简化基础设施中电动汽车充电器的设计

目前，电动汽车(EV) 和插电式混合动力汽车(PHEV)被越来越多国家的消费者所推崇。在美国，仅加利福尼亚一个州就设定了一个目标：到2025年，电动汽车数量达到150万辆。放眼全球，电动汽车和插电式混合动力汽车销售量可能会更高，到2020年，欧洲预计销量将达到300万辆;中国政府相关部门制定的目标则进一步超越上述地区，截止2020年，预计插电式混合动力汽车的拥有量有望达到500万辆。在这种背景下，电动汽车充电站的需求量自然也将急剧攀升。

影响电动汽车消费信心最大因素是：由于充电站数量较少，用户担忧EV/PHEV是否可以长时间行驶。数量充足且随时可用的充电站有助于缓解这种担忧，还能进一步提高电动汽车的普及率。如今，在办公大楼、停车场站、饭店和购物中心等都有一些免费充电站，但是，消费者对于“付费充电”站的需求越来越多样化，此类系统中也将需要更多的技术和通信。因此对这些系统的技术要求毫无疑问将会不断提高，而系统开发人员面临既要保持设备小巧简单，同时也实现功能增加的双重挑战。

无线充电及通信

目前许多城区内的付费充电站的外观和工作原理都类似于停车计时器，只是多了一根可供用户插入汽车的充电电缆。有三种常见的充电站类型(或等级)：

* 1 级和 2 级充电站是“带计量功能的”AC电源，其利用了 EV的内置充电功能电路。

* 3 级(Level 3)充电站包含了 DC“快速充电器”。这些充电器绕开了汽车功率因数校正(PFC)电路并把 400 VDC 馈至电池充电级。

尽管功能级别和功率均有所不同，但这三者有一点是相同的：测量用电量并提供收费功能。在“付费充电”站中，还必须与用于信用卡收费、移动用户手机套餐扣费、甚至处理现金交易的后台网络进行通信连接。该功能要求系统有灵活的架构。

这对于所使用的技术意味着什么呢?移动支付必不可少的近场通信(NFC)是一种超短程通信标准，其工作原理与射频识别非常接近。每部智能手机或支持NFC的设备都特有与某个支付账户相关联的唯一验证码。以太网、电力线通信(PLC)和Wi-Fi是支付处理以及先进计量和其他控制功能所必需的。另外，还需要与正在充电的车辆进行通信。大多数电动汽车需要通过CAN、RS232、以太网、PLC 或利用脉宽调制(PWM)信号传输与充电站实现通信。那么，这些付费充电站的设计人员怎样才能在保持设计相对简单和经济划算的同时满足此类系统中所有必备的要求呢?

针对该难题的一种简易的解决方案是采用一种嵌入式控制器或处理器，其可在单个器件中提供NFC、PLC、Wi-Fi、CAN 和10/100以太网通信，并且拥有管理计量、内务处理和功率级控制等功能。这样，开发人员就能够把印刷电路板的空间和物料清单成本保持在最低水平，同时还可将所有至关重要的通信和高级保护功能集成到系统之中。由TI提供的基于C2000 C28x + ARM Cortex-M3的双核微控制器便是此类集成型嵌入式处理器的一个例子。除了必要的测量、通信和接口要求之外，这些MCU还能处理功率级控制。

嵌入式控制器的模拟接口和处理能力是计量系统的基础。通过采用拥有该模拟集成度的器件，设计人员就能轻松实现单相及三相AC测量所需的电压和电流监视，并在基于 DC 的较高输出系统中监视输出电平。

分解设计需求

我们将把系统划分为两个部分以简化给出的示意图：

1. 被监测的电源

2. 系统的低电压通信侧

由于我们处理的既有低电压系统也有高电压系统，因此还必须考虑高电压和低电压系统之间的隔离要求。如前文所述，EV充电器目前分为三类：1级和2级(AC充电)以及3级(DC快速充电)。在1级和2级系统中，充电站架构看上去与大多数智能电网应用中常见的标准计量应用非常相似，如图1所示。计量表直接跨接在单相或三相 AC电源(公共电网)的两端，而且在系统内部没有功率控制级。其运作方式与住宅电表几乎相同，可监测通过系统的功率流，并增加了与处于充电中的车辆及支付网关的通信功能。另外，此类系统可能还有安全监测和断连功能。

1级和2级充电器均利用了车辆的内置充电系统，这种系统包括了功率因数校正升压级和高电压DC充电电路。1级充电器基于标准的120/240 VAC电平，可提供高达16 A的充电电流。2级充电可使用240 VAC或480V三相AC，但均被限制在32A。而且，在1级或2级充电场合中，充电器只是充当公用电网与被充电车辆之间的计量接口，并没有能量转换级。

 

图1：“智能”基础设施充电站的简化信号链路

DC快速充电系统的运作方式则非常不同，其将交流电源电压电平转换为一个升压DC电平，能够提供高达400A的电流。1级或2级充电器可在4到8小时内完成普通EV的充电，而DC升压充电器则能在最短20到30分钟的时间里提供相同水平的充电。虽然与3级充电相比1级和2级充电的功率级完全不同，但是这3 种级别的充电器计量应用则是共同的，因为计量输入始终是交流电源，并且位于任何PFC电路级之前。

