基于HPLC+HRF 双模通信的新能源汽车智能充电终端技术研究

韦雅曼

（南宁职业技术学院，广西 南宁 530008）

0 引言

近年来，新能源汽车行业蓬勃发展，按照电动汽车行业发展计划，到2025 年，新能源汽车的新车销量将占到新车销售总额的20%。2020 年国务院办公厅发布的“新能源汽车产业发展规划（2021—2035 年）”[1]、2022 年国家发改委等多部门联合发布的“国家发展改革委等部门关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见”[2]和2023 年6 月国家总理在主持召开国务院常务会议指出，要进一步加快新能源汽车充电设施的建立，构建高质量充电基础设施体系。在政策和需求的“双重驱动”下，我国的充电基础设施建设已经走上了快速发展的道路，因此，构建高质量充电基础设施对推动新能源汽车产业发展，推动新型电力系统的建设，助力实现“双碳”目标具有重要意义。

2023 年3 月16 日，中国消费者协会对外发布“新能源电动汽车消费与公共充电桩使用情况调查报告”[3]显示，受访者表示新能源汽车充电设施有待完善，服务体验还有待提高。近6 成受访者经常遇到充电桩损坏或故障的情况：31.4%的受访者认为充电桩损坏或故障的情况非常多，27.7%的受访者认为此类情况相对较多，仅6.1%认为基本没有故障。新能源汽车用户遇到的网络问题中，其中网络不稳定导致充电失败、手机无法连接到充电桩和无法在充电桩程序上设置充电计划占了大部分。

充电终端维护不到位、解决故障不及时、品牌服务响应能力不足等问题普遍存在。尤其在网络环境复杂、信号不稳定等地方，如在商业地下停车场、居民小区、偏远地区等无信号、信号弱或覆盖面积大的区域，暴露出的充电终端通信可靠性差、延迟大、无法使用或故障抢修不及时等问题，用户的体验感将降低，同时投诉率也会增加。因此亟需加快新能源汽车充电终端的相关通信技术和机制创新，进一步提升充电终端的通信质量和效率。

对新能源汽车智能充电终端的基于HPLC+HRF双模通信技术进行研究，双模通信技术可以实现HPLC 和HRF 自由切换，保证了通信的稳定性和及时性。该充电终端无需布置网线、交换机和路由器等，直接通过载波电力线即可完成信息的传输，减少故障点的出现，云平台监测到相应的故障并及时抢修，解决充电终端通信可靠性差、延迟大、无法使用或故障抢修不及时等问题。

1 充电终端的通信技术概述

1.1 高速电力线载波通信

高速电力线载波通信（High-speed Power Linecarrier Communication，HPLC）是一种通过低压电力线传输数据的宽频电力线载波技术，具有高速率、实时性、高抗干扰、高传输、可实现芯片间的互连等优点，可以满足目前家用和其他用电设备对信息收集的需要。然而，随着电力电子装置及变频器的广泛使用，电网的电磁环境日趋复杂，使得电力线载波通信的环境日趋恶劣，导致故障报告成功率较低，单跳通信距离较短，网络中存在“孤岛/孤点”现象。传统的PLC 通信模式面临着网络覆盖范围、通信可靠性和部署经济性等方面的巨大挑战，而传统的单一PLC 通信模式已不能满足新能源汽车充电终端的智能化需要。

1.2 高速无线通信

高速无线通信（High radio frequency，HRF）是指多个节点间不经由导体或缆线传播进行的远距离传输通信，因具有低功耗、灵活组网等优点，逐步成为场域网络构建中的一种主要信息传递模式[4]，它能避免电力线路中的各种干扰与噪音，克服了孤岛/孤点、停电报告成功率低、单跳通信距离短等缺点，是HPLC通信的一种有效补充。然而，HRF 通信也易受外界环境的干扰，特别是在建筑、地下停车场等复杂的环境中，存在着信号衰减严重、信号盲区等问题。

1.3 双模通信

双模通信是基于高速电力载波通信（HPLC）+高速无线通信（HRF）技术的一种新型通信方式，将HPLC+HRF 相结合的双模通信技术，实现HPLC 和HRF 技术的优缺互补，通信方式既能选择电力线传输又能选择无线传输，通过双信道同时发送，提高数据采集的可靠性，保证通信效率和通信可靠性。双模通信的充电终端系统涵盖各类数据采集、自动组网、自动中继、双模通信自动切换、远程费控、远程校时、信息主动上报等功能，具有HPLC、HRF 等单一通信模式无法比拟的优势，包括：双模自动切换、通信链路稳定、通信速率高及抗干扰能力强等。

