ISO15118协议概览

发展背景
ISO15118协议自2010年由国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合制定并发布以来，已成为电动汽车充电领域的重要标准。该协议通过规范电动汽车和充电站之间的通信，有效促进了不同品牌、型号和充电类型（如交流或直流）之间的顺畅互动，从而确保了互操作性、智能充电以及更高的安全性，极大提升了电动汽车充电的整体体验。该标准现已在全球范围内得到广泛应用，特别是在欧洲、美国、中南美洲、韩国、印度和澳大利亚等地区。

最初，ISO15118协议被命名为ISO/IEC 15118，体现了其跨领域的特性。由于信息技术和能源技术的深度融合，该标准有时也由ISO和IEC以联合工作组（JWG）的形式共同开发。值得注意的是，在标准的发布过程中，ISO和IEC最终决定采用“双标识”而非“双冠名”的方式，即虽然ISO作为主导出版商进行冠名，但标准中仍保留了IEC的附加标志。因此，在实际应用中，人们更习惯将该标准称为ISO 15118而非ISO/IEC 15118。

2022年4月26日，国际标准化组织（ISO）发布了ISO 15118-20，作为ISO15118的最新版本系列。相较于之前的版本，ISO 15118-20不仅在功能上有所扩展，还新增了对无线功率传输（WPT）的支持。此外，通过双向电力传输（BPT）和自动连接设备（ACD）的应用，该标准能够为各类服务提供更加灵活和便捷的支持。
目前，已经正式成为国际标准的ISO 15118系列文档包括：ISO 15118-ISO 15118-ISO 15118-ISO 15118-ISO 15118-5和ISO 15118-8。值得注意的是，关于无线充电的ISO 15118-6和ISO 15118-7的内容已经整合至ISO 15118-1和ISO 15118-2中，因此不会作为独立的标准进行发布。此外，已发布的文档与OSI 7层协议的对应关系如下所述：

15118-1主要概述了通用要求，涵盖了基于ISO 15118的充电和计费流程，并详细描述了各应用场景中的设备及其信息交互。

15118-2则专注于应用层协议，明确了各种应用场景下的消息、消息次序、状态机，以及实现这些场景所需的技术要求。它从网络层到应用层全面定义了各层协议。

15118-3涉及链路层，采用电力载波技术，主要定义了物理层信令和消息，与软件开发人员关系不大。

15118-4则是关于测试的，而15118-5则聚焦于物理层，同样无需软件人员过多关注。

此外，还有尚未发布的15118-8和15118-9，分别涉及无线方面和无线物理层。

接下来，我们谈谈ISO 15118-20版本。这是ISO 15118的最新版本，致力于成为未来电动汽车(EV)充电的通信标准。它于2015年底开始开发，旨在消除之前版本中的限制，并支持全系列的电动汽车，包括汽车、摩托车、卡车、公共汽车、船舶和飞机等。这一新版本特别强调了即插即充功能，并支持无线功率传输(WPT)，通过双向电力传输(BPT)和自动连接设备(ACD)提供各项服务。接下来，我们将深入探讨这些新功能及其市场推出的时间表。
CCS充电标准自2011年提出以来，已历经多次迭代。最初，为解决全球电动汽车市场因不同标准而导致的互操作性和充电便利性问题，欧洲汽车制造商协会（ACEA）提出了这一标准提案，旨在整合交流和直流充电系统。其特色在于连接器物理接口的组合式插座设计，兼容单相交流、三相交流和直流三种充电模式，为电动汽车提供了更为灵活的充电选择。2012年，CCS Combo 0标准正式问世。

随后，在2014年，CCS Combo 0版本发布，标志着标准的重大升级。该版本不仅充电功率得到显著提升，还支持更快速的直流充电，因此在欧州和北美市场得到了广泛的应用。此后，CCS标准又分别于2017和2020年进行了两次版本更新（CCS Combo 1和CCS Combo 2），持续优化充电功率和安全性。

接口概览
对于电动汽车（EV）的充电接口，存在多种国际标准。这些标准包括德标DIN、欧标EN、国际ISO以及国标GB，它们各自具有独特的协议和特点。在出口电动汽车时，了解并遵循这些标准是至关重要的。

