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工作论文 | 2021年 4月 | 1 工作论文 建立电动汽车与电网协同的通信协议体系： 国际经验借鉴、国内外对比与对策建议 薛露露 熊英 朱晋 著 OPEN COMMUNICATION PROTOCOLS FOR VEHICLE GRID INTEGRATION IN CHINA: GLOBAL EXPERIENCES AND LOCAL RECOMMENDATIONS 引用建议：引用建议： 薛露露（世界资源研究所）、熊英（中国电动 汽车百人会）、朱晋（中国电动汽车百人会）著 . 建立电 动汽车与电网协同的通信协议体系：国际经验借鉴、国内 外对比与对策建议 . 2021. 工作报告 ， 北京 ： 世界资源研究 所. “工作论文”包括初步的研究、分析、结果和意见。“工 作论文”用于促进讨论 ， 征求反馈 ， 对新事物的争论施加 影响。工作论文最终可能以其他形式进行发表 ， 内容可能 会修改。 目录 执行摘要 . 1 Executive Summary . 2 背景 . 2 车网协同的通信协议体系 . 3 通信协议评价框架 . 6 协议体系 . 6 单一协议 . 6 针对不同通信协议的评价 . 8 车-桩通信协议 . 8 桩-充电运营商通信协议 . 10 电网-分布式资源通信协议 . 12 协议的选择 . 14 结论与建议 . 17 引用 . 19 执行摘要 随着电动汽车与充电基础设施的普及，有必要支持电动汽车 与电网协同发展，通过电动汽车有序充电与双向充放电，实现电力 平衡、削峰填谷与辅助可再生能源的消纳。 然而，中国实现电动汽车与电网协同的主要技术阻碍之一是 缺乏支持车-桩-网互联的开放、标准化的通信协议体系。通过国内 外车-桩-网通信协议的对比，本研究发现，国内目前车-桩间、桩- 运营服务商间、电网-分布式资源间通信协议的标准化程度、车网 协同支持度、信息传输丰富度及网络安全性均有待提升。 随着充电桩纳入“新基建”，其不仅会数量增加，也会更加 数字化与智能化。为提升中国充电行业的竞争力，避免充电技术快 速迭代导致的资产搁置，本研究建议： 加强车网协同的标准体系的建设：调整车-桩充电国家标 准，补充现有桩-充电运营商通信协议，建立统一的电 网-分布式资源标准，系统提高车-桩-网通信网络的安全 性，建立车网协同用例库和实施架构，加强协议体系的 普及和推广。 确保该标准体系的顺利实施：完善充电设备及车辆的一 致性测试，加强桩企、车企对标准的执行力度；完善相 关电力基础设施建设，建立电网数据共享标准。 2 | EXECUTIVE SUMMARY The rapid penetration of plug-in electric vehicles (PEVs) and charging infrastructure entails the need of harnessing PEVs load flexibility and storage capacity to friendly integrate into the grid system. Through Vehicle Grid Integration (VGI) measuresmanaged charging and Vehicle-to-Grid(V2G), PEVs can be conducive to balancing the electricity system, reducing costly grid upgrade, and supporting large renewable integration. However, one of the primary technological barriers to implement VGI in China is the lack of open and interoperable communication protocols among PEVs, Electric Vehicle Charging Stations (EVSE), Charging Point Operators (CPO)/aggregators, and utilities (like Distribution Service Operators, DSO) that enable VGI. Based