充电桩---ISO15118协议详细介绍

一、ISO15118介绍

1、发展背景

标准于 2010 年由国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）通过，电动汽车和充电站之间的通信，改善了不同品牌、型号和充电类型（交流或直流）之间的互动。确保互操作性、智能充电和更高的安全性，提升电动汽车充电的整体体验。该标准已在全球广泛采用，尤其是在欧洲、美国、中南美洲、韩国、印度和澳大利亚等地区。

ISO15118 最初被命名为 ISO/IEC 15118。IEC（国际电工委员会）制定和发布电气、电子和相关领域的国际标准技术，ISO（国际标准化组织）的重点是国际除电气和电子领域外的所有领域的标准。有时标准也由 ISO 和 IEC 以所谓的联合工作组 (JWG) 的形式联合开发，正如 ISO/IEC 15118 那样，因为信息技术和能源技术在这里融合。关于15118协议的发布，ISO 和 IEC 最终决定不是发布ISO/IEC“双冠名标准”，而是所谓的“双标识(logo)标准”。因为ISO 是主导的出版商，所以由ISO来冠名，但该标准还提供附加的 IEC 标志。因此，现如今人们实际上更多地称该标准为 ISO 15118 而不是 ISO/IEC 15118。

2022年4月26国际组织- 国际标准化组织（IX-ISO ）发布ISO 15118-20，是ISO15118的最新版本标准系列，ISO 15118-20 是 ISO 15118-2 的扩展，另外还支持无线功率传输 (WPT)。这些服务中的每一项都可以使用双向电力传输 (BPT) 和自动连接设备 (ACD) 来提供

2、版本信息介绍

（1）ISO 15118-1.0版本

目前发布的已经成为国际标准的是 ISO 15118 - 1, 2, 3, 4, 5, 8 这六份文档，关于无线充电的6， 7 已经集成到1， 2 之中，将不会作为单独的标准发布。目前已经发布的文档和 OSI 7层协议的对应关系如下图所示：

15118-1是通用要求

这部分基于ISO 15118实现充电和计费流程的应用场景，并描述了在各应用场景中的设备以及设备间的信息交互

15118-2是说应用层协议方面的

这部分定义的应用场景定义了mesages（消息）, message sequences（消息次序） and state machines（状态机）， 以及实现这些应用场景所需定义的技术要求。定义了从网络层一直到应用层的各个协议

15118-3是链路层方面的，用的是电力载波。软件的同学无需关心。

这部分定义的物理层信令和消息

15118-4是测试相关的

15118-5是物理层相关的，软件的同学无需关心太多

15118-8是无线方面的，目前不要看

15118-9是无线物理层方面的

（2）ISO 15118-20版本

ISO 15118-20 是ISO 15118的最新版本标准系列，面向未来的电动汽车 (EV) 充电通信标准。ISO/IEC 联合工作组于 2015 年底开始开发它，重点是添加未纳入 ISO 15118-2 的新功能。此外，我们消除了在各个市场供应商实施 ISO 15118-2 时发现的限制。ISO 15118-20 旨在成为服务于所有用例的标准，以支持全系列电动汽车，无论是汽车、摩托车、卡车、公共汽车、船舶还是飞机。是的，甚至是飞机。让我们深入了解这一面向未来的通信标准的新版本可以期待的最重要的新功能，以及其市场推出的粗略时间表。ISO 15118-2 指定了电动汽车和充电站交换的消息，以控制交流和直流充电会话。而且，即插即充功能。ISO 15118-20 是 ISO 15118-2 的扩展，另外还支持无线功率传输 (WPT)。这些服务中的每一项都可以使用双向电力传输 (BPT) 和自动连接设备 (ACD) 来提供，下面将对此进行说明。

二、CCS接口介绍

CCS充电标准的历史可以追溯到2011年。当时，欧洲、北美和亚洲的电动汽车市场出现了不同的充电标准，这给全球范围内的电动汽车发展带来了互操作性和充电便利性的问题。为解决这一问题，欧洲汽车制造商协会（ACEA）提出了CCS 充电标准提案，旨在将交流和直流充电整合为一个统一的系统。连接器物理接口上设计为集成了交流和直流接口的组合式插座，能够兼容3种充电模式：单相交流充电、三相交流充电以及直流充电。可以为电动汽车提供更灵活的充电选择。CCS Combo 1.0标准于2012年正式发布。

