ISO 15118 V2G + Plug & Charge

ISO 15118 是多层协议,堆叠在物理 CP 线上:

关键认知:充电枪也是 IP 网络节点——CP 信号线既传 PWM 也传 IP 数据 (HPGP 多路复用)。

ISO 15118 系列版本演进:

关键差异:

• DIN 70121: 仅 DC,无 PnC
• ISO 15118-2: AC + DC + PnC + 单向充电
• ISO 15118-20: 加 V2G (双向) + WPT (Wireless Power Transfer)

ISO 15118 业务消息用 XML 描述(可读性强),但 XML 在嵌入式系统传输效率差。EXI 把 XML 转成二进制,压缩 20×:

<!-- XML 原文 -->
<ChargingStatusReq>
  <SessionID>1234</SessionID>
  <EVRESSSOC>75</EVRESSSOC>
  <RemainingTimeToFullSoC>1800</RemainingTimeToFullSoC>
</ChargingStatusReq>
<!-- 100 字节 -->

<!-- EXI 二进制 -->
0x02 0xA1 0xB4 0xD0 0x01 0xC3 0x07 0x08
<!-- 8 字节 (压缩 12×) -->

实现库:

• OpenEXI (开源 C++)
• Codec Generator (商用 by V2G Clarity)
• Vector vMember (商用)

EV 端EVCC (Electric Vehicle Communication Controller) 通常集成在 OBC 或 VMU:

典型 PLC Modem 芯片:

• Qualcomm QCA7000 series (主流)
• Lumissil IS31AC (国内)
• Devolo dLAN Green PHY 模块

ISO 15118 是欧美 EV 充电的核心引用,但中国走 GB/T 27930 CAN-based,出海车型必须双协议栈共存:

关键认知:中国市场用 GB/T 27930 (CAN-based),与 ISO 15118 物理层 + 协议都不兼容,国际车型出中国需要双协议栈。

充电桩 SECC 硬件:

SECC MCU: 通常 NXP S32K3 / Renesas RH850 / Infineon AURIX,带以太网 + PLC + CAN。

ISO 15118 实施失败集中在七类可避免的陷阱——从协议版本混淆到硬件选型错误,每一类在量产项目中都有真实案例。

G1 — 中国市场双协议栈漏做:以为 ISO 15118 是全球通用标准而直接用于国内项目。中国公共充电桩实际使用 GB/T 27930 (CAN-based,2A 协议),物理层和应用层与 ISO 15118 均不兼容。国内 EV EVCC 若只开发了 ISO 15118 协议栈,国内公共桩一根不能通。正确做法:双协议栈 —— ISO 15118 HPGP + GB/T 27930 CAN 模块共存;EVCC 在 CP State B 后检测是否有 HPGP beacon:有则走 ISO 15118;否则降级 GB/T CAN 流程。出口欧美车型只需 ISO 15118,但国内+出口共平台必须双路。

G2 — Contract Certificate 过期无 OTA 更新路径:PnC 在 EV 交付 1-2 年后静默失败。Contract Certificate 有效期通常 12-24 个月。部分 EVCC 实现只做本地证书有效期检查,不触发 CertificateUpdate 消息(ISO 15118-2 §8.8.5.4)。结果:证书过期 → EVCC 发 ContractCertificateInstallationReq → Hubject 返回签名验证失败 → PnC 降级为 EIM(刷卡) → 用户体验断崖式退化但无明显报错。解决:EVCC 在 Contract 到期前 30 天内自动触发 CertificateUpdate 请求(需要 EVSE 在线 + Hubject 连通);整车 OTA 保持 Provisioning 证书链更新通道畅通。

G3 — EXI schema 版本不匹配:两端 EXI 库版本不同时,握手完成但消息解码出垃圾字节,无明显错误只是会话超时。ISO 15118-2 schema 存在多个 XSD 版本,EXI 编码是 schema-specific 的 —— schema 版本一旦不同,同一 SessionSetupReq 的 EXI binary 编码字节级不同。这是 CharIN Interop 测试中暴露最多的失败类型。预防:以 TÜV / CharIN IV40-10 互操作认证为出货硬性门槛;内部 bench 测试必须覆盖 EVCC 与多款 SECC 实现的 EXI 版本矩阵。

G4 — SLAC 广播门控时序错误:EVSE 在 EV 完成 CP level detection 之前就发 CM_SLAC_PARM.REQ 广播,EV 错过帧,等 EVSE 重试超时(TT_MATCH_SEQUENCE = 10s)才重来,导致"第一次插枪慢 10 秒"用户投诉。根因:EVSE 固件把 SLAC 广播触发点设为"检测到 CP 接入"而非"CP State B → C 稳定"(IEC 61851-1 State C: CP = 6V, EV ready)。正确门控:EVSE 应等待 CP state C 稳定 + T_SECC_ready(100 ms,ISO 15118-3 §A.1)后再发 SLAC,而非 CP 接入立即广播。