on the investigation of the prevailing international and domestic communication protocols (including open and proprietary ones) used in VGI pilots, this study unravels that Chinas current PEV-EVSE standard (GB/T 27930) doesnt support VGI, EVSE-CPO and CPO-DSO protocols are mainly proprietary with the absence of VGI functionality, all the protocols have weak cybersecurity protection. With the large roll-out of charging infrastructure investments as a part of the “New Infrastructure” stimulus plan, charging facilities will not only grow in quantities, but also become smarter and interoperable. To avoid stranded asset dilemma and expensive hardware updates, and to create a leveling playground for charging facilities, the study recommends: Step up the standardization process for the hierarchy of VGI-capable protocols, including amendments on the PEV-EVSE standard (GB/T 27930), expansion of the functionalities and the adoption of the open EVSE-CPO protocol (T/CEC 102), the standardization of the CPO-DSO protocol, and the development of standard VGI use cases based on the trove of VGI pilots (also underscoring the needs to explore diverse VGI business models and use cases) as well as the systematic enhancement of the cybersecurity measures. The protocols should also be updated or developed with sufficient “backward compatibility” and clarity to avoid interoperability conflicts. Ensure the widespread adoption of the hierarchy of VGI-capable protocols, including revisions on the conformance testing protocols, consideration of official certification of products compliant with the protocols, and the openness of distribution data by utilities. 背景 电动汽车的普及对电网造成了巨大的挑战。然而，与常规负 荷不同，电动汽车既可作为可调节负荷，也可作为移动储能设施。 对电动汽车进行智能控制，不仅可降低其对电网的负面影响，还可 抑制电网供需双侧的随机性，在高比例可再生能源渗透下为电力平 衡提供支撑。利用电动汽车的灵活负荷特性与储能功能，可通过电 动汽车有序充电、电动汽车双向充放电，实现上述的电动汽车与电 网协同（以下简称“车网协同”或“VGI”）。 