CCS1接口特点

在美国和日本，由于电网仅支持单相交流充电，因此Type 1插头和端口在这两个市场得到了广泛应用。

CCS2接口详解
在欧洲，特别是德国，由于存在三相电的充电需求，CCS2接口变得相对复杂，其配置多种多样，包括单相交流、三相交流以及低功率直流和高功率直流。值得注意的是，欧洲和中国电网都支持单相240V和三相400V的连接方式。为了满足这一市场需求，8家汽车企业如Audi、BMW、Chrysler、Daimler、Ford、GM、Porsche和VW在2011年10月共同提出了一种新的充电接口标准——Combined Charging System（CCS），旨在同时支持交流和直流充电。该标准后来被正式确立为IEC 62196-3。其中，Type 2端口设计得既支持单相充电也支持三相充电，而三相交流充电技术能有效缩短电动汽车的充电时间。

此外，汽车的充电端口还集成了交流和直流两部分功能。在充电过程中，电动汽车（EV）与充电桩（EVSE）之间的数据通信则通过Control Pilot（CP）接口来实现。

CP - Control Pilot接口负责传输模拟的PWM信号以及基于电力线载波（PLC）的调制到模拟信号上的ISO 15118或DIN70121数字信号。

PP - Proxmity Pilot（也被称为Plug Presence）接口则负责传输一个信号，使汽车（EV）能够检测到充电枪插头是否已连接。这一功能对于确保充电安全至关重要，因为它能在充电枪连接时阻止汽车移动。

PE - Productive Earth，即接地保护，是设备的接地引线，用于提供安全保障。

此外，还有其他几个接口用于传输电能，包括Neutral（N）线，L1（AC单相），L2, L3（AC三相），以及DC+和DC-（直流）。

接下来，我们将深入探讨ISO15118协议的详细内容。该协议采用客户端-服务器模式，其中汽车充电控制器（EVCC）负责发送请求消息，而桩端充电控制器（SECC）则负责返回响应消息。EVCC必须在特定超时范围内（通常为2到5秒）收到SECC的响应，否则会话将终止。根据不同厂家的实现，EVCC可以重新发起新的会话。

现在，让我们转向充电流程的详细解析。

（2）交流充电流程详解
在交流充电过程中，首先需要确保汽车与充电桩之间的连接已建立。一旦连接成功，汽车充电控制器（EVCC）会向桩端充电控制器（SECC）发送一个启动充电的请求。SECC收到请求后，会进行一系列的验证和准备工作，以确保充电的安全和有效性。如果一切正常，SECC将返回一个确认消息，告知EVCC可以开始充电。此时，充电过程正式启动，电能通过Neutral（N）线，L1（AC单相），L2, L3（AC三相）等接口传输到汽车电池中。在充电过程中，EVCC会持续监控充电状态，并与SECC保持通信，以确保充电的顺利进行。当充电完成后，SECC会发送一个结束充电的消息给EVCC，充电流程随之结束。

（3）直流充电流程详解

在直流充电过程中，首先也是需要确保汽车与充电桩之间的连接已建立。与交流充电类似，汽车充电控制器（EVCC）同样会向桩端充电控制器（SECC）发送启动充电的请求。不同的是，直流充电采用的是更高电压和电流的电能传输方式。一旦SECC确认并启动充电，电能将通过DC接口直接传输到汽车电池中。在此过程中，EVCC同样会持续监控并保持与SECC的通信，以确保充电的安全与高效。当充电完成后，SECC会通知EVCC结束充电，整个直流充电流程也就此结束。

ISO 15118的运行机制
IEC 61851标准中，定义了一种与充电安全紧密相关的通信协议，该协议基于脉宽调制（PWM）技术。而ISO 15118标准则进一步强化了充电桩与电动汽车之间的通信，通过高级数字协议提供了更全面的信息交换，涵盖双向通信、信道加密、认证授权、充电状态监测以及离开时间管理等关键功能。一旦充电线上的CP引脚检测到5%占空比的PWM信号，充电控制权即刻从其他协议转移至ISO 15118标准下进行。

如果充电桩或汽车仅支持IEC 61851通信协议，那么在检测到5%占空比的PWM信号时，充电过程将以最大可用充电电流开始，并持续到汽车完全充满电。然而，这期间充电站运营商无法得知汽车所需的电能总量或希望的充电结束时间。但ISO 15118标准能提供这些关键信息，对于电网的削峰填谷及更高效的服务至关重要。

核心功能
（1）智能充电
智能电动汽车充电涉及对电动汽车充电各环节的智能控制、管理和优化。它依赖于电动汽车、充电器、充电运营商及电力供应商之间的实时数据通信。在智能充电生态系统中，各方持续交流，并采用先进的充电方案来提升充电效率。其核心在于智能充电电动汽车解决方案，该方案能处理相关数据，并赋予充电运营商和用户对充电环节的全面管理能力。