在2014年，CCS Combo 2.0发布，版本是对之前版本的重要升级，进一步提高了充电功率，支持更快速的直流充电。这一版本的CCS标准也在欧州和北美市场得到广泛采用。此后CCS标准又于2017和2020年进行了两次迭代（CCS Combo 2.0.1和CCS Combo 2.0.2），进一步提高了充电功率以及提升了安全性。

1、接口介绍

EV（electricity vehicle） - 充电接口 - 协议

德标DIN、欧标EN、国际ISO、国标GB对照表，做出口必备资料

2、CCS1接口

美国和日本国内的电网只支持单相交流充电，所以Type 1的插头和端口在这两个市场占据主流。

3、CCS2接口介绍

欧洲特别是德国有三相电的充电诉求，使得该接口很复杂，有好几种配置，单相交流、三相交流、低功率直流和中等功率直流，欧洲和中国电网支持单相 240 V和三相 400 V连接。在2011年10月，8家汽车企业包含Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, GM, Porsche, 和 VW 提议了一个统一的充电接口（汽车端口和充电枪插头），同时支持交流和直流充电：Combined Charging System (CCS)。这个提议后来形成了 IEC 62196-3。Type 2端口支持单相和三相充电，三相交流充电可以缩短电动汽车充电的时间。

左边是 Type-2 CCS 汽车充电端口，右边是直流充电枪的插头。汽车的充电端口集成了交流部分（上半部分）和 直流部分（下半部分的两个粗的接口）。在交流和直流充电进程当中，电动汽车（EV）和充电桩（EVSE）之间的通信是通过 Control Pilot (CP)接口来进行

CP - Control Pilot 接口传输模拟的 PWM 信号和基于电力线载波（PLC）的调制到模拟信号上的ISO 15118 或 DIN70121 数字信号。

PP - Proxmity Pilot (也叫 Plug Presence) 接口传输一个信号使得汽车（EV）能够监测到充电枪插头已经连接上。用来实现一个重要的安全功能 - 当充电枪连接时，汽车不能移动。

PE - Productive Earth, 接地保护，是设备的接地引线。

其他的几个接口用来传输电能：Neutral (N)线，L1(AC 单相），L2, L3 (AC 三相）；DC+，DC- （直流）。

三、ISO15118协议内容介绍

ISO 15118 通信协议是基于客户端-服务器（client-server) 模式的，由汽车充电控制器（EVCC） 发送请求消息（这些消息带有后缀"Req"），由桩端充电控制器（SECC）来返回相应的响应消息（带有后缀"Res"）。EVCC 需要在相应请求消息的特定超时范围（一般在 2 到 5 秒之间）内收到 SECC 的响应消息 ，否则该会话将被终止，根据不同厂家的实现，EVCC可以再重新发起一个新的会话。

1、充电流程

（1）充电流程图

（2）交流充电过程

（3）直流充电过程

2、ISO 15118运行机制

IEC 61851 标准定义了一种基于脉宽调制（PWM）的和充电安全相关的通信协议。ISO 15118 通过更高级别的数字协议增强了充电桩和电动汽车之间的通信机制，提供更丰富的信息，主要包括：双向通信，信道加密，认证，授权，充电状态，离开时间，等。当在充电线的 CP 引脚上测量到 5% 占空比的 PWM 信号时，充电桩和汽车之间的充电控制就会立即交给 ISO 15118 。

如果充电桩或汽车仅支持 IEC 61851 通信协议，5%占空比的PWM信号将导致以最大可用充电电流开始充电过程，直到汽车完全充满电 - 充电站运营商 (CPO) 不会了解到整个充电过程汽车需要多少电能或汽车希望充电过程何时结束（例如汽车希望充10kw的电能，但同时必须20分钟后就要离开）。但是当我们讨论电网的削峰填谷以及更有价值的服务时，这些信息是必不可少的，而这些正是 ISO 15118 所能够提供的。

3、核心功能

（1）智能充电

智能电动汽车充电是智能控制、管理和调整电动汽车充电各个方面的能力。它基于电动汽车、充电器、充电运营商和电力供应商或公用事业公司之间的实时数据通信来完成。在智能充电中，所有相关方不断沟通并使用先进的充电解决方案来优化充电。这个生态系统的核心是智能充电电动汽车解决方案，该解决方案可以处理这些数据，并允许充电运营商和用户管理充电的各个方面。

