一句话总结
IEC 61851-1:2017 (Ed 3.0) Annex A 用一根 CP 线加 1000Hz PWM 信号实现了充电桩与车辆之间的完整"对话"——EVSE 通过占空比通知最大允许电流（10%96% 映射 6A80A），EV 通过电阻切换反馈 State A~F 六个状态，总共定义 51 条时序规则。这是全球电动汽车充电互操作性物理层的基础，IEC 61851-1 PWM 占空比信号详解和 State A-F 状态切换流程，本文一次性讲清。
1. CP 信号物理参数
1.1 EVSE 输出参数 (Table A.2)
| 参数 | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
|---|---|---|---|
| 正电压 Voch | 11.4 V | 12 V | 12.6 V |
| 负电压 Vocl | −12.6 V | −12 V | −11.4 V |
| PWM 频率 Fo | 980 Hz | 1 000 Hz | 1 020 Hz |
| 上升时间 (10%-90%) | — | — | 2 µs |
| 下降时间 (90%-10%) | — | — | 2 µs |
| 源电阻 R1 | 970 Ω | 1 000 Ω | 1 030 Ω |
| 输出电容 Cs | 300 pF | — | 1 600 pF |
1.2 EV 侧参数 (Table A.3)
| 参数 | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
|---|---|---|---|
| 固定电阻 R3 | 2 658 Ω | 2 740 Ω | 2 822 Ω |
| 开关电阻 R2 (无通风) | 1 261 Ω | 1 300 Ω | 1 339 Ω |
| 开关电阻 R2 (需通风) | 261.9 Ω | 270 Ω | 278.1 Ω |
| 二极管压降 (2.75-10mA) | 0.55 V | 0.7 V | 0.85 V |
2. 六个核心状态 (State A~F)
3. PWM 占空比 → 电流映射
3.1 EVSE 侧 — Table A.7
| 占空比 DN | 最大电流 Iav | 含义 |
|---|---|---|
| 0% | 0 A | 连续 −12V，EVSE 不可用（State F） |
| 5% | 数字通信协商 | 需要数字通信才能充电 |
| 10% ~ 85% | DN × 0.6 A | 线性映射：6A ~ 51A |
| 85% ~ 96% | (DN − 64) × 2.5 A | 扩展映射：51A ~ 80A |
| 100% | 0 A | 无电流可用（State x1） |
3.2 EV 侧 — Table A.8
| 占空比 Din | EV 最大取用电流 |
|---|---|
| < 3% | 0 A（禁止取电） |
| 3% ~ 7% | 由数字通信决定 |
| 7% ~ 8% | 0 A（禁止） |
| 8% ~ 10% | 6 A |
| 10% ~ 85% | Din × 0.6 A |
| 85% ~ 96% | (Din − 64) × 2.5 A |
| 96% ~ 97% | 80 A |
| > 97% | 0 A（禁止取电） |
3.3 关键公式
| 范围 | 公式 |
|---|---|
| 低电流 (6A-51A) | \(I_{max} = D \times 0.6\text{ A}\) |
| 高电流 (51A-80A) | \(I_{max} = (D - 64) \times 2.5\text{ A}\) |
4. 核心时序规则摘要
| 序列 | 事件 | 关键时间 |
|---|---|---|
| Seq 1.1 | 插枪（典型 CP） | A→B，无最大时间限制 |
| Seq 3 | EVSE 通电（State B/C） | B1→B2/C1→C2，无最大时间 |
| Seq 4 | EV 就绪→通电 | B2→C2/D2，≤3s 内通电 |
| Seq 6 | 占空比变更 | EV ≤5s 内调整电流 |
| Seq 7 | EV 停止充电 | 电流降至 <1A 后断开 S2 |
| Seq 8 | EVSE 响应 EV 断 S2 | ≤100ms 内断开开关 |
| Seq 9 | EVSE 请求停止充电 | C2/D2→C1/D1 ≤3s |
| Seq 10 | EV 响应停止请求 | C1/D1→B1 ≤3s |
| Seq 12 | 故障态 | 开关断开 ≤3s，解锁 ≤30s |
关键事实
