簡化基礎設施中電動汽車充電器的設計

目前，電動汽車(EV) 和插電式混合動力汽車(PHEV)被越來越多國家的消費者所推崇。在美國，僅加利福尼亞一個州就設定了一個目標：到2025年，電動汽車數量達到150萬輛。放眼全球，電動汽車和插電式混合動力汽車銷售量可能會更高，到2020年，歐洲預計銷量將達到300萬輛;中國政府相關部門制定的目標則進一步超越上述地區(qū)，截止2020年，預計插電式混合動力汽車的擁有量有望達到500萬輛。在這種背景下，電動汽車充電站的需求量自然也將急劇攀升。

影響電動汽車消費信心最大因素是：由于充電站數量較少，用戶擔憂EV/PHEV是否可以長時間行駛。數量充足且隨時可用的充電站有助于緩解這種擔憂，還能進一步提高電動汽車的普及率。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充電站，但是，消費者對于“付費充電”站的需求越來越多樣化，此類系統中也將需要更多的技術和通信。因此對這些系統的技術要求毫無疑問將會不斷提高，而系統開發(fā)人員面臨既要保持設備小巧簡單，同時也實現功能增加的雙重挑戰(zhàn)。

無線充電及通信

目前許多城區(qū)內的付費充電站的外觀和工作原理都類似于停車計時器，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)：

* 1 級和 2 級充電站是“帶計量功能的”AC電源，其利用了 EV的內置充電功能電路。

* 3 級(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校正(PFC)電路并把 400 VDC 饋至電池充電級。

盡管功能級別和功率均有所不同，但這三者有一點是相同的：測量用電量并提供收費功能。在“付費充電”站中，還必須與用于信用卡收費、移動用戶手機套餐扣費、甚至處理現金交易的后臺網絡進行通信連接。該功能要求系統有靈活的架構。

這對于所使用的技術意味著什么呢?移動支付必不可少的近場通信(NFC)是一種超短程通信標準，其工作原理與射頻識別非常接近。每部智能手機或支持NFC的設備都特有與某個支付賬戶相關聯的唯一驗證碼。以太網、電力線通信(PLC)和Wi-Fi是支付處理以及先進計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行通信。大多數電動汽車需要通過CAN、RS232、以太網、PLC 或利用脈寬調制(PWM)信號傳輸與充電站實現通信。那么，這些付費充電站的設計人員怎樣才能在保持設計相對簡單和經濟劃算的同時滿足此類系統中所有必備的要求呢?

針對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，其可在單個器件中提供NFC、PLC、Wi-Fi、CAN 和10/100以太網通信，并且擁有管理計量、內務處理和功率級控制等功能。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，同時還可將所有至關重要的通信和高級保護功能集成到系統之中。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還能處理功率級控制。

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

分解設計需求

我們將把系統劃分為兩個部分以簡化給出的示意圖：

1. 被監(jiān)測的電源

2. 系統的低電壓通信側

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

1級和2級充電器均利用了車輛的內置充電系統，這種系統包括了功率因數校正升壓級和高電壓DC充電電路。1級充電器基于標準的120/240 VAC電平，可提供高達16 A的充電電流。2級充電可使用240 VAC或480V三相AC，但均被限制在32A。而且，在1級或2級充電場合中，充電器只是充當公用電網與被充電車輛之間的計量接口，并沒有能量轉換級。

圖1：“智能”基礎設施充電站的簡化信號鏈路

DC快速充電系統的運作方式則非常不同，其將交流電源電壓電平轉換為一個升壓DC電平，能夠提供高達400A的電流。1級或2級充電器可在4到8小時內完成普通EV的充電，而DC升壓充電器則能在最短20到30分鐘的時間里提供相同水平的充電。雖然與3級充電相比1級和2級充電的功率級完全不同，但是這3 種級別的充電器計量應用則是共同的，因為計量輸入始終是交流電源，并且位于任何PFC電路級之前。

在任何充電級別的付費型充電器應用中，我們都有以下需求(或潛在需求，這取決于計費和通信選項)：

* 被充電車輛實際用電量的計量(通常以 kWh 為單位);

* 故障管理和系統保護;

* 支付處理(信用卡、智能卡、票據收款或利用蜂窩電話通過 NFC 實現手機付費);

* 收單處理通信(Wi-Fi、以太網或 PLC);

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

可以很容易地對計量系統進行劃分，以把上述所有功能內置到單個采用一個雙核處理器和一個子系統的嵌入式處理器中。另外，許多芯片供應商還提供了多種用于無線電通信和系統級隔離的解決方案。可根據上述功能把系統劃分為較小的子段，以即將向客戶開具的千瓦小時(kWh)計費賬單的計量和確定要求作為開始。

如圖2中所示，計量級利用了雙核器件的模擬系統，并運用了與一個電流互感器搭配的 CPU(在本例中為 C28x DSP內核)的內部ADC和處理能力。如欲增強防篡改能力，或許還需要一個分流電阻器電路。當與實時時鐘結合起來使用時，針對測量kWh的處理就變成了一種標準的電壓和電流測量，根據流互感器和分流電阻器是否均并聯使用以及總相數決定C2000 MCU多達7個模數轉換器輸入的組合方式就可以輕松處置。