1）智能能源管；它管理电动汽车充电对电网和电力供应的影响。

2）优化电动汽车；充电它帮助电动汽车司机和充电服务提供商在成本和效率方面优化充电。

3）远程管理和分析；它使用户和运营商能够通过网络平台或移动应用程序控制和调整充电。

4）先进的电动汽车充电技术许多新技术，如V2G，都需要智能充电功能才能正常运行。

ISO 15118 标准引入了另一种可以用作智能充电的信息源：电动汽车本身（EV）。规划充电过程时最重要的信息之一是汽车想要消耗的能量。有许多选项可以向 CSMS 提供此类信息：

用户可以使用移动应用程序（由 eMSP 提供）输入请求的能量，并通过后端到后端的集成将其发送到 CPO 的 CSMS，充电站可以使用自定义 API 将此数据直接发送到 CSMS

（2）智能充电与智能电网

智能电动汽车充电是该系统的一部分，因为电动汽车充电会在很大程度上影响家庭、建筑物或公共区域的能源消耗。电网的能力在某个点可以处理多少电力方面受到限制。

（3）即插即充

2014 年发布的 ISO 15118 顶级功能。

（4）TLS通信

（5）密钥验证

四、充电桩协议对比

IEC 61851 同时包含了确保只有在连接到静止车辆时才会激活充电电流的机制。因此，IEC61851 是一种模拟的，安全相关的，低级的充电控制协议。

IEC 62196 和 ISO 15118 均基于 IEC 61851。 IEC 62196 插头中的 CP 线允许区分 6 种电动汽车（EV）连接状态并可以通过模拟 PWM 信号（脉宽调制）表示充电桩（EVSE）所允许通过的最大充电电流。

要实现对一个或多个电动汽车（EV）同时充电的灵活管理需要更多的基本参数，这些基本的参数的传输无法通过PWM模拟信号来实现。这就产生了对数字通信协议的需求，进而导致了标准化的工作， ISO 15118 协议应运而生。

DIN 70121 基于 ISO 15118 标准的早期未发布版本.

GB/T 27930是针对国内电动汽车充电设施的充电接口通信这种特定应用场景设计的通信协议。

1、IEC 61851协议

IEC 61851-1 是最早发布的定义电动汽车一般充电要求的标准之一。IEC 61851-1 定义了 4 种充电模式，其中模式 2 定义了在Pilot线上加载脉冲宽度调制 (PWM) 信号作为 EV 和车外充电器之间的通信方式；IEC 61851-1 的模式 4 定义了通过 Pilot 信号线进行高级通信 (HLC) 以管理 IEC 61851-23 中定义的直流充电（DC）的通信和管理协议。1kHz 的PWM信号由充电桩产生，实际充电的电流大小由汽车（EV）来决定。

具体可以参照《储能系统---交流充电桩（三）》

脉宽调制是一种用于对信息进行编码的调制技术，例如，把最大允许充电电流这样的信息转换为脉冲信号。它的基本工作机制是通过控制充电桩输出端口CP信号的电压幅度和在一个周期(1ms)内的开关时间来实现的。电源打开和关闭的时间比例称为“占空比”，以百分比表示， 高的占空比代表更高的可用充电电流。CP线上的电压（和地线（PE）的电压差[V]）用来区别不同的桩和车之间的连接状态：

2、GB/T27930协议

GB/T 27930是针对我国国标GB/T20234.3的直流充电接口制定的协议

具体可以参照《储能系统---充电桩工作原理介绍（二）》

3、DIN70121协议

DIN 70121标准是由德国标准化学会与2012年发布的用于电动车与直流充电桩之间数字通信的规范性标准。早在2011年，宝马集团就已经发布了纯电概念车i3和i8并宣布在2013年上市。但此时ISO/IEC 15118标准还在起草制定中，德国汽车行业迫切需要一份标准来规范市场并推出产品。因此，DIN 70121 带着振兴德国汽车电气化转型的使命诞生。它基于IEC 61851-23 和 ISO 15118 早期未发布的版本，定义了直流充电过程中的数字通讯规范。直流充电会话中 EV 和 EVSE 之间的 HLC over Pilot 信号。到 DIN 70121 发布时，北美和欧洲地区都已经采用 PLC（如 HomePlug Green PHY 规范中所述）作为 HLC 协议的物理层和数据链路层。通俗的说，DIN 70121标准规定了采用CP信号线作为传输媒介、PLC作为数据链路、使用MAC和TCP/IP作为网络传输层的通讯模式以及规范了高级别通讯的握手、交互流程以及报文内容，从而解决了当时直流充电行业没有标准的燃眉之急。

在2014年，德国标准化学会又发布了DIN 70121:2014 Ed.2，修正了部分问题。2018年又正式发布了针对DIN 70121的一致性测试规范DIN 70122:2018。至此，CCS充电有了一整套相对完整的标准及一致性测试体系。