中国的学者和科研单位在双模通信方面做了一些研究，张春玲等[5]提出了一种基于HPLC＆HRF 双模系统中新的导频设计方案，增加了导频的频域密度，以更好地适应频率选择性高的信道，导频开销得到有效降低。李波等[6]提出了双模通信技术的系统测试方案，在实验室环境下模拟各种工况环境，为找出和凸显对应的双模通信方案可能存在的问题奠定基础。黄瑞等[7]为提高配用电场域网连通率和传输效率，构建了具有高速电力线载波和微功率无线通信能力的配用电双模异构场域网，减少了网络层级，提高了传输效率。目前各大企业以及高校对双模通信技术等方面进行了相关研究，但大多数的研究面向的是传统家庭和社区用电[6]，大范围应用于新能源汽车智能充电终端的基本没有。

2 智能充电终端系统

2.1 智能充电终端的组网架构

针对基于双模通信技术的新能源汽车智能充电终端系统的组网架构如图1 所示，可以划分为三部分：新能源汽车用户的客户端、智能充电终端硬件系统和新能源充电云平台。新能源汽车用户通过客户端对智能充电终端扫码或刷卡进行充电，充电终端的数据通过双模通信技术实时将数据上传至汇聚终端，汇聚终端再将数据通过4G/5G/以太网上传至新能源充电云平台，基于双模通信技术的网络架构支持上下行全双工通信的信息交互，保证了通信的稳定性，杜绝了智能充电终端因高楼、场地偏远或地下停车场等出现信号较弱或信号盲区，用户无法扫码进行充电和无法结算问题，该网络组织架构可以减免设备在通信信号较差的场地不得不布置网线的问题，从而减少了充电终端的建桩的成本，更有利于新能源汽车智能充电终端的推广和使用。

图1 智能充电终端的系统组网架构

2.2 智能充电终端的硬件系统

根据智能充电终端的功能需求，智能充电终端硬件系统可以分为7 个单元模块，如图2 示，其中包括：控制各模块交互并处理各数据信息的主控模块，上传实时状态信息数据和接收控制指令的通信模块，给各个模块进行供电的电源模块，进行过压、欠压、过流、过热、短路和漏电保护的安全防护模块，对充电电压、电流进行监测和计量的电能计量模块，采样充电接口电压与车载充电机进行通信的控制引导模块及人机交互模块。各模块之间相互协调，共同完成充电、计量、监测和安全的需求。

图2 通信控制通信协议数据流程

3 充电终端的双模通信

3.1 双模通信模块

智能充电终端和汇聚终端均装有双模通信模块，智能充电终端通过双模通信模块将数据信息与汇聚终端进行交互，再与新能源汽车云平台进行信息交互，实现了双向数据传送和通信。该设计采用东软6代SSC1663 芯片，采用OFDM 通信技术，频段范围为1.95 ～11.96 MHz，通信速率为100 kbps ～25 Mbps。国内绝大部分家电和工业设备频段都在1 MHz 以下，对窄带载波干扰较大，而采用的SSC1663 芯片可以远离噪声干扰，通信质量高。芯片支持512 路子载波，可以根据电力线环境变化，自动切换子载波，以避开信道干扰信号，稳定通信链路。支持AES128 加密，支持WAPI 加密传输协议，保障信息数据可靠安全传输。

从表1 中数据可以看出，双模模块在静态功耗、抗衰减性能、抗白噪声性能、抗窄带干扰性能、抗脉冲干扰性能上均有显著提升。尤其在停电上报率上，实现上报漏报率小于2%，误报率达到0%，极大地提升了通信能力。

表1 双模模块与单模模块性能对比

3.2 充电控制通信协议

依靠HPLC 和HRF 的双模通信来进行数据传输，在充电终端中采用东软6 代SSC1663 芯片，通信满足基于DL/T645 的充电协议，充电终端采集完数据并进行数据处理，完成后就传输给双模通信模块再传输到汇聚终端，最后上传到云平台。本研究的基于HPLC 和HRF 的双模通信技术，自主设计了充电控制通信协议，具体描述了充电终端中的主控模块的充电控制单元（CCU）与电能计量模块中计费控制单元（TCU）、充电终端中数据传输单元（DTU）以及汇聚终端之间的通信。

充电终端上电后，主动连接汇聚终端，连接成功后，充电终端先发送签到登录报文给汇聚终端，充电终端收到签到应答成功后，等待汇聚终端发送对时，对时成功后进入正常交互流程。未收到对时，充电终端持续发送签到，直到对时成功。当用户对充电终端进行扫码或者刷卡时，发送充电请求的数据帧，充电终端收到消息后，再上传到汇聚终端，与云平台建立连接。在通信成功后加入心跳包机制，确保可以长久和正确地进行通信。串口通信协议中数据帧格式如图3 所示。

