簡化基礎(chǔ)設(shè)施中電動(dòng)汽車充電器的設(shè)計(jì)

目前，電動(dòng)汽車(EV) 和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)被越來越多國家的消費(fèi)者所推崇。在美國，僅加利福尼亞一個(gè)州就設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)：到2025年，電動(dòng)汽車數(shù)量達(dá)到150萬輛。放眼全球，電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車銷售量可能會(huì)更高，到2020年，歐洲預(yù)計(jì)銷量將達(dá)到300萬輛;中國政府相關(guān)部門制定的目標(biāo)則進(jìn)一步超越上述地區(qū)，截止2020年，預(yù)計(jì)插電式混合動(dòng)力汽車的擁有量有望達(dá)到500萬輛。在這種背景下，電動(dòng)汽車充電站的需求量自然也將急劇攀升。

影響電動(dòng)汽車消費(fèi)信心最大因素是：由于充電站數(shù)量較少，用戶擔(dān)憂EV/PHEV是否可以長時(shí)間行駛。數(shù)量充足且隨時(shí)可用的充電站有助于緩解這種擔(dān)憂，還能進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的普及率。如今，在辦公大樓、停車場站、飯店和購物中心等都有一些免費(fèi)充電站，但是，消費(fèi)者對(duì)于“付費(fèi)充電”站的需求越來越多樣化，此類系統(tǒng)中也將需要更多的技術(shù)和通信。因此對(duì)這些系統(tǒng)的技術(shù)要求毫無疑問將會(huì)不斷提高，而系統(tǒng)開發(fā)人員面臨既要保持設(shè)備小巧簡單，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)功能增加的雙重挑戰(zhàn)。

無線充電及通信

目前許多城區(qū)內(nèi)的付費(fèi)充電站的外觀和工作原理都類似于停車計(jì)時(shí)器，只是多了一根可供用戶插入汽車的充電電纜。有三種常見的充電站類型(或等級(jí))：

* 1 級(jí)和 2 級(jí)充電站是“帶計(jì)量功能的”AC電源，其利用了 EV的內(nèi)置充電功能電路。

* 3 級(jí)(Level 3)充電站包含了 DC“快速充電器”。這些充電器繞開了汽車功率因數(shù)校正(PFC)電路并把 400 VDC 饋至電池充電級(jí)。

盡管功能級(jí)別和功率均有所不同，但這三者有一點(diǎn)是相同的：測量用電量并提供收費(fèi)功能。在“付費(fèi)充電”站中，還必須與用于信用卡收費(fèi)、移動(dòng)用戶手機(jī)套餐扣費(fèi)、甚至處理現(xiàn)金交易的后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信連接。該功能要求系統(tǒng)有靈活的架構(gòu)。

這對(duì)于所使用的技術(shù)意味著什么呢?移動(dòng)支付必不可少的近場通信(NFC)是一種超短程通信標(biāo)準(zhǔn)，其工作原理與射頻識(shí)別非常接近。每部智能手機(jī)或支持NFC的設(shè)備都特有與某個(gè)支付賬戶相關(guān)聯(lián)的唯一驗(yàn)證碼。以太網(wǎng)、電力線通信(PLC)和Wi-Fi是支付處理以及先進(jìn)計(jì)量和其他控制功能所必需的。另外，還需要與正在充電的車輛進(jìn)行通信。大多數(shù)電動(dòng)汽車需要通過CAN、RS232、以太網(wǎng)、PLC 或利用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)傳輸與充電站實(shí)現(xiàn)通信。那么，這些付費(fèi)充電站的設(shè)計(jì)人員怎樣才能在保持設(shè)計(jì)相對(duì)簡單和經(jīng)濟(jì)劃算的同時(shí)滿足此類系統(tǒng)中所有必備的要求呢?

針對(duì)該難題的一種簡易的解決方案是采用一種嵌入式控制器或處理器，其可在單個(gè)器件中提供NFC、PLC、Wi-Fi、CAN 和10/100以太網(wǎng)通信，并且擁有管理計(jì)量、內(nèi)務(wù)處理和功率級(jí)控制等功能。這樣，開發(fā)人員就能夠把印刷電路板的空間和物料清單成本保持在最低水平，同時(shí)還可將所有至關(guān)重要的通信和高級(jí)保護(hù)功能集成到系統(tǒng)之中。由TI提供的基于C2000 C28x + ARM Cortex-M3的雙核微控制器便是此類集成型嵌入式處理器的一個(gè)例子。除了必要的測量、通信和接口要求之外，這些MCU還能處理功率級(jí)控制。

嵌入式控制器的模擬接口和處理能力是計(jì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過采用擁有該模擬集成度的器件，設(shè)計(jì)人員就能輕松實(shí)現(xiàn)單相及三相AC測量所需的電壓和電流監(jiān)視，并在基于 DC 的較高輸出系統(tǒng)中監(jiān)視輸出電平。