4、SAE J1772协议

SAE J1772 由汽车工程学会 (SAE) 发布，用于规范不同类型的充电协议。SAE 采用 DIN70121 的 HLC 协议进行直流充电，采用 IEC 61851-1 的 Pilot PWM 信号进行交流充电。SAE J1772 为交流充电定义了 EV-EVSE 接口中控制Pilot 信号的相关 PWM 波形。此外，SAE J1772 和 SAE J2847-2 协议也详细描述了基于 DIN70121 来实现车辆到电网 (V2G)通信的各类消息的时序和顺序。

5、ISO15118协议

ISO 15118 是一个相对完整的综合协议标准，其中很大一部分篇幅涉及到交流和直流充电会话的 HLC 协议的安全性。ISO 15118 引入了两种充电用户身份识别方法：外部识别模式 (EIM) 和即插即充电 (PnC) 模式。EIM 类似于 DIN 70121 或 SAE J2847，其中汽车驾驶者需要在充电过程开始之前手动使用信用卡或其他的身份识别方法（储值卡，手机APP等）；在 PnC 模式下，所需的识别和计费信息都通过 HLC 在 EV 和 EVSE 之间自动交换，不需要驾驶员手动参与。此外，与 DIN SPEC 70121 不同，ISO 15118 允许根据电网容量和能源成本来智能安排充电时间。

6、协议差异性对比

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

基于HomePlug GreenPHY作为数据链路层协议的电力线通讯（Power Line Communication，简称PLC）。简单来说就是通过安装在充电桩或车辆CP信号电路上的调制解调器将OFDM调制的高频信号耦合在CP信号线上，并由另一端的调制解调器进行解调。从而在不增加额外通讯引脚的情况下实现高达10 Mbit/s的通讯速率，为直流充电信息交互以及高级功能例如即插即充甚至车网互动提供高带宽的信息交互通道。

（2）ISO15118 一对多而IEC 61851 只能支持一对一

IEC 61851 标准定义了一种基于脉宽调制（PWM），是一种模拟信号。如果充电桩或汽车仅支持 IEC 61851 通信协议，5%占空比的PWM信号将导致以最大可用充电电流开始充电过程，直到汽车完全充满电 - 充电站运营商 (CPO) 不会了解到整个充电过程汽车需要多少电能或汽车希望充电过程何时结束。如果系统支持ISO15118，当在充电线的 CP 引脚上测量到 5% 占空比的 PWM 信号时，充电桩和汽车之间的充电控制就会立即交给 ISO15118 。

（3）ISO15118除了传统传导式充电外，还涉及到了V2G（向电网回馈电能）即插即用、和无线充电部分内容

DIN70121 不支持即插即用，这意味着：没有通过传输层安全 (TLS) 进行的安全通信，没有数字证书，也没有基于 XML 的数字签名，因此真实性和数据完整性不能保证。充电桩无法向 EV 发送充电时间表以使其以更智能、更电网友好的方式充电。

（4）DIN 70121 基于 ISO 15118 标准的早期未发布版本，定义了电动汽车和直流充电站之间的数字通信。DC 代表直流电，这意味着 DIN SPEC 70121 仅涵盖直流充电模式，而 ISO 15118 涵盖交流（交流电）和直流充电模式。图一显示了DIN 70121 和 ISO 15118 各个版本之间的主要功能区别：

五、总结

DIN SPEC 70121 是作为临时解决方案创建的，以在 ISO 15118 发布之前启动并运行市场。不幸的是，因为电动汽车市场的爆发式增长超过了 ISO 15118 协议产品成熟并达到广泛互联互通的量产速度，DIN SPEC 70121 仍然在 ISO 15118 测试研讨会的各种测试装置中盛行，在实际市场中部署的充电桩也广泛支持 70121。从互联互通的角度来看，相对于 ISO 15118，DIN SPEC 70121 在各个厂家的产品中是目前比较成熟的协议。随着 ISO 15118 及其广泛的附加功能迅速成为行业标准，DIN SPEC 70121 将开始逐步退出历史舞台。自 DIN SPEC 70121 首次发布以来，ISO 15118 系列标准有了很大的发展，这导致了 DIN SPEC 70121 和 ISO 15118 之间的许多技术差异。DIN SPEC 于 2012 年首次发布并于 2014 年更新，而第一个版本的ISO 15118 的技术规范于 2014 年发布，第 2 版刚刚开始发布。