根据国务院出台的新能源汽车产业发展规划（20212035 年），实现车网协同，需要“建立新能源汽车与相关产业融合发 展的综合标准体系”，打破车-桩-网不同主体间的信息交互隔阂。 建立互操作性强的车-桩-网通信协议体系的益处在于： 降低车网协同试点的实施成本：中国实现车网协同的主 要技术阻碍之一是缺乏支持车-桩-网互联的开放、标准化 的通信协议体系（薛露露等 2020）。在标准体系缺失的 情况下，车网协同试点需要扩展现有协议或自定义私有 协议，这些都会增加车网协同试点的实施难度与成本。 避免技术更新导致资产搁置：充电桩作为中国“新基 建”的重要组成，正经历互联互通、智能化带来的技术 迭代升级。扩展性好的通信协议可以更好地支持车辆和 充电桩间、充电桩与运营商间，以及运营商之间的信息 交换，避免未来高昂的设备升级成本与充电资产搁置的 问题。 保障国内充电服务市场的公平竞争：开放标准可大幅提 升充电设备兼容性，降低设备生产成本。设备生产企业 可规避产品定制化导致的高成本，充电运营商可无缝接 手其他运营商转让的充电桩资产，整个市场也能避免垄 断或专利壁垒导致的成本提升。 打破技术与贸易壁垒、拓展国际市场：制定标准可帮助 中国在世界多边贸易体系中提升竞争力，提供参与国际 电动汽车有序充电： 简 称“ 有 序 充 电 ”， 指 通过运用经 济或技术措施进行引导和协调，按照一定的策略对电动汽 车进行充电。 电动汽车双向充放电 （ V2G）：电 动 汽 车 动 力 电 池 通 过 充放电装置与电网相连，作为储能单元参与电网能量平衡与 辅 助 服 务 ，实 现 双 向 能 量 流 动 。 建立电动汽车与电网协同的通信协议体系:国际经验借鉴、国内外对比与对策建议 工作论文 | 2021年 4月 | 3 贸易的可能。目前，很多国家通过严格本国标准，限制 进口、保护国内市场，或通过参与制定国际标准，占 据国际竞争的有利地位。随着车-桩充电标准如日本的 CHAdeMO标准、欧美的Combined Charging System （CCS）等纷纷支持车网协同，中国也有必要出台与国 际接轨的标准，带动相关技术与产业发展，提升中国在 国际标准制定过程中的参与度。 国际上，尽管支持车网协同开放的通信协议体系仍处于发展 的早期，但一些国家与地区已要求使用标准化的通信协议（或设 备）。例如： 早在2014年，美国加利福尼亚州电力调度中心 （CAISO）牵头，州长办公室、州能源委员会、州公共 事业委员、州空气资源委员会参与一道编制了加利福 尼亚州电动汽车和电网协同路线图电动汽车作为电 网资源（加利福尼亚州电力调度中心等 2014），要求 整车厂、充电运营商、电网企业等必须采用公开协议， 而非自定义的私有协议，避免在行业发展早期形成市场 垄断。 英国交通运输部（2019）则要求，所有新增的非公共充电 桩必须支持有序充电。为此，英国计划在国家标准中强制 所有充电设备在出厂时安装能够与本地智能电表通信的设 备，通过智能电表接受电网调度，执行有序充电。 为推动国内及早筹划与建立支持车网协同的通信协议体系，本研 究通过梳理和对比国内外通信协议进展及经验，提出国内完善支持车 网协同的通信协议的建议。本研究探讨的通信协议仅指应用层协议， 物理层及数据链路层的通信协议（见专栏一）不在讨论范畴。 车网协同的通信协议体系 支持车网协同的通信协议体系由车-桩-网的一系列通信协议组 成（表1），包括： 车-桩通信协议，为车辆充电协议，如中国的充电相关国 家标准、欧美的CCS标准、日本的CHAdeMO标准等。 桩-充电运营商或负荷集成商通信协议，简称桩-充电运营 商通信协议，负责桩与充电运营商（或负荷集成商）之间 的通信。 电网-分布式资源通信协议，负责电动汽车与电网、充电 桩与电网、充电运营商（或负荷集成商）与电网之间的通 信。另外，该协议也可用于车网协同的另一模式电动 汽车充换电站与电网协同中。 其中，车-桩通信协议称为前端协议，桩-充电运营商和电网- 分布式资源通信协议统称为后端协议。后端协议之间在功能上存在 重合，为车网协同协议选择提供了更多的余地。 