G5 — V2G 方案误用 Vienna PFC:Vienna Rectifier 三桥臂各含一只固定二极管接 neutral,功率只能从电网→DC,不可反向。声称"支持 V2G"的 OBC 若用 Vienna PFC 前级,放电模式完全建立不了。V2G 必须使用 6-Switch 双向 PFC(六颗 SiC MOSFET 全控)+ 双向 DC-DC(DAB 或双向 LLC)+ 反向功率流控制器 + 防孤岛检测(Anti-Islanding,ENTSO-E R25/BDEW 法规要求)。选型阶段就要从拓扑层面排除 Vienna。

G6 — TLS 缺客户端证书 (mutual auth):PnC 要求 TLS 双向认证 —— EVSE 出示 server cert,EVCC 也必须出示 client cert (Provisioning Certificate)。部分 EVCC 实现把 TLS 配置为 server-only auth(普通 HTTPS 模式),TLS 握手成功但 EVCC 无身份 → 后台授权 100% 失败。常见触发场景:EVCC firmware 更新了 TLS 库版本时意外重置了 mTLS 配置。测试要求:每次 firmware 升级后必须跑 PnC End-to-End 冒烟测试(插枪→AuthorizationRes = Accepted,全链路)。

G7 — ISO 15118-20 消息集复杂度低估:ISO 15118-20 引入了 BPT (Bidirectional Power Transfer) Service,消息集比 15118-2 大 3-5×,EVCC/SECC 实现工作量倍增。不少 EVSE 声称"ISO 15118-20 ready",实际只实现了基础充电消息,V2G/BPT 服务协商(BPT_AC / BPT_DC service ID)返回 NOT_SUPPORTED → EVCC 被迫降级到 15118-2 单向充电,V2G 功能静默丢失。正确处理:EVCC 的 ServiceDiscoveryReq 按优先级列出支持的服务(BPT优先→单向充电降级),并明确记录协商结果到诊断日志。

ISO 15118 PnC 的"物理本质"是:在充电枪 CP 线上叠加 HPGP 电力线通信,把一台嵌入式 EVCC 连接到充电网络后台,在 4 秒内完成多层协议握手并获得充电授权。下面是一台 22 kW AC 充电桩(SECC: NXP S32K344 + QCA7000)与一台 EV(EVCC: TC397 + QCA7000)的完整 PnC 会话时序计算,目标是验证能否满足 CharIN Plug & Charge Certification 要求的"插枪到电流开始 ≤ 4 s"。

设计参数

• HPGP 链路带宽:10 Mbps raw,≈2 Mbps 有效(协议开销 + FEC)
• EVCC X.509 Provisioning cert chain:≈2 kB
• SECC server cert chain:≈3 kB
• Hubject 后台授权 SLA:150 ms(典型)/ 500 ms(99th 百分位)

步骤 1 — CP 物理层握手 EV 插枪后,EVSE 检测到 CP 阻抗变化(State B: 882 Ω,CP = 9 V),输出 5% 占空比 PWM 信号"我支持 HLS(High Level Signaling)"。EVCC 检测 CP State B 后驱动 CP 至 6 V(State C: EV ready),EVSE 检测 State C 稳定后启动 SLAC。CP State B→C 物理跳变在本时间尺度上近似瞬时;EVSE 在 State C 稳定后还需等 T_SECC_ready = 100 ms(ISO 15118-3 §A.1) 才广播 SLAC——该 100 ms 计入步骤 2 的 SLAC 序列,此处不重复计。

步骤 2 — SLAC 匹配序列 SLAC(Signal Level Attenuation Characterization,ISO 15118-3 §6.4)用来让 EVSE 找到"物理上连着我这根 CP 线的那辆车"。EVSE 等 T_SECC_ready = 100 ms 后广播 CM_SLAC_PARM.REQ,EVCC 回应 CM_SLAC_PARM.CNF(30 ms)。EVSE 广播 CM_START_ATTEN_CHAR.IND,EVCC 发 10 组 CM_MNBC_SOUND 信号音,EVSE 统计衰减 —— 这个 sound 序列耗时 T_MATCH_SEQUENCE = 400 ms。EVCC 整合衰减数据发 CM_ATTEN_PROFILE.IND(10 ms)。CP Toggle Validation(CM_VALIDATE.REQ/CNF × 2):100 ms。SLAC_MATCH.REQ/CNF:30 ms。

SLAC 小计:100 + 30 + 400 + 10 + 100 + 30 = 670 ms

步骤 3 — HPGP 网络建立 EVCC 使用 CM_SET_KEY(EVSE 在 SLAC_MATCH.CNF 中携带密钥)加入 HPGP 网络:100 ms。IPv6 link-local 地址通过 EUI-64 立即生成(无需 DAD),EVSE 收到 RS 后立即发 RA:50 ms。

网络小计:150 ms

步骤 4 — TLS 1.2 握手(双向认证) ISO 15118-2 强制 TLS 1.2 with mutual authentication。客户端 / 服务器各发 Certificate 消息:

• ClientHello + ServerHello:< 1 ms(HPGP 帧)
• Server Certificate(3 kB):3000 × 8 / 2 000 000 = 12 ms 传输 + ECDSA P-256 验证 5 ms = 17 ms
• Client Certificate(2 kB):8 ms 传输 + 5 ms 验证 = 13 ms
• KeyExchange + ChangeCipherSpec + Finished(双向):10 ms

TLS 小计:50 ms

步骤 5 — ISO 15118-2 应用层

• SessionSetupReq / Res:20 ms
• ServiceDiscoveryReq / Res(本地,无后台):20 ms
• PaymentServiceSelection(Contract, PnC service):10 ms
• PaymentDetailsReq(EVCC 发 ContractCertificate EXI ≈2 kB = 8 ms 传输)→ Hubject 后台证书校验:150 ms(典型 SLA);PaymentDetailsRes 返回 GenChallenge
• AuthorizationReq(EVCC 回 GenChallenge 签名 ≈数十字节,< 1 ms 传输)/ AuthorizationRes:10 ms
• ChargeParameterDiscoveryReq / Res:30 ms
• PowerDeliveryReq / Res(设置 CP PWM 到 full duty):20 ms

App 层小计:268 ms

时序预算汇总

余量分析:1 138 ms vs CharIN 目标 4 000 ms,余量 2.86s(3.5×)。即使 Hubject 后台达到 99th 百分位(500 ms),总计≈1 488 ms,仍有 2.7× 余量。主要时间消耗者是 SLAC(59%)—— SLAC 是固定协议定时,不能优化。开发优化点:缩短 T_SECC_ready(最小 20 ms vs 默认 100 ms)可节省 80 ms;TLS session ticket resumption 把 TLS 从 50 ms 降到 20 ms。

独立核验:SLAC = 100+30+400+10+100+30 = 670 ✓(含 T_SECC_ready 100 ms);TLS = 17+13+10+余量 = 50 ✓;App = 20+20+10+(8+150)+10+30+20 = 268 ✓;总计 = 670+150+50+268 = 1138 ✓(CP 握手的 100 ms 即 SLAC 内的 T_SECC_ready,不重复计)。

ISO 15118 实施在三类工况下会触及隐性瓶颈——超出普通 Interop 测试覆盖范围。

C1 — 极低温 HPGP 通信失败(-25°C 冷启):CP 同轴电缆在低温下介电常数变化 + 接头接触电阻增大,HPGP 2-28 MHz 频段额外衰减 5-10 dB。若 CM_ATTEN_PROFILE 报告的衰减超过 QCA7000 接收灵敏度门限(-30 dBm),SLAC 序列失败 → SECC/EVCC 误认为"无 ISO 15118 capable EV"并降级 IEC 61851-1 PWM 单向充电(无 PnC)。预防:低温场景把 QCA7000 TX power 调到最大(+30 dBm 可编程);充电枪 PLC 耦合器滤波电路在 -40°C 环境箱做 SLAC 成功率验证,目标 >99.9%。

C2 — 高压开关 EMI 污染 HPGP 频段:快充桩功率级(SiC 20-50 kHz 开关)产生的 CM 噪声通过 PE/CP 电容耦合注入 HPGP 频段(2-28 MHz),SNR 下降 15-25 dB,QCA7000 PHY 吞吐量从 10 Mbps 跌至 500 kbps,TLS 证书链(4-6 kB)传输时延从 50 ms 涨到 800 ms。若后台授权恰好慢,多次消息重传可能逼近 TT_ServiceDiscoveryRes 超时(60 s 内通常够,但高 EMI + 高负载后台叠加时有超时风险)。预防:CP 线路加 HPGP pass-through CMC(共模扼流圈);SiC 驱动加 Spread Spectrum PWM 分散谐波能量(参见 spread spectrum deep)。

C3 — 多车 SLAC 竞争(充电园区 depot 场景):SLAC 依赖广播/ARP 机制,若同一 CP 总线上存在多个 EVCC 同时广播(配置错误把多辆 EV 的 CP 接到同一 EVSE 信号总线),CM_ATTEN_PROFILE 帧碰撞,TT_MATCH_SEQUENCE 超时(10 s)后才重试,充电启动延迟显著。正确拓扑:一个 EVSE CP 接口点对点对应一辆 EV,不共享 CP 总线。大型 depot 充电站的"Hub"拓扑须是 EVSE 内部 L2 交换机 + 独立 SECC 实例/接口 per port;SLAC 广播被 L2 switch 隔离在单端口,不跨车传播。

• case · case_dc_fast_charge_350kw — 350kW DC Fast Charger (CCS / GB/T)
• case · case_obc_v2g_22kw — 22 kW Bidirectional OBC for V2G
• mitigation · mitigation_charging_thermal_pause — Charging Thermal Pause
• standard · standard_iso_15118 — ISO 15118 V2G + Plug & Charge