簡化基礎(chǔ)設(shè)施中電動汽車充電器的設(shè)計(jì)

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(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，電動汽車數(shù)量達(dá)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(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)插電式混合動力汽車的擁有量有望達(dá)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(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。因此對這些系統(tǒng)的技術(shù)要求毫無疑問將會不斷提高，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)：

* 1 級和 2 級充電站是“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(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。

盡管功能級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)、移動用戶手機(jī)套餐扣費(fèi)、甚至處理現(xiàn)金交易的后臺網(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)。

這對于所使用的技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，其工作原理與射頻識別非常接近。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)電動汽車需要通過CAN、RS232、以太網(wǎng)、PLC 或利用脈寬調(diào)制(PWM)信號傳輸與充電站實(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級和2級(AC充電)以及3級(DC快速充電)。在1級和2級系統(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。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級和2級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)校正升壓級和高電壓DC充電電路。1級充電器基于標(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(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。

圖1：“智能”基礎(chǔ)設(shè)施充電站的簡化信號鏈路

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級或2級充電器可在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(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電路級之前。

在任何充電級別的付費(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 信號傳輸)。

可以很容易地對計(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。