在任何充电级别的付费型充电器应用中，我们都有以下需求(或潜在需求，这取决于计费和通信选项)：

* 被充电车辆实际用电量的计量(通常以 kWh 为单位);

* 故障管理和系统保护;

* 支付处理(信用卡、智能卡、票据收款或利用蜂窝电话通过 NFC 实现手机付费);

* 收单处理通信(Wi-Fi、以太网或 PLC);

* 至车辆的充电管理通信(通过 CAN、RS232、以太网、电力线通信或 PWM 信号传输)。

可以很容易地对计量系统进行划分，以把上述所有功能内置到单个采用一个双核处理器和一个子系统的嵌入式处理器中。另外，许多芯片供应商还提供了多种用于无线电通信和系统级隔离的解决方案。可根据上述功能把系统划分为较小的子段，以即将向客户开具的千瓦小时(kWh)计费账单的计量和确定要求作为开始。

如图2中所示，计量级利用了双核器件的模拟系统，并运用了与一个电流互感器搭配的 CPU(在本例中为 C28x DSP内核)的内部ADC和处理能力。如欲增强防篡改能力，或许还需要一个分流电阻器电路。当与实时时钟结合起来使用时，针对测量kWh的处理就变成了一种标准的电压和电流测量，根据流互感器和分流电阻器是否均并联使用以及总相数决定C2000 MCU多达7个模数转换器输入的组合方式就可以轻松处置。[!--empirenews.page--]

 

图2：至模拟子系统的多相计量连接

通过运用一种数字控制式闭环过流保护方案(示于图3中)，可借助在主充电总线上增设一个物理继电器来提高系统级安全性。利用双核器件的片上模拟比较器及其连接至一个标准GPIO的输出，并使用继电器驱动器 (DRV110)，即可实现一款闭环“智能型”电路保护方案，其提供了由用户或CPU控制的复位，同时保持了低功耗架构，并减少了所需的外部组件数量(见图3)。

 

图3：利用 DRV110 和继电器来实施线路断连

另外，在双核微控制器架构中还部署了几个可用来增强整体系统安全性的要素。控制器中有两个独立的处理器，这样一个处理器可用于定期检查另一个处理器操作的正确与否。此外，关键的计算可在两个处理器上并行运行，并在系统使用计算结果之前检查正确性。

还可以在微控制器中的数字和模拟I/O模块上采取一种相似的检查方法。关键的系统信号可连接至微控制器中的多个I/O模块，并可检查每个模块所提供之结果的正确性。其他可用于提升系统安全性的方法包括启用诸如误差校正码 (ECC)等集成型硬件内存检查机制。很多ECC硬件实施方案能够自动地检测和纠正单比特内存错误。此外，它们还能检测和报告双比特错误。此类ECC方案可用于有效地增强系统的可靠性和安全性。时钟信号对于微控制器的正确操作也是非常关键的;因此，利用集成型时钟故障检测逻辑电路是提升系统安全性的一种重要手段。另外，电源波动也会引起系统的故障和不确定的运行方式，所以利用电源监测电路并运用欠压复位和恢复方法在保证系统的安全性方面是很重要的。

集成支付处理功能

顺着信号链路继续向前，下一件需要考虑的事情是支付处理。如果器件具有一个业界标准的ARM Cortex-M3内核，则能够在主控制器中运行收单处理服务程序。主要的处理形式包括信用卡直接刷卡、票据收款或集币箱、或者利用智能手机的NFC。

直接处置信用卡需要更强的处理能力，不过ARM Cortex-M3内核和许多其他的解决方案都能处理此项事务。例如：MCU或其他嵌入式处理器中的另一个ADC输入可从磁带磁头直接读取信用卡信息。用于对磁带区域进行解码的解决方案市面上现成有售，也可以在公司内部自行开发。从技术上讲，票据收款或集币箱系统可采用相同的ARM Cortex-M3内核来实现，但为了简化，这将被视为一种采用了一个至C2000双核主机MCU的数字接口的单独系统。

* NFC使得用户能够轻触智能手机上的一个支持NFC的支付网关来完成付费。此类用途需要一个类似于使用借记卡时的 PIN 号码。做一笔至银行或支付账户的安全交易并进行验证，然后相应地收取用户的相关费用。通过把一个双内核器件的处理能力与一个NFC芯片组(如TI TRF7970)相组合，开发人员就能直接在主处理器中实现此功能，从而进一步降低增设其他组件的需要。

* 通信层可利用许多嵌入式处理器来提供支持。例如：C2000双核MCU可利用软件来支持IPv6 10/100 TCP/IP协议堆栈，并支持用于有线以太网的内部以太网MAC。

* 无线连接也得到了许多双核器件的支持——通过一种独立式无线解决方案实现了有线以太网和无线Wi-Fi通信(即：TI的SimpleLink CC3000解决方案)，因而可提供一款面向无线连接的简易型解决方案。

* PLC是一种灵活的选项，其适合于那些不具备Wi-Fi或以太网基础设施的区域。设计人员可以利用双核器件中的CPU的计算能力。除了前文描述的主机通信和测量功能之外，诸如PRIME、G3、CENELEC和FlexOFDM等低频窄带标准也可在同一个器件上进行配置。