電動(dòng)車充電站設(shè)計(jì)開發(fā)指南

e絡(luò)盟技術(shù)團(tuán)隊(duì)

引言

開發(fā)板可為充電概念提供快速原型設(shè)計(jì)、降低開發(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(shè)計(jì)周期，允許快速迭代設(shè)計(jì)并測(cè)試各種充電概念，且無(wú)需進(jìn)行定制硬件設(shè)計(jì)。這不僅降低了總體開發(fā)成本，而且允許模塊化設(shè)計(jì)和定制選項(xiàng)。這些開發(fā)板無(wú)需定制硬件設(shè)計(jì)，從而能夠方便地對(duì)不同技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種方法不僅具有高性價(jià)比，而且有助于讓開發(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(yīng)對(duì)各項(xiàng)挑戰(zhàn)?？傮w而言，開發(fā)板提供了一種高性價(jià)比且靈活的充電開發(fā)方法。

電動(dòng)車充電開發(fā)平臺(tái)

電動(dòng)車服務(wù)設(shè)備（EVSE）可幫助電網(wǎng)向電動(dòng)車安全供電。這是一個(gè)用于創(chuàng)建高效可靠的電動(dòng)車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)化了開發(fā)過(guò)程，使工程師能夠方便地設(shè)計(jì)具有人機(jī)界面（HMI）的智能互聯(lián)電動(dòng)車充電站。該平臺(tái)應(yīng)具備多種功能，可滿足各種充電水平和配置，并根據(jù)特定需求量身定制。

模塊化設(shè)計(jì)功能使其成為加快開發(fā)和部署電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施的理想選擇。它必須在結(jié)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(jí)路徑。軟件包含用于充電會(huì)話的底層驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)，并且提供生產(chǎn)用系統(tǒng)模塊（SOM）和圖形二進(jìn)制文件，以縮短開發(fā)上市時(shí)間。

開放充電樁協(xié)議（OCPP）是充電站及其網(wǎng)絡(luò)（充電樁運(yùn)營(yíng)商 - CPO）的標(biāo)準(zhǔn)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(hào)等多種連接選項(xiàng)。它支持安全通信和OTA更新，旨在為電動(dòng)車和充電站在充電過(guò)程中提供一種安全的標(biāo)準(zhǔn)化通信方式。

電動(dòng)車充電器的組成部分

EVSE控制系統(tǒng)由輔助功率級(jí)、非板載AC/DC大功率級(jí)（僅用于直流充電站）、電能計(jì)量裝置、交直流剩余電流檢測(cè)器、隔離監(jiān)控裝置、帶驅(qū)動(dòng)器的繼電器和接觸器、單線雙向通信以及服務(wù)和用戶界面組成。

AC-DC轉(zhuǎn)換器用于將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。功率因數(shù)校正（PFC）裝置用于提高AC-DC轉(zhuǎn)換器的效率（圖1）。電動(dòng)車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)車的電池與電網(wǎng)隔離開來(lái)，有助于保護(hù)電動(dòng)車免受電氣危害。冷卻系統(tǒng)用于冷卻電力電子元件，防止其過(guò)熱?？刂瓢灞O(jiān)測(cè)并控制電力電子元件的運(yùn)行。

直流充電站的發(fā)展趨勢(shì)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(shè)功能，并減少物料清單（BoM）。如需高電壓支持以及將功率半導(dǎo)體切換為低功耗半導(dǎo)體的技術(shù)，柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路至關(guān)重要。

圖1：電動(dòng)車直流充電器的主要組件

前端是一個(gè)帶功率因數(shù)校正（PFC）的AC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，然后是一個(gè)在電網(wǎng)和負(fù)載（電動(dòng)車電池）之間提供隔離的DC-DC級(jí)，并調(diào)節(jié)輸出端的電壓和電流。該系統(tǒng)也可能雙向運(yùn)行（特別是在功率較低的情況下），因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

系統(tǒng)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(hào)調(diào)節(jié)、電壓、電流和溫度傳感器，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的用戶體驗(yàn)，確保安全認(rèn)證、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和高效的電源管理?；?MOSFET的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)同步整流，更高的開關(guān)頻率和更小的無(wú)源元件。