分解設(shè)計(jì)需求

我們將把系統(tǒng)劃分為兩個(gè)部分以簡化給出的示意圖：

1. 被監(jiān)測的電源

2. 系統(tǒng)的低電壓通信側(cè)

由于我們處理的既有低電壓系統(tǒng)也有高電壓系統(tǒng)，因此還必須考慮高電壓和低電壓系統(tǒng)之間的隔離要求。如前文所述，EV充電器目前分為三類：1級(jí)和2級(jí)(AC充電)以及3級(jí)(DC快速充電)。在1級(jí)和2級(jí)系統(tǒng)中，充電站架構(gòu)看上去與大多數(shù)智能電網(wǎng)應(yīng)用中常見的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量應(yīng)用非常相似，如圖1所示。計(jì)量表直接跨接在單相或三相 AC電源(公共電網(wǎng))的兩端，而且在系統(tǒng)內(nèi)部沒有功率控制級(jí)。其運(yùn)作方式與住宅電表幾乎相同，可監(jiān)測通過系統(tǒng)的功率流，并增加了與處于充電中的車輛及支付網(wǎng)關(guān)的通信功能。另外，此類系統(tǒng)可能還有安全監(jiān)測和斷連功能。

1級(jí)和2級(jí)充電器均利用了車輛的內(nèi)置充電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括了功率因數(shù)校正升壓級(jí)和高電壓DC充電電路。1級(jí)充電器基于標(biāo)準(zhǔn)的120/240 VAC電平，可提供高達(dá)16 A的充電電流。2級(jí)充電可使用240 VAC或480V三相AC，但均被限制在32A。而且，在1級(jí)或2級(jí)充電場合中，充電器只是充當(dāng)公用電網(wǎng)與被充電車輛之間的計(jì)量接口，并沒有能量轉(zhuǎn)換級(jí)。

圖1：“智能”基礎(chǔ)設(shè)施充電站的簡化信號(hào)鏈路

DC快速充電系統(tǒng)的運(yùn)作方式則非常不同，其將交流電源電壓電平轉(zhuǎn)換為一個(gè)升壓DC電平，能夠提供高達(dá)400A的電流。1級(jí)或2級(jí)充電器可在4到8小時(shí)內(nèi)完成普通EV的充電，而DC升壓充電器則能在最短20到30分鐘的時(shí)間里提供相同水平的充電。雖然與3級(jí)充電相比1級(jí)和2級(jí)充電的功率級(jí)完全不同，但是這3 種級(jí)別的充電器計(jì)量應(yīng)用則是共同的，因?yàn)橛?jì)量輸入始終是交流電源，并且位于任何PFC電路級(jí)之前。

在任何充電級(jí)別的付費(fèi)型充電器應(yīng)用中，我們都有以下需求(或潛在需求，這取決于計(jì)費(fèi)和通信選項(xiàng))：

* 被充電車輛實(shí)際用電量的計(jì)量(通常以 kWh 為單位);

* 故障管理和系統(tǒng)保護(hù);

* 支付處理(信用卡、智能卡、票據(jù)收款或利用蜂窩電話通過 NFC 實(shí)現(xiàn)手機(jī)付費(fèi));

* 收單處理通信(Wi-Fi、以太網(wǎng)或 PLC);

* 至車輛的充電管理通信(通過 CAN、RS232、以太網(wǎng)、電力線通信或 PWM 信號(hào)傳輸)。

可以很容易地對(duì)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行劃分，以把上述所有功能內(nèi)置到單個(gè)采用一個(gè)雙核處理器和一個(gè)子系統(tǒng)的嵌入式處理器中。另外，許多芯片供應(yīng)商還提供了多種用于無線電通信和系統(tǒng)級(jí)隔離的解決方案?？筛鶕?jù)上述功能把系統(tǒng)劃分為較小的子段，以即將向客戶開具的千瓦小時(shí)(kWh)計(jì)費(fèi)賬單的計(jì)量和確定要求作為開始。

如圖2中所示，計(jì)量級(jí)利用了雙核器件的模擬系統(tǒng)，并運(yùn)用了與一個(gè)電流互感器搭配的 CPU(在本例中為 C28x DSP內(nèi)核)的內(nèi)部ADC和處理能力。如欲增強(qiáng)防篡改能力，或許還需要一個(gè)分流電阻器電路。當(dāng)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘結(jié)合起來使用時(shí)，針對(duì)測量kWh的處理就變成了一種標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流測量，根據(jù)流互感器和分流電阻器是否均并聯(lián)使用以及總相數(shù)決定C2000 MCU多達(dá)7個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的組合方式就可以輕松處置。[!--empirenews.page--]

圖2：至模擬子系統(tǒng)的多相計(jì)量連接

通過運(yùn)用一種數(shù)字控制式閉環(huán)過流保護(hù)方案(示于圖3中)，可借助在主充電總線上增設(shè)一個(gè)物理繼電器來提高系統(tǒng)級(jí)安全性。利用雙核器件的片上模擬比較器及其連接至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)GPIO的輸出，并使用繼電器驅(qū)動(dòng)器 (DRV110)，即可實(shí)現(xiàn)一款閉環(huán)“智能型”電路保護(hù)方案，其提供了由用戶或CPU控制的復(fù)位，同時(shí)保持了低功耗架構(gòu)，并減少了所需的外部組件數(shù)量(見圖3)。