智能充电包括多项功能：
1）智能能源管理，确保电动汽车充电对电网和电力供应的影响在可控范围内；
2）优化电动汽车充电，助力司机和充电服务提供商在成本和效率上做出最佳决策；
3）远程管理和分析，通过网络平台或移动应用实现充电控制和调整；
4）先进的电动汽车充电技术，如V2G等新技术的实现，也离不开智能充电功能的支持。

ISO 15118标准为智能充电引入了新的信息源——电动汽车本身。在规划充电过程中，汽车期望消耗的能量是一个至关重要的信息。这一关键数据可以通过多种方式提供给充电管理系统（CSMS），从而实现对充电过程的智能控制。

用户可以通过eMSP提供的移动应用程序输入所需的能量请求，并利用后端至后端的集成技术将这一请求传输至CPO的充电管理系统（CSMS）。同时，充电站亦可通过自定义应用程序接口（API）将相关数据直接传送至CSMS。

（2）智能充电与电网管理

智能电动汽车充电是该系统不可或缺的一环，因为电动汽车的充电行为对家庭、建筑或公共区域的能源消耗产生深远影响。电网在某一时刻能够处理的电力量存在上限，智能充电技术能够在确保电力供应稳定的同时，优化充电行为，从而减轻电网压力。

（3）即插即充技术
2014年，ISO 15118标准发布，其中一项重要功能即为即插即充。这一技术使得电动汽车在接入充电桩时，能够自动识别并开始充电，无需人为干预，极大地方便了用户。


（4）TLS通信技术

TLS（Transport Layer Security）通信技术，作为一种安全协议，广泛应用于网络通信中。它能够在电动汽车与充电桩之间建立起一个加密通道，确保数据传输的安全性，为用户的充电行为提供有力保障。

（5）密钥验证
在TLS通信技术中，密钥验证是一个至关重要的环节。它确保了通信双方的身份真实性和数据的完整性。通过密钥验证，电动汽车与充电桩能够确认彼此的身份，从而建立起一个安全可靠的通信链路。

充电桩协议对比

IEC 61851标准不仅确保了在连接静止车辆时才会激活充电电流，还具备模拟的、安全相关的低级充电控制功能。在此基础上，IEC 62196和ISO 15118进一步发展，均以IEC 61851为基石。IEC 62196插头中的CP线能区分6种电动汽车连接状态，并通过模拟PWM信号表示充电桩允许的最大充电电流。然而，要实现对多辆电动汽车的灵活充电管理，需要更多的基础参数，这些参数无法通过PWM模拟信号单独传输。因此，数字通信协议的需求应运而生，ISO 15118协议便是在这一背景下诞生的。值得注意的是，DIN 70121标准是基于ISO 15118的早期未发布版本制定的。此外，针对国内电动汽车充电设施的特定应用场景，GB/T 27930通信协议被设计出来。

IEC 61851协议
IEC 61851-1是早期定义电动汽车充电要求的重要标准之一。它规定了四种充电模式，其中模式2特别采用PWM信号作为EV与车外充电器间的通信手段，通过Pilot线进行传输。而模式4则进一步发展了通过Pilot信号线进行高级通信（HLC）的功能，以实现对IEC 61851-23中定义的直流充电（DC）的有效管理和通信。充电桩会发出1kHz的PWM信号，但实际的充电电流大小则由汽车（EV）根据接收到的信息自主决定。

此外，脉宽调制技术在这一过程中发挥着关键作用。它是一种将信息，如最大允许充电电流，编码为脉冲信号的调制技术。其工作原理在于控制充电桩输出端口CP信号的电压幅度和开关时间。电源的开启与关闭时间比例，即“占空比”，以百分比形式表示，它反映了可用充电电流的高低。

同时，CP线上的电压与地线（PE）之间的电压差[V]被用于区分不同的桩与车之间的连接状态。
GB/T27930协议
GB/T 27930协议专为我国国标GB/T2023的直流充电接口而制定。想要深入了解，可以参阅《储能系统---充电桩工作原理介绍（二）》。

DIN70121协议
DIN 70121标准由德国标准化学会于2012年颁布，它为电动车与直流充电桩间的数字通信提供了规范。在ISO/IEC 15118标准尚在起草之际，德国汽车行业亟需一份标准来引领市场并推动产品上市。因此，DIN 70121应运而生，承载着推动德国汽车电气化转型的重任。该标准基于IEC 61851-23和ISO 15118的早期版本，详细规定了直流充电过程中的数字通信规范，包括EV与EVSE间的HLC over Pilot信号。