開發(fā)定制電動(dòng)車充電器能夠帶來(lái)獨(dú)有的特性和功能，例如高級(jí)用戶界面、智能充電算法以及與可再生能源集成。充電器的設(shè)計(jì)可滿足充電速度、功率容量、連接器類型和用戶界面等特定要求。深入分析充電模式和能耗，需要具備先進(jìn)的數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)，將15至75 kW（及以上）的電源塊堆疊在一個(gè)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車電池電平，并且可針對(duì)較高或較低電壓端進(jìn)行優(yōu)化。

開發(fā)平臺(tái)產(chǎn)品

在設(shè)計(jì)和測(cè)試新型電動(dòng)車充電技術(shù)時(shí)，開發(fā)板發(fā)揮著至關(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)車充電系統(tǒng)的開發(fā)板，這些開發(fā)板具有不同的額定功率輸出用于AC-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換器。

a. NXP解決方案

EasyEVSE電動(dòng)車充電站開發(fā)平臺(tái)提供硬件配置說(shuō)明和示例軟件，用于在EVSE和基于云的應(yīng)用之間建立安全連接。此模塊化平臺(tái)可用于構(gòu)建差異化EVSE系統(tǒng)，支持設(shè)備到云和云到設(shè)備的通信、準(zhǔn)確的電能計(jì)費(fèi)和一鍵式NFC認(rèn)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(zhǔn)確進(jìn)行電能計(jì)費(fèi)的Kinetis M計(jì)量MCU以及用于一鍵式身份驗(yàn)證的CLRC663高性能NFC前端。

圖2：EasyEVSE參考設(shè)計(jì)框圖

EasyEVSE（圖2）由主機(jī)控制器(i. MX RT106x交叉 MCU）、儀表（KM3x計(jì)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)、圖形用戶界面（GUI）組成。可以單擊此處找到所有這些產(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(jiān)控和管理EasyEVSE。NFC模塊讀取NFC設(shè)備的UID，而安全模塊則安全地存儲(chǔ) 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(yīng)用，接收、存儲(chǔ)來(lái)自EasyEVSE的遙測(cè)數(shù)據(jù)并將其顯示在儀表板中。遙測(cè)數(shù)據(jù)每分鐘數(shù)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(yīng)用，根據(jù)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)車充電器的參考設(shè)計(jì)套件。該完整SiC解決方案由PFC和DC-DC級(jí)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降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。

該系統(tǒng)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)車充電，并針對(duì)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(guó)480 Vac三相電網(wǎng)。功率級(jí)能夠在500 V至1000 V的電壓范圍內(nèi)輸送25 kW電力。如果低于500 V，輸出電流將限制為50 A，根據(jù)CCS或CHAdeMO等直流充電標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定降低額定功率（圖3）。

圖3：評(píng)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(tǒng)控制器、車輛、服務(wù)和維護(hù)之間）提供隔離的CAN、USB和UART基礎(chǔ)設(shè)施。

該系統(tǒng)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)車電池充電，全時(shí)效率高達(dá)96%。

圖4：25 kW電動(dòng)車直流充電器功率級(jí)高級(jí)框圖

如圖 4所示，它采用了兩塊設(shè)計(jì)有Zynq?-7000 SoC FPGA和基于ARM?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(qū)動(dòng)器NCD57000、為低壓組件提供穩(wěn)定電壓軌的輔助電源解決方案SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB、集成保護(hù)功能（如浪涌控制、過(guò)壓保護(hù)）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(jí)，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(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率較高，因?yàn)閷?duì)稱 CLLC諧振網(wǎng)絡(luò)具有初級(jí)電源開關(guān)的零電壓開關(guān)功能和次級(jí)側(cè)輸出整流器的同步整流換向功能。該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率約為 97.2%。

圖5：REF-DAB11KIZSICSYS電路板

11 kW SiC雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路板專為電動(dòng)車充電和儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用CLLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(qū)動(dòng)器集成電路，從而提高效率、節(jié)省空間和重量、減少零件數(shù)量并提高系統(tǒng)可靠性。

結(jié)語(yǔ)

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

下面列出了多款電動(dòng)車充電開發(fā)板：

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以下是用于電動(dòng)車充電的開發(fā)板

編者按

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