- IEC 61851-1:2017 Annex A Table A.2 PWM 载波频率为 1000Hz（容差 ±20Hz），输出电压 ±12V（容差 ±0.6V），源电阻 R1=1000Ω（容差 ±30Ω）。
- IEC 61851-1:2017 Annex A Table A.3 EV 侧固定电阻 R3=2740Ω，开关电阻 R2=1300Ω（无通风）或 270Ω（需通风），二极管压降 0.7V（2.75-10mA 范围内）。
- IEC 61851-1:2017 Annex A Table A.7 占空比 10%85% 线性映射 6A51A（Iav=DN×0.6A），85%96% 扩展映射 51A80A（Iav=(DN−64)×2.5A）。
- IEC 61851-1:2017 Annex A Sequence 1-12 共定义 51 条时序规则，涵盖插入、通电、电流变更、停止充电、断电和故障六阶段。
- IEC 61851-1:2017 Annex A Table A.5 State A~F 六状态通过 CP 线电压区分：+12V(A/未连接)、+9V(B/已连接未就绪)、+6V(C/就绪无通风)、+3V(D/就绪需通风)、0V(E/错误)、−12V(F/EVSE 故障)。
常见问题
Q: IEC 61851-1 PWM 占空比 5% 和 100% 有什么特殊含义？ A: 5% 占空比表示 EVSE 要求 EV 使用数字通信（如 ISO 15118）协商充电参数，而非依赖 PWM 直接映射电流。100% 或 0%（连续 +12V）表示无可用电流，EV 不得取电。
Q: IEC 61851-1 State B 和 State C 的电压差异如何实现？ A: State A 时 CP 线开路，电压为 +12V DC。State B 时 EV 接入 R3=2.74kΩ 形成分压，CP 电压降为约 +9V。State C 时 EV 闭合 S2 接入 R2=1.3kΩ 与 R3 并联（等效 882Ω），电压进一步降为约 +6V。State D 时 R2=270Ω（246Ω 并联），电压约 +3V。
Q: 简化 CP 电路为什么不支持 State B 且不推荐新设计使用？ A: 简化电路（Figure A.2）将 R3 和 S2 的位置互换，导致连接检测与就绪信号耦合，无法区分"已连接未就绪"和"已连接已就绪"两种状态。这只支持单相充电且最大 10A，不符合现代充电系统对状态完整性和通信能力的要求。
Q: IEC 61851-1 51 条时序规则中最关键的是哪几条？ A: 最关键的几条包括：Seq 4（EV 就绪后 ≤3s 通电）、Seq 6（占空比变更后 EV ≤5s 调整电流）、Seq 7/8（EV 断开 S2 后 EVSE ≤100ms 断开开关）、Seq 9/10（EVSE 请求停止 ≤3s、EV 响应 ≤3s）、Seq 12（故障态 ≤3s 断开开关、≤30s 解锁）。
Q: EV 侧占空比测量（Din）为何会有 ±1 百分点的容差？ A: PWM 信号经过 CP 线缆传输、二极管整流和输入滤波后，EV 侧实际检测到的占空比可能因上升/下降时间、噪声和元器件容差而产生偏差。标准允许 ±1 百分点的测量容差，EVSE 在计算占空比时也应考虑此偏差。
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参考文献
- IEC 61851-1:2017 (Ed 3.0), Annex A — Control pilot circuit specification (normative)
- IEC 61851-1:2017 (Ed 3.0), Annex A, Table A.2 — EVSE output parameters (voltage, frequency, resistance)
- IEC 61851-1:2017 (Ed 3.0), Annex A, Table A.3 — EV side parameters (R2, R3, diode)
- IEC 61851-1:2017 (Ed 3.0), Annex A, Table A.5 — State A~F voltage definitions and equivalent circuits
- IEC 61851-1:2017 (Ed 3.0), Annex A, Table A.7/A.8 — Duty cycle to current mapping (EVSE and EV sides)
- IEC 61851-1:2017 (Ed 3.0), Annex A, Sequence 1-12 — 51 timing rules for control pilot operation