表 1 | 国内外车网协同相关通信协议梳理 类型 车网协同 应用 通信协议 国外标准 中国标准 前端协议 车 - 桩通信协议 配网侧 全网侧 IEC 61851-24电动汽车和充电桩之间直 流充电控制数字通信 SAE J1772电动及插电混合动力汽车传 导式充电接口（ 北美地区 ） ISO/IEC 15118-2电动汽车和电网间的通 信接口 CHAdeMO 2.0电动汽车快速充电标准 （ 日本 ） GB/T 18487电动汽车传导充电系统 GB/T 27930电动汽车非车载传导式充电 机与电池管理系统之间的通信 后端协议 桩 - 充电运营商通 信协议 配网侧 全网侧 OCPP开放充电协议 IEC 63110管理电动汽车充放电基础设 施的协议 运营商自定义的私有协议 T/CEC 102电动汽车充换电服务信息交换 电网 - 分布式资源 通信协议 全网侧 OpenADR开放式自动需求响应协议 IEEE 2030.5智能能源配置文件应用协 议 电网自定义的私有协议 DL/T 1867电力需求响应信息交换规范 4 | 根据车网协同应用、参与主体的差异，国际上，车网协同的 实现路径有五种Smart Electric Power Alliance（SEPA） 2020， 每条路径的通信协议组合不同（图1）： 路径一：充电桩作为与电网互联的“智能”分布式资源， 接受电网企业直接调度，通常应用于配网侧，如缓解配网 增容投资或改善配网电能质量，采用电网-分布式资源或 桩-充电运营商通信协议。例如，英国电网通过在居民家 中安装标准化的智能电表，控制充电桩执行有序充电。 路径二：电动汽车作为与电网互联的“智能”分布式资 源，接受电网企业直接调度。该路径需要整车厂支持，在 车侧加装通信模块，用于建立电网企业与车辆之间的通 信。该路径常见于交流充（放）电的场景，多采用电网- 分布式资源通信协议。例如，美国加利福尼亚州试点通过 配变台区的控制器，利用IEEE 2030.5标准与电动汽车建 立通信，调度车辆进行有序充电和V2G，提供配网侧服务 （加利福尼亚州能源局 2019）。 路径三：充电运营商（负荷集成商 1 ）对“智能”充电桩 进行管理，或聚合起来接受电网调度。对比路径一和路径 二，路径三增加了充电运营商的中间环节，通常应用于配 网侧和全网侧车网协同，需要电网-分布式资源通信协议 与桩-充电运营商通信协议捆绑使用。例如，丹麦负荷集 成商就采用该路径组织电动汽车在北欧多个区域电力市场 提供调频辅助服务（Calearo & Marinelli 2020）。 路径四：本地（建筑）能源管理系统对场地内“智能”充 电桩进行管理，或聚合起来接受电网企业调度。该路径通 常应用于配网和全网侧车网协同，需要多个通信协议捆绑 使用。 路径五：复合路径，即路径三、路径四的不同组合。 图 1 | 国际：车网协同的实施路径与通信协议体系 电网 充电桩 电网 -分布式资源 车 -桩 电网 -分布式资源 电网- 分布式资源 桩 -充电运营商 车 -桩 电网- 分布式资源 桩 -充电运营商 车 -桩 电网- 分布式资源 桩 -充电运营商 车 -桩 充电 运营商 本地（建筑） 能源 管理系统 电动汽车 充电运营商/ 负荷集成商 本地（建筑）能源管理系统 负荷集成商 来源 :SEPA 2020 年 建立电动汽车与电网协同的通信协议体系:国际经验借鉴、国内外对比与对策建议 工作论文 | 2021年 4月 | 5 物理层和数据链路层的协议包括有线连接和无线连接。有线连接包括电力线通信（ PLC）和控制器局域网络（ CAN），无 线 连 接 包 括 短 距离无线通信（ Wi-Fi、蓝 牙）和广域 网无 线 通 信（ 4G、 5G移 动 通 信 技 术 ）（专 栏 图 1）。 车 网 协 同 协 议 中，车 -桩间应用层协议对物理层和数据链路层的依赖度较高，物理层和数据链路层协议的底层兼容性会影响应用层 协 议 的 兼 容 性 。例 如 ，欧 美 CCS标准的 ISO/IEC 15118选择了基于 HomePlug Green PHY 宽带的 PLC通信技术，提供稳定的大数据量传输，但这一选 择导致 CCS标准与使用 CAN总线的 CHAdeMO标准及中国国家标准无法兼容。 与车 -桩间应用层协议不同，后端协议均基于 TCP/IP架构，且各物理层与数据链路层协议都很好地支持 TCP/IP架 构 ，因 此 后 端 协 议 底 层兼容性更好。 专栏 1 | 物理层与数据链路层协议 来源：根据 SEPA2017 年的研究修改。 专栏图 1 | 车网协同不同物理层和数据链路层的传输方式 电网 电动 汽车 充电桩局域网网线 充电桩智能电表 充电桩手机信号基站 充电桩路由器 充电运营商或负荷集成商 光纤、移动通信4G或 5G等 光纤、移动通信4G、 5G 局域网网线 移动通信4G、 5G RS485或 PLC RS485或 PLC CAN或 PLC CAN或 PLC CAN或 PLC CAN或 PLC 4G、 5G 移动通信4G、 5G 6 | 通信协议评价框架 本研究从协议体系和单一协议两个维度评价现有通信协议。 