值得一提的是，当DIN 70121发布时，北美和欧洲地区已普遍采用PLC（如HomePlug Green PHY规范所述）作为HLC协议的物理层和数据链路层。该标准不仅解决了当时直流充电行业缺乏标准的问题，更为行业带来了全新的通讯模式和规范，推动了行业的发展。

在2014年，德国标准化学会进一步发布了DIN 70121:2014 Ed.2，对原有标准进行了完善。而在2018年，他们又正式推出了针对DIN 70121的一致性测试规范DIN 70122:2018，为CCS充电提供了全面且严谨的标准及测试体系。

SAE J1772协议
SAE J1772标准由汽车工程学会（SAE）制定，旨在规范不同类型的充电协议。该标准采用DIN70121的HLC协议进行直流充电，同时使用IEC 61851-1的Pilot PWM信号进行交流充电。此外，SAE J1772还详细定义了交流充电时EV-EVSE接口中控制Pilot信号的PWM波形。此外，SAE J1772与SAE J2847-2协议共同描述了基于DIN70121实现的车辆到电网（V2G）通信的消息时序和顺序。

ISO15118协议
ISO 15118是一个全面的综合协议标准，其中涵盖了交流和直流充电会话的HLC协议的安全性。该标准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模式类似于DIN 70121或SAE J2847，要求汽车驾驶者在充电开始前手动使用信用卡或其他身份识别方法进行认证；而PnC模式则允许通过HLC在EV和EVSE之间自动交换识别和计费信息，无需驾驶员手动操作。此外，与DIN SPEC 70121不同，ISO 15118还提供了根据电网容量和能源成本智能安排充电时间的功能。

协议差异性对比
（1）DIN 70121和ISO15118都基于PLC通信，而GB/T 27930则采用CAN通信作为基础。
基于HomePlug GreenPHY协议的电力线通讯（PLC）技术，通过在充电桩或车辆CP信号电路中安装的调制解调器，将OFDM调制的高频信号与CP信号线进行耦合。另一端的调制解调器负责解调这些信号，从而实现高达10 Mbit/s的通讯速率，无需增加额外的通讯引脚。这种技术为直流充电信息交互提供了高带宽的通道，同时支持高级功能如即插即充和车网互动。

（2）ISO15118与IEC 61851的比较
IEC 61851标准采用脉宽调制（PWM）技术，这是一种模拟信号。若充电桩或汽车仅遵循此协议，充电过程将以最大可用电流开始，直至汽车充满，而充电站运营商对实际电能需求或充电结束时间一无所知。相较之下，若系统支持ISO15118，则在检测到5%占空比的PWM信号时，充电控制会立即转交至ISO15118，实现更智能的充电管理。

（3）ISO15118的扩展功能
除了传统的传导式充电，ISO15118还涵盖了V2G（车辆到电网）即插即用功能、无线充电等内容。相比之下，DIN70121标准则不支持即插即用，缺乏安全通信和数字签名机制，无法保证数据真实性和完整性。此外，它仅适用于直流充电模式，而ISO 15118则同时支持交流和直流充电。

（4）DIN 70121与ISO 15118的关系及差异
DIN 70121标准基于ISO 15118的早期未发布版本，主要用于定义电动汽车与直流充电站之间的数字通信。然而，它仅涵盖直流充电模式，而ISO 15118则更为全面，同时支持交流和直流充电。图一展示了两者在各个版本之间的主要功能差异。

总结
DIN SPEC 70121标准，作为ISO 15118发布前的临时解决方案，曾一度在市场上占据一席之地。然而，随着电动汽车市场的迅猛增长，该标准逐渐显得力不从心，无法满足市场的互联互通需求。尽管如此，在实际应用中，DIN SPEC 70121仍广泛存在于各种测试装置中，且许多充电桩都支持这一标准。从互联互通的角度来看，它在各厂家的产品中仍是比较成熟的协议。但随着ISO 15118及其丰富功能的普及，DIN SPEC 70121标准将逐渐退出历史舞台。自DIN SPEC 70121首次发布以来，ISO 15118系列标准已经取得了显著进展，这导致了两标准间的诸多技术差异。DIN SPEC标准在2012年首次亮相，并在2014年进行了更新；而ISO 15118的首个技术规范也在2014年发布，且最新版本刚刚开始流通。