簡(jiǎn)化基礎設施中電動(dòng)汽車(chē)充電器的設計

目前，電動(dòng)汽車(chē)(EV) 和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)被越來(lái)越多國家的消費者所推崇。在美國，僅加利福尼亞一個(gè)州就設定了一個(gè)目標：到2025年，電動(dòng)汽車(chē)數量達到150萬(wàn)輛。放眼全球，電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售量可能會(huì )更高，到2020年，歐洲預計銷(xiāo)量將達到300萬(wàn)輛;中國政府相關(guān)部門(mén)制定的目標則進(jìn)一步超越上述地區，截止2020年，預計插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的擁有量有望達到500萬(wàn)輛。在這種背景下，電動(dòng)汽車(chē)充電站的需求量自然也將急劇攀升。

影響電動(dòng)汽車(chē)消費信心最大因素是：由于充電站數量較少，用戶(hù)擔憂(yōu)EV/PHEV是否可以長(cháng)時(shí)間行駛。數量充足且隨時(shí)可用的充電站有助于緩解這種擔憂(yōu)，還能進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)的普及率。如今，在辦公大樓、停車(chē)場(chǎng)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(lái)越多樣化，此類(lèi)系統中也將需要更多的技術(shù)和通信。因此對這些系統的技術(shù)要求毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì )不斷提高，而系統開(kāi)發(fā)人員面臨既要保持設備小巧簡(jiǎn)單，同時(shí)也實(shí)現功能增加的雙重挑戰。

無(wú)線(xiàn)充電及通信

目前許多城區內的付費充電站的外觀(guān)和工作原理都類(lèi)似于停車(chē)計時(shí)器，只是多了一根可供用戶(hù)插入汽車(chē)的充電電纜。有三種常見(jiàn)的充電站類(lèi)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(kāi)了汽車(chē)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(diǎn)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(dòng)用戶(hù)手機套餐扣費、甚至處理現金交易的后臺網(wǎng)絡(luò )進(jìn)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(shù)意味著(zhù)什么呢?移動(dòng)支付必不可少的近場(chǎng)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(gè)支付賬戶(hù)相關(guān)聯(lián)的唯一驗證碼。以太網(wǎng)、電力線(xiàn)通信(PLC)和Wi-Fi是支付處理以及先進(jìn)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(chē)輛進(jìn)行通信。大多數電動(dòng)汽車(chē)需要通過(guò)CAN、RS232、以太網(wǎng)、PLC 或利用脈寬調制(PWM)信號傳輸與充電站實(shí)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(jiǎn)單和經(jīng)濟劃算的同時(shí)滿(mǎn)足此類(lèi)系統中所有必備的要求呢?

針對該難題的一種簡(jiǎn)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，并且擁有管理計量、內務(wù)處理和功率級控制等功能。這樣，開(kāi)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(lèi)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量系統的基礎。通過(guò)采用擁有該模擬集成度的器件，設計人員就能輕松實(shí)現單相及三相AC測量所需的電壓和電流監視，并在基于 DC 的較高輸出系統中監視輸出電平。

分解設計需求

我們將把系統劃分為兩個(gè)部分以簡(jiǎn)化給出的示意圖：

1. 被監測的電源

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(lèi)：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(wǎng)應用中常見(jiàn)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(wǎng))的兩端，而且在系統內部沒(méi)有功率控制級。其運作方式與住宅電表幾乎相同，可監測通過(guò)系統的功率流，并增加了與處于充電中的車(chē)輛及支付網(wǎng)關(guān)的通信功能。另外，此類(lèi)系統可能還有安全監測和斷連功能。

1級和2級充電器均利用了車(chē)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(chǎng)合中，充電器只是充當公用電網(wǎng)與被充電車(chē)輛之間的計量接口，并沒(méi)有能量轉換級。

圖1：“智能”基礎設施充電站的簡(jiǎn)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(gè)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(shí)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(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(chē)輛實(shí)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(huà)通過(guò) NFC 實(shí)現手機付費);

* 收單處理通信(Wi-Fi、以太網(wǎng)或 PLC);

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

可以很容易地對計量系統進(jìn)行劃分，以把上述所有功能內置到單個(gè)采用一個(gè)雙核處理器和一個(gè)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(wú)線(xiàn)電通信和系統級隔離的解決方案?？筛鶕鲜龉δ馨严到y劃分為較小的子段，以即將向客戶(hù)開(kāi)具的千瓦小時(shí)(kWh)計費賬單的計量和確定要求作為開(kāi)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(gè)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(gè)分流電阻器電路。當與實(shí)時(shí)時(shí)鐘結合起來(lái)使用時(shí)，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(lián)使用以及總相數決定C2000 MCU多達7個(gè)模數轉換器輸入的組合方式就可以輕松處置。