其中，协议体系关注协议体系的完整性及不同协议间的衔接；单 一协议关注信息传输的完整性、实时性、车网协同支持程度及网 络安全性（表2）。本研究以“是否会影响车网协同实施”为标 准，定义各指标的重要度。例如，协议传输实时度差、协议间的 衔接度不良等，不会从根本上影响车网协同的实现，因而重要度 不高。 3.1 协议体系 体系的完整性和协议间的衔接度：支持车网协同，需要打通 电动汽车、充电桩、充电运营商、电网企业间的传输通道，形成 标准、规范的信息交互机制。所以，仅靠车-桩间的充电标准并不 充分，仍需要后端桩-充电运营商通信协议及电网-分布式资源通信 协议，才能实现车-桩-网的互联互通。缺失的交互环节也是需要制 定新协议之处。 前端协议与后端协议之间也要良好衔接，包括信息交互项的 一致性如电池荷电状态（SOC） 2 、电网参数等、身份认证在不 同主体间传递与验证、传输时序的衔接程度等。国际上，修订某 环节协议时，也会参考其他环节的协议内容，以保证通信链路的 完整性。但值得注意的是，确保协议间的衔接度的重要前提是整 个车网协同通信链路上协议体系的完整性，加强协议间的衔接是 完善协议体系后的补充工作。 3.2 单一协议 标准化程度与普及度：整体看，车-桩通信协议的标准化 水平与普及程度高。后端协议即桩-充电运营商和电网-分布式 资源协议，虽然已有一些国际通用协议，但仍处于推广的初期 （Neaimeh & Andersen 2020）。在中国，一方面，国家标准、 行业标准、团体标准在普及程度上存在差异；另一方面，个别环 节协议仍盛行企业自定义的私有协议。 车网协同控制支持度：支持车网协同，需要将配网和全网相 关的控制信息传递到每个桩（车），调整电流方向和充放电功 率。值得注意的是，支持车网协同的电网参数随车网协同应用而 异。例如，配网侧应用聚焦于配变台区安全运行的信息，如负荷 上限（防过载）、无功功率等，而全网侧应用则关注聚合的负荷 曲线等信息，、需要根据具体应用选择通信协议（图2）。 同时，扩展车网协同功能后，现行协议很可能面临软硬件不 兼容的挑战。例如，ISO15118-20和OCPP虽然即将支持车网协 同，但也将付出无法向后兼容的代价。如何平衡协议功能升级与 向后兼容间的矛盾是标准制定机构需解决的问题。 信息传输丰富度：实现车网协同，也需要通过协议收集车辆 信息，如车辆身份信息、差异化的充电量与出行计划，并将这些信 息传递到充电运营商或电网企业的后台系统，“定制”每辆车的协 同策略（图2与表3）。然而，一些车-桩、桩-充电运营商通信协议 并不支持这些信息的交互，不仅会影响车辆日常出行，更会降低电 动汽车提供的电网服务质量如产生容量或电能量偏差。 虽然一些国内外车网协同试点选择通过负荷集成商自行开 发的手机APP应用获取车辆侧信息，但这种方式容易影响用户 体验。例如，加利福尼亚州能源局（2019）的多个有序充电 试点表明，用户手动填写的目标充电量存在信息准确率低的问 题74%的用户会高估充电量，可能带来容量与电能量预测 偏差，剩余26%的用户则会低估充电量，影响出行便利性。因 此，理想方案是尽可能地利用通信协议“自动化”地从车辆侧 读取信息。 表 2 | 本研究采用的车网协同协议的评价框架 维度 指标 重要度 说明 协议体系 体系的完整性 高 车 - 桩 - 网间开放协议体系的完整性，是否缺失某一环节的通信协议 协议间的衔接度 中 不同协议在数据定义、通话格式、传输时序等方面的衔接程度 单一协议 标准化程度与普及度 高 协议是否为公开标准，是否在行业内广泛推广 车网协同控制支持度 高 是否支持有序充电与 V2G 控制，支持车网协同后是否会影响“向后兼容性” 信息传输丰富度 高 是否支持车网协同的必要信息交互 信息传输实时度 中 是否支持高时间精度的车网协同应用（如调频） 网络安全性 高 是否能有效避免网络攻击 建立电动汽车与电网协同的通信协议体系:国际经验借鉴、国内外对比与对策建议 工作论文 | 2021年 4月 | 7 图 2 | 车网协同相关信息交互示意 说明：灰色矩形为控制焦点，即该对象在刻时间内执行操作。opt 为可能发生或不发生序列。 