電動(dòng)車(chē)充電站設計開(kāi)發(fā)指南

引言

開(kāi)發(fā)板可為充電概念提供快速原型設計、降低開(kāi)發(fā)成本、提高靈活性并且使其更快地上市。它們可加快原型設計周期，允許快速迭代設計并測試各種充電概念，且無(wú)需進(jìn)行定制硬件設計。這不僅降低了總體開(kāi)發(fā)成本，而且允許模塊化設計和定制選項。這些開(kāi)發(fā)板無(wú)需定制硬件設計，從而能夠方便地對不同技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗。這種方法不僅具有高性?xún)r(jià)比，而且有助于讓開(kāi)發(fā)過(guò)程更加敏捷，從而讓工程師能夠探索創(chuàng )造性的解決方案，并高效利用資源應對各項挑戰?？傮w而言，開(kāi)發(fā)板提供了一種高性?xún)r(jià)比且靈活的充電開(kāi)發(fā)方法。

電動(dòng)車(chē)充電開(kāi)發(fā)平臺

電動(dòng)車(chē)服務(wù)設備（EVSE）可幫助電網(wǎng)向電動(dòng)車(chē)安全供電。這是一個(gè)用于創(chuàng )建高效可靠的電動(dòng)車(chē)充電站的全面解決方案。它集成了精心策劃的硬件和軟件，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，使工程師能夠方便地設計具有人機界面（HMI）的智能互聯(lián)電動(dòng)車(chē)充電站。該平臺應具備多種功能，可滿(mǎn)足各種充電水平和配置，并根據特定需求量身定制。

模塊化設計功能使其成為加快開(kāi)發(fā)和部署電動(dòng)車(chē)充電基礎設施的理想選擇。它必須在結合通信、安全和保障的同時(shí)為電網(wǎng)集成提供便捷的升級路徑。軟件包含用于充電會(huì )話(huà)的底層驅動(dòng)程序和操作系統，并且提供生產(chǎn)用系統模塊（SOM）和圖形二進(jìn)制文件，以縮短開(kāi)發(fā)上市時(shí)間。

開(kāi)放充電樁協(xié)議（OCPP）是充電站及其網(wǎng)絡(luò )（充電樁運營(yíng)商 - CPO）的標準通信協(xié)議，需要具備諸如以太網(wǎng)、蜂窩、Wi-Fi 或Sub-1 GHz信號等多種連接選項。它支持安全通信和OTA更新，旨在為電動(dòng)車(chē)和充電站在充電過(guò)程中提供一種安全的標準化通信方式。

電動(dòng)車(chē)充電器的組成部分

EVSE控制系統由輔助功率級、非板載AC/DC大功率級（僅用于直流充電站）、電能計量裝置、交直流剩余電流檢測器、隔離監控裝置、帶驅動(dòng)器的繼電器和接觸器、單線(xiàn)雙向通信以及服務(wù)和用戶(hù)界面組成。

AC-DC轉換器用于將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉換為直流電。逆變器用于將直流電轉換為交流電。功率因數校正（PFC）裝置用于提高AC-DC轉換器的效率（圖1）。電動(dòng)車(chē)充電站還可能包含其他電力電子元件，例如隔離變壓器，它將電動(dòng)車(chē)的電池與電網(wǎng)隔離開(kāi)來(lái)，有助于保護電動(dòng)車(chē)免受電氣危害。冷卻系統用于冷卻電力電子元件，防止其過(guò)熱?？刂瓢灞O測并控制電力電子元件的運行。

直流充電站的發(fā)展趨勢是以更低的損耗支持更高的功率和電壓。微控制器和電源管理集成電路旨在集成安全、安保、固件更新、外設功能，并減少物料清單（BoM）。如需高電壓支持以及將功率半導體切換為低功耗半導體的技術(shù)，柵極驅動(dòng)器集成電路至關(guān)重要。