图3 数据帧格式

帧起始符是0x68H，标志一帧信息的开始。地址域由6 个字节构成，取桩编码的后6 个字节。控制码的高字节为表示传输方向，其中0001B 为请求，1001B 为应答。低字节功表示功能码，用于区分不同的命令帧。数据域长度表示整个数据域的字节数，其中数据包含充电终端编号（充电终端唯一标志）。该检验代码是从该第一个帧起始符直到该检验代码之前的每个字节的模256 的总和，也就是每个字节二进制的算术总和，并且没有任何超出256 的溢出被计算在内，而结束符则是Ox16H，作为识别了一个数据帧帧的信息的结束。

其中，控制码编码列见表2。

表2 控制码编码

3.3 双模信道选择

充电终端与汇聚终端之间可以进行三种方式的通信。当检测到只有无线能成功通信时，选择无线通信方式；当检测到只有电力线能成功通信时，选择电力线通信方式；当两种方式都能成功通信时，比较两种通信的接收信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI），按照预定的流程判断进行相应的通信方式选择。通过这种双模通信方式能提高通信的成功率，如遇到问题可以及时进行故障上报。图4 为通信信号主路和辅路示意图，主路为充电终端与汇聚终端的直接通信链路，跳数较少；辅路为充电终端通过相邻充电终端再到汇聚终端的间接通信链路，跳数较多。

图4 双模通信信道选择

双模信道选择流程如图5 所示，首先，通过周期发送网络维护报文交互双向信息，获得与汇聚终端的主路和相邻充电终端的辅路通信的接收信号强度（RSSI），依次进行判断。当主路无线通信的RSSI 大于-80 dBm 时，选择无线通信方式进行通信，否则当主路有线通信的RSSI 大于15 dBm 时，选择有线通信方式进行通信；在主路通信质量均不满足的情况下，当辅路无线通信的RSSI 大于-80 dBm 时，选择无线通信方式进行通信，否则当辅路有线通信的RSSI大于15 dBm 时，选择有线通信方式进行通信；最后，如果主路和辅路的通信质量均不满足时，则进行下一个循环判断，超过5 min 均不满足通信条件时，则进行故障上报。

图5 双模信道选择流程

总的来说，充电终端实时评估主路和辅路的有线信道和无线信道的传输成功率和信号质量，当主路无线信道受空间特性变化影响通信信号质量时，评估主路有线信道。同理，当主路有线信道受电力线环境影响，通信信号质量较差时，评估辅路无线信道，当辅路无线信道受空间特性变化影响通信质量时，评估辅路有线信道，最终选择较好的一方进行通信。

3.4 通信性能测试

影响通信可靠性的因素有很多，比如所处的地理环境、电磁环境、信噪比和系统抗干扰能力等。在某小区地下室针对基于双模通信技术的新能汽车充电终端进行通信可靠性测试，并与传统的只基于电力载波通信（HPLC）和基于无线通信（HRF）的单一通信方式的充电终端进行对比。其中，汇聚终端负责对所管辖的智能充电终端进行管理，以6 s 一次的时间间隔对终端设备的数据进行采集，一共取3000 次收发数据成功率的平均值。我们从数据传输的上下行成功率和整个通信网络的信噪比等技术指标对通信的可靠性进行对比。结果如图6 所示。

图6 HRF、HPLC 和双模通信技术上下行数据传输成功率

由此可见，基于双模通信技术的上下行数据传输成功率为97% ～99%，基于单一的HPLC 通信技术的上下行数据传输成功率为92% ～94%，基于HRF 通信技的通信上下行的成功率为90% ～92%。因此，基于双模通信技术的通信可靠性比基于单模通信技术的可靠性更高。

3.5 新能源汽车云平台

智能充电终端接入到新能源汽车运营商云平台，云平台可以根据充电终端的接入、充电情况，进行智能充电终端的管理，其中包括监管沙盘、充电站管理、充电终端管理、充电接口管理、充电订单管理、运营监控等。通过云平台的大数据分析，可以有效地管控各区域充电桩/站的实际运行情况，分析新能源汽车智能充电终端的充电状态，智能充电终端通过采集和记录充电历史数据和充电规律，为后续充电桩终端区域规划设计和运营管理提供数据支撑，提高充电终端的使用率。云平台后台监控部分界面如下所示。图7 为充电终端的接口管理，可以监测目前充电终端的在线和离线情况。

图7 充电终端的接口管理

4 结语

对基于HPLC+HRF 双模通信的新能源汽车智能充电终端技术进行研究，自主设计了充电控制通信协议，使得双模通信技术可以实现HPLC 和HRF 自由切换，比单一模式的通信方式更稳定和可靠，保证了通信的稳定性和及时性；无需布置网线、交换机和路由器等，直接通过载波电力线即可完成信息的传输，减少故障点的出现，并且通过云平台监测到相应的故障并及时抢修，解决充电终端通信可靠性差、延迟大、无法使用或故障抢修不及时等问题。