表 3 | 车-桩-网通信协议中从车辆侧收集的数据项 信息类型 新增的数据项 必要信息 充电桩提供的充（放）电服务（如 V2G）列表与用户选择 车辆身份信息 3 车辆初始 SOC 状态与电池容量（即车辆目标充电量） 车辆允许的（充）放电流限值 可选信息 车辆离开时间 车辆最高、最低充电量 车辆并网状态监测（仅针对交流 V2G） 来源：根据 Martinenas2017 年的研究修改。 车网协同控制 通用： 充放电电流、功率控制 配网测应用： 配电台区安全稳定运行，负荷上限（防过载）、无功功率、功率因数等 全网测应用： 全网侧服务要求，如（调峰）聚合负荷曲线、频率控制、动态价格信号等 车网协同信息收集（信息丰富度）： 车辆身份信息、充电量、充放电电流限值等 车 充电运营商/负荷集成商充电桩 电力调度机构 （车辆身份信息、 服务选择、充电量SOC、最大 允许充放电电流、 离开时间，等等） （车辆身份信息、 实时充放电电流与电压控制） （车辆身份信息、 桩 ID、充电量SOC、 最大允许充放电功率、 离开时间，等等） （车辆身份信息、 计划充放电功率曲线、 负荷上限、并网要求等） 车辆信息 有序充电、V2G控制 车辆信息 车辆信息 调度信号下发 聚合资源的数据申报 （目标区域与资源识别码、 动态价格信号、计划负荷曲线、 负荷上限、频率控制、 并网要求如无功功率等） （资源识别码、聚合等充放电容量、 充放电时间、聚合功率调节速率等） opt 8 | 信息传输实时度：部分车网协同应用（如调频）对通信的实 时性要求高，响应时间和实时性分别要在1530秒与13秒。 车-桩-网通信的链条上，车-桩通信是所有车网协同应用的必经环 节，所以车-桩通信的响应时间与实时性必须至少维持在百毫秒 级内（Martinenas 2017）。而桩-充电运营商、电网-分布式资源 通信的实时性通常由互联网网络连接情况决定，适于响应时间在 分钟级的应用（如需求响应、调峰）。若要实现秒级响应，必须 通过硬件手段解决，如配备光纤专用通道，利用更稳定的5G通 信技术，或采用就地响应机制 4 。 网络安全性：当大量电动汽车聚合起来接受远程控制时， 任一环节受到网络攻击，不仅会泄露个人支付信息、影响出 行，而且会损坏硬件设备，甚至危及电网运行安全（Carlson & Rohde 2018）。因此，保障车-桩-网通信协议的网络安全是 国际社会关注的重点。例如，修订后的ISO 15118-20将大幅提 升网络安全级别：利用公钥基础设施方法与“传输层安全协议 （TLS）1.2”加密所有交互的信息，防止针对重要数据的篡 改、窃听与网络攻击 5 。 针对不同通信协议的评价 4.1 车-桩通信协议 标准化车-桩通信协议是充电兼容的必要条件，也是扩大电 动汽车市场份额、建立贸易壁垒的重要举措。随着国际上充电 标准与电动汽车市场的竞争日益白热化，提高充电标准有利于 提升我国充电行业的准入门槛与产品质量，加强竞争力。 自2010年起，日本、美国、欧洲及中国纷纷开始出台各 自的车-桩充电标准，不仅包括充电接口标准，也包括通信协 议，如IEC 61851-24、欧美CCS标准下的ISO/IEC 15118、日本 CHAdeMO标准及中国国家标准GB/T 18487和GB/T 27930。 IEC 61851：国际电工委员会（IEC）编制的IEC 61851标准 包括交流与直流充电接口标准、电动汽车与直流充电站 的通信标准（IEC 61851-24）等。 IEC 61851集成了中国 直流充电国家标准、日本CHAdeMO标准与欧美CCS标 准，如IEC 61851-1充电一般要求主要基于交流充电SAE J1772标准编写。中国直流充电国家标准与IEC 61851契 合度高。 ISO/IEC 15118： ISO/IEC 15118是欧美CCS标准中高等级通 信采用的标准，支持车辆与充电桩间更复杂的信息交 互。对比其他标准，ISO/IEC 15118在功能上具有显著优 势，不仅是唯一支持基于分时电价充电、兼顾有线与无 线充电及允许充电控制模式切换的标准，也在网络安全 方面率先支持公钥基础设施加密。 CHAdeMO： CHAdeMO标准是由日本主导的充电标准， 包括充电接口、通信等。与欧美CCS标准与中国国家标 准不同，CHAdeMO标准仅支持直流充电。 GB/T 18487和 GB/T 27930：中国充电国家标准于2015年出 台，支持交流与直流充电。