圖1 電動(dòng)車(chē)直流充電器的主要組件

前端是一個(gè)帶功率因數校正（PFC）的AC-DC升壓轉換器，然后是一個(gè)在電網(wǎng)和負載（電動(dòng)車(chē)電池）之間提供隔離的DC-DC級，并調節輸出端的電壓和電流。該系統也可能雙向運行（特別是在功率較低的情況下），因此拓撲結構和設計應考慮到這一點(diǎn)。

系統包括各種組件，如NFC閱讀器、屏幕、控制面板、BLE、PLC、主CPU、ISO15118協(xié)議棧、OCPP協(xié)議棧、WiFi/LTE、信號調節、電壓、電流和溫度傳感器，以實(shí)現無(wú)縫的用戶(hù)體驗，確保安全認證、實(shí)時(shí)數據顯示和高效的電源管理?；?nbsp;MOSFET的設計可實(shí)現同步整流，更高的開(kāi)關(guān)頻率和更小的無(wú)源元件。

開(kāi)發(fā)定制電動(dòng)車(chē)充電器能夠帶來(lái)獨有的特性和功能，例如高級用戶(hù)界面、智能充電算法以及與可再生能源集成。充電器的設計可滿(mǎn)足充電速度、功率容量、連接器類(lèi)型和用戶(hù)界面等特定要求。深入分析充電模式和能耗，需要具備先進(jìn)的數據收集功能，從而優(yōu)化充電操作并做出明智的決策。功率較高的直流充電器通常采用模塊化設計，將15至75 kW（及以上）的電源塊堆疊在一個(gè)機柜中。一般來(lái)說(shuō)，直流充電器的輸出電壓范圍為從150 V到1000 V以上，涵蓋400 V和800 V標準電動(dòng)車(chē)電池電平，并且可針對較高或較低電壓端進(jìn)行優(yōu)化。

開(kāi)發(fā)平臺產(chǎn)品

在設計和測試新型電動(dòng)車(chē)充電技術(shù)時(shí)，開(kāi)發(fā)板發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，它可以確保充電解決方案的便利性和效率。下面，我們將介紹用于電動(dòng)車(chē)充電系統的開(kāi)發(fā)板，這些開(kāi)發(fā)板具有不同的額定功率輸出用于A(yíng)C-DC、DC-DC轉換器。

a.NXP解決方案

EasyEVSE電動(dòng)車(chē)充電站開(kāi)發(fā)平臺提供硬件配置說(shuō)明和示例軟件，用于在EVSE和基于云的應用之間建立安全連接。此模塊化平臺可用于構建差異化EVSE系統，支持設備到云和云到設備的通信、準確的電能計費和一鍵式NFC認證。它支持Microsoft Azure IoT Central服務(wù)等云服務(wù)、EdgeLock? SE050安全元件、用于準確進(jìn)行電能計費的Kinetis M計量MCU以及用于一鍵式身份驗證的CLRC663高性能NFC前端。

圖2 EasyEVSE參考設計框圖

EasyEVSE（圖2）由主機控制器 (i. MX RT106x 交叉 MCU）、儀表（KM3x 計量 MCU）、安全元件（SE050 安全元件）、NFC（CLRC663 NFC 前端）、物聯(lián)網(wǎng)連接 (Microsoft Azure IoT Central)、圖形用戶(hù)界面（GUI）組成?？梢詥螕舸颂幷业剿羞@些產(chǎn)品。

控制器模塊管理與儀表、NFC、安全和物聯(lián)網(wǎng)模塊的通信，提供一個(gè)GUI界面用于監控和管理EasyEVSE。NFC模塊讀取NFC設備的UID，而安全模塊則安全地存儲 Azure物聯(lián)網(wǎng)云的EasyEVSE憑證。物聯(lián)網(wǎng)和連接模塊，即Azure IoT Central應用，接收、存儲來(lái)自EasyEVSE的遙測數據并將其顯示在儀表板中。遙測數據每分鐘數次定期發(fā)送到EasyEVSE儀表板。