圖3：利用 DRV110 和繼電器來實(shí)施線路斷連

另外，在雙核微控制器架構(gòu)中還部署了幾個(gè)可用來增強(qiáng)整體系統(tǒng)安全性的要素?？刂破髦杏袃蓚€(gè)獨(dú)立的處理器，這樣一個(gè)處理器可用于定期檢查另一個(gè)處理器操作的正確與否。此外，關(guān)鍵的計(jì)算可在兩個(gè)處理器上并行運(yùn)行，并在系統(tǒng)使用計(jì)算結(jié)果之前檢查正確性。

還可以在微控制器中的數(shù)字和模擬I/O模塊上采取一種相似的檢查方法。關(guān)鍵的系統(tǒng)信號(hào)可連接至微控制器中的多個(gè)I/O模塊，并可檢查每個(gè)模塊所提供之結(jié)果的正確性。其他可用于提升系統(tǒng)安全性的方法包括啟用諸如誤差校正碼 (ECC)等集成型硬件內(nèi)存檢查機(jī)制。很多ECC硬件實(shí)施方案能夠自動(dòng)地檢測和糾正單比特內(nèi)存錯(cuò)誤。此外，它們還能檢測和報(bào)告雙比特錯(cuò)誤。此類ECC方案可用于有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。時(shí)鐘信號(hào)對(duì)于微控制器的正確操作也是非常關(guān)鍵的;因此，利用集成型時(shí)鐘故障檢測邏輯電路是提升系統(tǒng)安全性的一種重要手段。另外，電源波動(dòng)也會(huì)引起系統(tǒng)的故障和不確定的運(yùn)行方式，所以利用電源監(jiān)測電路并運(yùn)用欠壓復(fù)位和恢復(fù)方法在保證系統(tǒng)的安全性方面是很重要的。

集成支付處理功能

順著信號(hào)鏈路繼續(xù)向前，下一件需要考慮的事情是支付處理。如果器件具有一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，則能夠在主控制器中運(yùn)行收單處理服務(wù)程序。主要的處理形式包括信用卡直接刷卡、票據(jù)收款或集幣箱、或者利用智能手機(jī)的NFC。

直接處置信用卡需要更強(qiáng)的處理能力，不過ARM Cortex-M3內(nèi)核和許多其他的解決方案都能處理此項(xiàng)事務(wù)。例如：MCU或其他嵌入式處理器中的另一個(gè)ADC輸入可從磁帶磁頭直接讀取信用卡信息。用于對(duì)磁帶區(qū)域進(jìn)行解碼的解決方案市面上現(xiàn)成有售，也可以在公司內(nèi)部自行開發(fā)。從技術(shù)上講，票據(jù)收款或集幣箱系統(tǒng)可采用相同的ARM Cortex-M3內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)，但為了簡化，這將被視為一種采用了一個(gè)至C2000雙核主機(jī)MCU的數(shù)字接口的單獨(dú)系統(tǒng)。

* NFC使得用戶能夠輕觸智能手機(jī)上的一個(gè)支持NFC的支付網(wǎng)關(guān)來完成付費(fèi)。此類用途需要一個(gè)類似于使用借記卡時(shí)的 PIN 號(hào)碼。做一筆至銀行或支付賬戶的安全交易并進(jìn)行驗(yàn)證，然后相應(yīng)地收取用戶的相關(guān)費(fèi)用。通過把一個(gè)雙內(nèi)核器件的處理能力與一個(gè)NFC芯片組(如TI TRF7970)相組合，開發(fā)人員就能直接在主處理器中實(shí)現(xiàn)此功能，從而進(jìn)一步降低增設(shè)其他組件的需要。

* 通信層可利用許多嵌入式處理器來提供支持。例如：C2000雙核MCU可利用軟件來支持IPv6 10/100 TCP/IP協(xié)議堆棧，并支持用于有線以太網(wǎng)的內(nèi)部以太網(wǎng)MAC。

* 無線連接也得到了許多雙核器件的支持——通過一種獨(dú)立式無線解決方案實(shí)現(xiàn)了有線以太網(wǎng)和無線Wi-Fi通信(即：TI的SimpleLink CC3000解決方案)，因而可提供一款面向無線連接的簡易型解決方案。

* PLC是一種靈活的選項(xiàng)，其適合于那些不具備Wi-Fi或以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域。設(shè)計(jì)人員可以利用雙核器件中的CPU的計(jì)算能力。除了前文描述的主機(jī)通信和測量功能之外，諸如PRIME、G3、CENELEC和FlexOFDM等低頻窄帶標(biāo)準(zhǔn)也可在同一個(gè)器件上進(jìn)行配置。