在通信方面，国家标准主 要包括GB/T 18487.12015电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求、GB/T 279302015电动汽车 非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议 （直流充电）。随着中国与日本共同编制的ChaoJi标 准的出台，中国充电国家标准正与日本的CHAdeMO 标准接轨、迈入世界先进行列。为此，国家标准的直 流充电部分已进入修订阶段，修订后的国家标准不仅 将支持更大功率范围的充电（如大功率快充），也有望 支持车网协同。 由于交流、直流充电协议的功能与对车网协同的支持度存在 明显差异，以下将分别对交流、直流充电协议进行讨论。 4.1.1 交流协议 交流协议主要包括IEC 61851-1、SAE J1772和ISO 15118， 以及中国国家标准GB/T 18487。 车网协同控制支持度：除ISO 15118外，交流标准均不设物 理通信线路，而是通过电力线传输PWM信号车辆OBC上 的控制器实时判断充电桩发出的PWM信号占空比，结合电池状 态，决定车载充电机的输入电流。 交流充电能在一定程度上支持有序充电：充电桩侧安装的 控制器件接收负荷集成商的控制后（采用桩-充电运营商通信协 议），动态调整充电桩输出的PWM信号占空比，实现对电动汽 车的充电启停控制与功率调节。 与有序充电相比，交流标准支持V2G的难度更大，不仅涉 及通信协议本身的修订，也牵涉车辆硬件设备的改造。为支持 V2G，首先，需在车侧加装直流转交流的逆变器，但国际上安装 车载逆变器所遵循的SAE J3072标准与国际通用的分布式电源的 逆变器标准UL 1741的并网要求并不兼容；其次，对于中国国家 标准而言，车侧还需加装通信装置，弥补物理通信线路的不足。 信息传输丰富度：交流标准的交互内容存在局限由于 缺乏对必要信息的采集，智能控制的后台无法获得足够的车辆 信息，为每辆车定制有序充电的控制策略。 所幸，随着充电国家标准鼓励“直流化”，直流充电支持 车网协同所需的软硬件调整更少：在通信协议方面，仅需修订 直流标准；在硬件方面，车载充电机将从车上取下，仅需在充 电桩侧增加具有V2G功能的功率模块，即可支持V2G（图3）。 建立电动汽车与电网协同的通信协议体系:国际经验借鉴、国内外对比与对策建议 工作论文 | 2021年 4月 | 9 4.1.2 直流协议 直流协议主要包括日本的CHAdeMO、CCS标准的ISO 15118及中国国家标准GB/T 27930。 车网协同控制支持度：国际上仅CHAdoMO标准支持直流 有序充电和V2G；CCS标准仅支持有序充电，而支持直流与交流 V2G的ISO 15118-20将于2021年左右发布，并于20232024 年进入商业推广阶段。 中国直流充电国家标准仍需加强对有序充电和V2G的支 持。在有序充电方面，国家标准GB/T 27930中，充电桩根据车 辆发出的精准充电需求提供充电电流与电压（通常为恒功率充 电），但无法对电流和电压进行灵活调整。尽管在目前的有序 充电试点中，充电桩也可忽视车辆对充电电流与电压的要求， 根据有序充电的实际需要，自行调整电流与电压，但这会遇到 车辆暂停充电与锁死的问题。更彻底的解决方案是在国家标准 修订时考虑支持车网协同。 目前国际充电标准中提供不同的有序充电实现方式，包括 “车辆主导”的充电和“桩主导”的充电。 “车辆主导”的有序充电：该方式对应ISO 15118-20 中的“计划”（Scheduled）模式。其特点是车-桩交 图 3 | 支持V2G所需车辆及充电桩的硬件设备改造 互过程复杂：在充电初始时，车、桩通过谈判确定“最 佳”充电负荷曲线；在执行充电中，车与桩也需实时协 商，对负荷曲线进行调整。“车辆主导”的有序充电涉 及多轮交互，会影响到通信实时性。 “桩主导”的有序充电：该方式对应CHAdeMO的充电 模式和ISO 15118-20的“动态”（Dynamic）模式。 车辆实时向充电桩发送最大充电电流限值，充电桩在最 大充电电流限值范围内，灵活控制充电电流。对比“车 辆主导”的充电过程，“桩主导”的优势是信息交互次 数少、时间精度高、能保证通信实时性。 由于目前国家标准已采用“桩主导”模式，且“桩主导” 模式具有通信实时性好的优势，相关部门可参考CHAdeMO和 ISO 15118-20的经验，修订国家标准以支持有序充电。 