該儀表板可實(shí)時(shí)修改EasyEVSE屬性，模擬輸送電能的實(shí)際應用，根據電網(wǎng)需求改變電價(jià)成本。它還可以向EasyEVSE發(fā)送指令。

b.Onsemi解決方案

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK - 基于SiC的25 kW直流快速充電器（DCFC）

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 是基于SiC功率集成模塊的25kW快速直流電動(dòng)車(chē)充電器的參考設計套件。該完整SiC解決方案由PFC和DC-DC級組成，配備多個(gè) 1200V、10 毫歐姆半橋SiC模塊NXH010P120MNF1，并且超低RDS(on)和最小的寄生電感可以顯著(zhù)降低傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

該系統覆蓋較寬的輸出電壓范圍，能夠給使用400 V和800 V電池的電動(dòng)車(chē)充電，并針對較高電壓水平進(jìn)行了優(yōu)化。輸入電壓的額定值為歐盟400 Vac和美國480 Vac 三相電網(wǎng)。功率級能夠在500 V至1000 V的電壓范圍內輸送25 kW電力。如果低于500 V，輸出電流將限制為50 A，根據CCS或CHAdeMO等直流充電標準的規定降低額定功率（圖3）。

圖3 評估套件-SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK

關(guān)于通信端口，電路板將為外部接口（電源模塊、充電器系統控制器、車(chē)輛、服務(wù)和維護之間）提供隔離的CAN、USB和UART基礎設施。

該系統可在200V-1000V輸出電壓下輸送最大25kW的電力，可為400V或800V電動(dòng)車(chē)電池充電，全時(shí)效率高達96%。

圖4 25 kW電動(dòng)車(chē)直流充電器功率級高級框圖

如圖 4 所示，它采用了兩塊設計有Zynq^?-7000 SoC FPGA和基于A(yíng)RM^?處理器的通用控制板（UCB）。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK的亮點(diǎn)還有電隔離大電流驅動(dòng)器NCD57000、為低壓組件提供穩定電壓軌的輔助電源解決方案SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB、集成保護功能（如浪涌控制、過(guò)壓保護）和多個(gè)通信接口。

c. Infineon解決方案-REF-DAB11KIZSICSYS

REF-DAB11KIZSICSYS板是一個(gè)DC-DC級，輸出范圍大，使用兩個(gè)電感器和兩個(gè)電容器（CLLC）諧振網(wǎng)絡(luò )，具有雙向功能。該轉換器的功率轉換效率較高，因為對稱(chēng) CLLC諧振網(wǎng)絡(luò )具有初級電源開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)功能和次級側輸出整流器的同步整流換向功能。該轉換器可以改變功率流向，在不進(jìn)行同步整流的情況下，其最大功率轉換效率約為 97.2%。

圖5 REF-DAB11KIZSICSYS電路板

11 kW SiC 雙向DC/DC轉換器電路板專(zhuān)為電動(dòng)車(chē)充電和儲能系統（ESS）應用而設計。它采用CLLC拓撲結構，適用于從30 kW到150 kW的充電器。該電路板使用TO247-4封裝的1200 V CoolSiC? MOSFET和EiceDRIVER? 1ED緊湊型柵極驅動(dòng)器集成電路，從而提高效率、節省空間和重量、減少零件數量并提高系統可靠性。

結語(yǔ)

以上我們的討論強調了原型設計、模塊化解決方案和開(kāi)發(fā)板對于定制電動(dòng)車(chē)充電站的重要性。這些工具使工程師能夠快速構建和測試創(chuàng )新的充電概念，而無(wú)需進(jìn)行硬件設計，從而縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間。這凸顯了這些開(kāi)發(fā)工具在電動(dòng)車(chē)充電站建設中的效率和有效性。

下面列出了多款電動(dòng)車(chē)充電開(kāi)發(fā)板：

 以下是用于電動(dòng)車(chē)充電的開(kāi)發(fā)板