(tǒng)---充電樁工作原理介紹（二）》

3、DIN70121協(xié)議

DIN 70121標(biāo)準(zhǔn)是由德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會與2012年發(fā)布的用于電動車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，德國汽車行業(yè)迫切需要一份標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范市場并推出產(chǎn)品。因此，DIN 70121 帶著振興德國汽車電氣化轉(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，定義了直流充電過程中的數(shù)字通訊規(guī)范。直流充電會話中 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(qū)都已經(jīng)采用 PLC（如 HomePlug Green PHY 規(guī)范中所述）作為 HLC 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。通俗的說，DIN 70121標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了采用CP信號線作為傳輸媒介、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)沒有標(biāo)準(zhǔn)的燃眉之急。

在2014年，德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會又發(fā)布了DIN 70121:2014 Ed.2，修正了部分問題。2018年又正式發(fā)布了針對DIN 70121的一致性測試規(guī)范DIN 70122:2018。至此，CCS充電有了一整套相對完整的標(biāo)準(zhǔn)及一致性測試體系。

4、SAE J1772

協(xié)議

SAE J1772 由汽車工程學(xué)會 (SAE) 發(fā)布，用于規(guī)范不同類型的充電協(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(xì)描述了基于 DIN70121 來實(shí)現(xiàn)車輛到電網(wǎng) (V2G)通信的各類消息的時(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(biāo)準(zhǔn)，其中很大一部分篇幅涉及到交流和直流充電會話的 HLC 協(xié)議的安全性。ISO 15118 引入了兩種充電用戶身份識別方法：外部識別模式 (EIM) 和即插即充電 (PnC) 模式。EIM 類似于 DIN 70121 或 SAE J2847，其中汽車駕駛者需要在充電過程開始之前手動使用信用卡或其他的身份識別方法（儲值卡，手機(jī)APP等）；在 PnC 模式下，所需的識別和計(jì)費(fèi)信息都通過 HLC 在 EV 和 EVSE 之間自動交換，不需要駕駛員手動參與。此外，與 DIN SPEC 70121 不同，ISO 15118 允許根據(jù)電網(wǎng)容量和能源成本來智能安排充電時(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(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的電力線通訊（Power Line Communication，簡稱PLC）。簡單來說就是通過安裝在充電樁或車輛CP信號電路上的調(diào)制解調(diào)器將OFDM調(diào)制的高頻信號耦合在CP信號線上，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功能例如即插即充甚至車網(wǎng)互動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(biāo)準(zhǔn)定義了一種基于脈寬調(diào)制（PWM），是一種模擬信號。如果充電樁或汽車僅支持 IEC 61851 通信協(xié)議，5%占空比的PWM信號將導(dǎo)致以最大可用充電電流開始充電過程，直到汽車完全充滿電 - 充電站運(yùn)營商 (CPO) 不會了解到整個(gè)充電過程汽車需要多少電能或汽車希望充電過程何時(shí)結(jié)束。如果系統(tǒng)支持ISO15118，當(dāng)在充電線的 CP 引腳上測量到 5% 占空比的 PWM 信號時(shí)，充電樁和汽車之間的充電控制就會立即交給 ISO15118 。

（3）ISO15118除了傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電外，還涉及到了V2G（向電網(wǎng)回饋電能）即插即用、和無線充電部分內(nèi)容

DIN70121 不支持即插即用，這意味著：沒有通過傳輸層安全 (TLS) 進(jìn)行的安全通信，沒有數(shù)字證書，也沒有基于 XML 的數(shù)字簽名，因此真實(shí)性和數(shù)據(jù)完整性不能保證。充電樁無法向 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(biāo)準(zhǔn)的早期未發(fā)布版本，定義了電動汽車和直流充電站之間的數(shù)字通信。DC 代表直流電，這意味著 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(qū)別：

五、總結(jié)

DIN SPEC 70121 是作為臨時(shí)解決方案創(chuàng)建的，以在 ISO 15118 發(fā)布之前啟動并運(yùn)行市場。不幸的是，因?yàn)殡妱悠囀袌龅谋l(fā)式增長超過了 ISO 15118 協(xié)議產(chǎn)品成熟并達(dá)到廣泛互聯(lián)互通的量產(chǎn)速度，DIN SPEC 70121 仍然在 ISO 15118 測試研討會的各種測試裝置中盛行，在實(shí)際市場中部署的充電樁也廣泛支持 70121。從互聯(lián)互通的角度來看，相對于 ISO 15118，DIN SPEC 70121 在各個(gè)廠家的產(chǎn)品中是目前比較成熟的協(xié)議。隨著 ISO 15118 及其廣泛的附加功能迅速成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，DIN SPEC 70121 將開始逐步退出歷史舞臺。自 DIN SPEC 70121 首次發(fā)布以來，ISO 15118 系列標(biāo)準(zhǔn)有了很大的發(fā)展，這導(dǎo)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(guī)范于 2014 年發(fā)布，第 2 版剛剛開始發(fā)布。