在双向充放电方面，中国直流国家标准不仅需在充电桩 具有支持V2G功能的功率模块，也需调整GB/T 27930和GB/ T 18487标准，包括：在GB/T 18487中修改车辆硬件的充电回 路，修正GB/T 18487在硬件回路上屏蔽车辆反向放电的问题； 在GB/T 27930中增加充放电服务选择和允许最大（充）放电电 流等报文信息，确保电池应用安全与寿命。 各种直流车-桩协议的对比见表4。 表 4 | 直流车-桩协议的对比 协议标准 车网协同控制支持度 信息传输丰富度 网络安全性 有序充电 V2G SOC* 车辆身份信息 车辆出行计划 与最低充电量 （充）放电的最 小电流及功率 ISO 15118 + - + + + + 公钥基础设施加密、 传输层安全协议 CHAdeMO + + + - - - - GB/T 27930 （+） - + - - - - 说明：“-”表示“不支持”，“+”表示“支持”，“（+）”表示部分支持，*SOC 状态以所需充电电量形式表示。 来源：根据 Martinenas 2017 年的研究修改。 直流充放电： PCS安装在桩侧 PCS 交流充放电： 逆变器安装在车侧 直流充电桩 EV直流 交流充电桩 EV 逆变器 交流 10 | 信息传输丰富度：直流标准的信息传输丰富度优于交流标 准。但为支持车网协同，直流标准的信息丰富度仍有待提升 （表5），例如： 充电桩提供的充放电服务列表：一方面，未来，不是所 有车辆生产企业或充电运营商都愿为量产车型或充电 桩提供V2G功能的支持；另一方面，现有大量的存量电 动汽车和充电桩都不支持V2G，因而，针对这些不支持 V2G的场景，有必要提供选项对V2G服务进行选择。这 可以通过两种方式实现：一是对直流通信标准进行修 改，提供该信息交互项；二是由用户通过充电APP选择 是否放电，再由充电管理平台告知桩是否放电（即通过 后端协议解决）。方式一可能导致车桩“新老不兼容”的 问题，而方式二虽然能实现向后兼容，但无法很好地支 持“即插即充 6 ”，在修订标准时必须权衡二者利弊。 车辆（充）放电最小电流/功率：虽然对比充放电最大 电流之类必要信息项，（充）放电最小电流/功率仅是提 升用户充放电体验的数据项，但考虑到个别车辆品牌如 日产聆风等在放电功率低于1.3千瓦时会自动锁死，因 此有必要在设置充电参数时提前交互该信息。目前， 仅ISO 15118支持（充）放电最小电流/功率的交互； CHAdeMO与中国国家标准仍不支持，有必要调整标 准，或要求整车厂取消对最小（充）放电电流的限制。 网络安全性：赋予车辆可信的“数字”身份信息，有助于 追踪用户群、支持“即插即充”功能、定制差异化的车网协同 策略及提升网络安全。同时，随着充电协议支持“即插即充” 与车网协同，更多的敏感信息（如车辆身份、充放电负荷曲 线）将在车、桩间传递，有必要对这些信息采取加密措施。目 前，仅ISO 15118支持车辆身份信息验证，并对重要信息采取公 钥基础设施加密。CHAdeMO与国家标准GB/T 27930尚不支持 身份信息交互，且重要信息也缺乏加密措施。 虽然国际上已开始探索身份信息交互与公钥基础设施加 密，但中国仍有必要探索符合自身特点的充电网络安全措施。 例如，ISO 15118目前采用的公钥基础设施加密面临前期投资 大的困境，如果不由第三方机构全权承担，会转嫁到车企、桩 企，有碍行业公平发展（Paulraj 2021）。区块链、5G虚拟网 络等技术的兴起，提供了更多低成本、高效的网络安全选择， 中国充电标准修订可结合新技术的发展，形成本土化的网络安 全解决方案。 4.2 桩-充电运营商通信协议 桩-充电运营商通信协议是支持充电运营商、负荷集成商与 桩间互操作的协议，功能一般包括日常充电、用户结算等，车 网协同只是众多功能的一种。 标准化的桩-充电运营商通信协议的益处在于： 支持充电行业的公平、良性发展：任由充电运营商自定 义通信协议会导致充电桩不兼容的问题，差异化地定 制充电设备也会推高生产成本。此外，市场占有率高 的企业可能通过授权费的方式垄断行业。例如，美国 ChargePoint公司因提前注册相关专利，使得国际开放协 议进入美国面临法律侵权诉讼（Leeuw 2020）。及早出 台标准化的协议，可避免这一问题。 避免技术更新、运营商更换带来的资产搁置问题：扩展 性好的桩-充电运营商通信协议可灵活扩展功能，避免技 表 5 | 改善直流充电标准信息传输丰富度的措施 类型 新增的数据项 新增数据项的获取方法 必要 信息 车辆初始 SOC 与电池容量 （已支持） 充电桩提供的充放电服务列表（如 V2G）与用户选择 用户