大多數人回到家后會(huì )很自然地將手機插上電源給電池快速充電，而且很清楚充電會(huì )立即開(kāi)始，并且很快就會(huì )完成。我們認為這樣的充電過(guò)程是理所當然的。作為工程師，我們知道充電過(guò)程需要簡(jiǎn)單的電池充電電路和外加電源。但遺憾的是，對于電動(dòng)汽車(chē)則并非如此，它們的電力要求給消費者和電力公司帶來(lái)了挑戰。 

當消費者選擇速度最快的充電模式(交流2級)在三小時(shí)內完成充電時(shí)，為電動(dòng)汽車(chē)充電的功率要求可達6.6 kW(典型值)。交流2級充電模式指定了標稱(chēng)220V和最高80A的電源，這意味著(zhù)，這3小時(shí)內的負載高達3.3或6.6 kW。從電力公司的角度看，這是一項巨大的挑戰，因為美國西海岸的普通家庭在24小時(shí)內的耗電量約為2-3 kW。如圖1所示，對于每臺在夜間以2級速率充電的電動(dòng)汽車(chē)，在電力公司看來(lái)，相當于增加了1-3個(gè)家庭的負載量。 

從宏觀(guān)層面上看，電網(wǎng)上增加1-3個(gè)家庭不是問(wèn)題，其實(shí)就相當于建造了幾間新房屋或一個(gè)購物中心。但是，電動(dòng)汽車(chē)將作為負載添加到現有居民區，這些居民區的 “最后一英里”基礎設施(如變壓器和供電線(xiàn)路)是根據房屋大小制造和安裝的。例如，為同一住宅區中6到8個(gè)家庭供電的“典型”北美變壓器。增加一臺2級充電器通常不是問(wèn)題，不過(guò)會(huì )占用一部分計劃內開(kāi)銷(xiāo)以及安全裕量。如果再有一家居民增加一臺2級充電器，變壓器所面臨的將不僅是30 - 40%的負載增加，而是壓縮在三小時(shí)時(shí)段內的額外6.6-13.2 kW。對于電力公司而言，這顯然是一個(gè)大問(wèn)題，因為基于居民區的設備可能會(huì )發(fā)生故障，并因此導致分散的電力中斷，給居民帶來(lái)相關(guān)的安全風(fēng)險。 

夜間充電往往被認為是合理的選擇，但可惜的是，它并不是一個(gè)完美的解決方案。誠然，這樣可能有更充足的電力，因為夜間電力負載大大降低，而且較低的溫度使設備能提供更多電力，然而這并不能保證為一臺充電器提供足夠的電力，更不用說(shuō)使用多臺充電器。另一個(gè)要考慮的事實(shí)是許多電力公司需要靠較輕的夜間負載使變壓器冷卻，否則將影響散熱。 

電力公司會(huì )為了安裝2級充電器而被迫研究居民區基礎設施嗎？如果置之不理，后果可能非常嚴重。公共事業(yè)公司可能面臨對大量設備進(jìn)行計劃外升級的局面，而這些設備在購買(mǎi)時(shí)本來(lái)預期能使用幾十年，更不用說(shuō)還有移除和安裝設備的人力成本。

解決這一問(wèn)題的一個(gè)主要方案是協(xié)調充電。每個(gè)充電器將與了解配電基礎設施和實(shí)時(shí)負載情況的高級系統進(jìn)行通信。例如，假設由同一變壓器供電的兩個(gè)鄰居相差不到 30分鐘到家，并且開(kāi)始給電動(dòng)汽車(chē)充電。中央協(xié)調器能檢查變壓器(和上游設備)的當前負載并確定開(kāi)始時(shí)間和可能的充電級別。如果變壓器負載在充電過(guò)程中發(fā)生變化，協(xié)調器將發(fā)送更新信息以修改充電級別，甚至啟動(dòng)需求響應/用電限制事件，使充電器延遲工作。 

為確保充電器和協(xié)調器能在公共網(wǎng)絡(luò )上通信，目前正在制定相應的行業(yè)標準。該網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵通信路徑在電動(dòng)汽車(chē)和充電器之間以及充電器和電力公司之間。在本文中為便于說(shuō)明，假設交流2級充電器在電動(dòng)汽車(chē)外部。 

電動(dòng)汽車(chē)和充電器之間的通信非常適合使用電力線(xiàn)載波(PLC) 技術(shù)，因為存在符合SAE J1772定義的固定硬接線(xiàn)連接。PLC系統通過(guò)在直流或低頻交流電力線(xiàn)上疊加高頻調制載波信號來(lái)運行。然后載波信號在接收端經(jīng)過(guò)去耦和解調，恢復得到信息。Ariane Controls的總裁Jean-Pierre Fournier說(shuō)，“PLC技術(shù)面臨著(zhù)傳統電力線(xiàn)上阻抗變化大、噪聲顯著(zhù)和信號衰減大的難題。但是，充電器到電動(dòng)汽車(chē)這段連接的阻抗和噪聲源已被人們掌握，并且是固定的，因而可提供十分可靠的PLC連接。” 

目前，針對物理層通信的SAE標準有兩項提案正在討論中。一項提案針對J2931/2標準，該標準定義了控制導向裝置上的帶內信號；另一項提案針對J2931/3標準，該標準定義了插電式電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)電力線(xiàn)進(jìn)行的電力線(xiàn)通信。消息傳送協(xié)議的定義正在SAE J2847標準中逐步完善。如圖2中所示，這些標準的目標是確保各家制造商的充電器可與不同電力公司通信。 

充電器和電力公司之間的通信可通過(guò)多種技術(shù)來(lái)實(shí)現，這些技術(shù)成熟而可靠，并擁有各自的優(yōu)勢和成本結構。充電器連接到家庭局域網(wǎng)并使用現有Internet連接與電力公司服務(wù)器通信。Wi-Fi 802.11協(xié)議是最常見(jiàn)的解決方案。另一種選擇是使用專(zhuān)利無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )配合額外的硬件，通過(guò)該硬件將專(zhuān)利無(wú)線(xiàn)連接橋接到Internet網(wǎng)關(guān)/路由器上的硬接線(xiàn)以太網(wǎng)連接。對于已經(jīng)采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)(如基于ZigBee(r)協(xié)議的無(wú)線(xiàn)技術(shù))部署電表的電力公司來(lái)說(shuō)，也可以直接連接到智能電表。充電器還可采用長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)(如蜂窩網(wǎng)絡(luò )或WiMax)與電力公司之間進(jìn)行消息的收發(fā)。通信能力和相關(guān)的用戶(hù)界面是充電器制造商增加獨特價(jià)值的主要領(lǐng)域(見(jiàn)圖2)。 

電力公司、汽車(chē)制造商和充電器制造商正在共同努力實(shí)現插電式電動(dòng)汽車(chē)的快速充電。這已不是什么新鮮事了。早在幾十年前，當家庭中開(kāi)始增加電視機、中央空調或計算機等新產(chǎn)品時(shí)，該行業(yè)就曾面臨類(lèi)似的挑戰。隨著(zhù)標準的起草和生效以及產(chǎn)品逐步進(jìn)入主流，消費者將理所當然地認為對電動(dòng)汽車(chē)充電應當與現在對手機充電一樣簡(jiǎn)單而便捷。