【導(dǎo)讀】在設(shè)計與開發(fā)符合國際規(guī)范的2型交流充電樁（EVSE）時，工程師不僅需要深入理解IEC 61851-1與IEC 62752等核心標(biāo)準，更面臨著如何高效實現(xiàn)車輛連接、安全控制與可靠通信的工程挑戰(zhàn)。本文將以ADI（亞德諾半導(dǎo)體）提供的最新參考設(shè)計為實踐藍圖，系統(tǒng)闡述充電樁內(nèi)部線纜控制與保護器件（IC-CPD）的軟硬件設(shè)計要點。文章將深入解析電動汽車與充電樁之間進行“對話”的關(guān)鍵——控制引導(dǎo)（CP）信號波形及其對應(yīng)的各種充電狀態(tài)，并結(jié)合實測調(diào)試信息，為開發(fā)者提供一套清晰、實用的設(shè)計指南，旨在化繁為簡，助力加速產(chǎn)品合規(guī)落地。
摘要
在設(shè)計與開發(fā)符合國際規(guī)范的2型交流充電樁（EVSE）時，工程師不僅需要深入理解IEC 61851-1與IEC 62752等核心標(biāo)準，更面臨著如何高效實現(xiàn)車輛連接、安全控制與可靠通信的工程挑戰(zhàn)。本文將以ADI（亞德諾半導(dǎo)體）提供的最新參考設(shè)計為實踐藍圖，系統(tǒng)闡述充電樁內(nèi)部線纜控制與保護器件（IC-CPD）的軟硬件設(shè)計要點。文章將深入解析電動汽車與充電樁之間進行“對話”的關(guān)鍵——控制引導(dǎo)（CP）信號波形及其對應(yīng)的各種充電狀態(tài)，并結(jié)合實測調(diào)試信息，為開發(fā)者提供一套清晰、實用的設(shè)計指南，旨在化繁為簡，助力加速產(chǎn)品合規(guī)落地。
引言
電動汽車(EV)市場正以指數(shù)級態(tài)勢持續(xù)擴張，預(yù)計到2030年，道路上的電動汽車保有量將達到約5億輛。國際能源署的數(shù)據(jù)印證了這一預(yù)測的合理性1；例如，2022年至2023年間，純電動汽車(BEV)與插電混動汽車(PHEV)的合計銷量從1020萬輛增至1380萬輛，增幅達35%。國際能源署預(yù)計，2030年全球電動汽車年銷量將達4070萬輛，2035年更將攀升至5650萬輛。氣候變化問題及人口密集居住區(qū)的空氣污染問題，是推動高效、零尾氣排放交通方式發(fā)展的主要動因。2,3 隨著電動汽車數(shù)量的可預(yù)見增長，市場不僅要應(yīng)對激增的需求，更需提供高效的充電解決方案，在經(jīng)濟性、安全性與環(huán)境影響之間找到平衡點。
據(jù)Solaronev針對全球不同地區(qū)的報告顯示4，多數(shù)私家車用戶日均行駛里程僅約30英里，因此較低功率的充電水平已足以滿足日常需求。其中美國的數(shù)據(jù)來源于Statista5與聯(lián)邦公路管理局數(shù)據(jù)庫6。對于家用電動汽車充電站而言，新車配備的線纜內(nèi)置控制與保護器件(IC-CPD)可謂理想之選，這類器件能省去高功率充電設(shè)施在安裝與維護環(huán)節(jié)的巨額成本。鑒于當(dāng)前充電解決方案的考量日趨復(fù)雜，未來不僅電動汽車市場會持續(xù)繁榮，充電設(shè)備市場亦將迎來蓬勃發(fā)展的黃金期。
什么是電動汽車供電設(shè)備(EVSE)？有哪些應(yīng)用場景？
電動汽車供電設(shè)備(EVSE)是一種能讓用戶安全地為插電混動汽車(PHEV)或純電動汽車(BEV)充電的設(shè)備。這類設(shè)備依據(jù)充電功率等級進行分類。在電動汽車領(lǐng)域的術(shù)語中，“充電等級”指的是SAE J1772標(biāo)準中定義的充電系統(tǒng)電力分配類型、標(biāo)準及最大功率，該標(biāo)準已在國際上通過IEC 62196-1被廣泛采用。
模式2的標(biāo)準功能
模式2是將電動汽車接入交流供電網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準插座的充電方式，其核心在于借助具備控制引導(dǎo)(CP)功能的交流EVSE，并在標(biāo)準插頭與電動汽車之間設(shè)置人身觸電保護系統(tǒng)[IEC 62752:2017 6.2.2]。
線纜內(nèi)置控制與保護器件(IC-CPD)的核心功能在于觸電防護。這一功能通過剩余電流器件(RCD)實現(xiàn)：既可以采用至少為A型的剩余電流器件搭配直流檢測輔助電路，也可直接使用B型RCD。這一功能至關(guān)重要，因為充電器可能用于戶外、公共區(qū)域等易接觸水的環(huán)境，且存在人員無意或有意觸碰的風(fēng)險。在此類場景中，保護接地必須存在，一旦發(fā)生故障，供電必須立即切斷。
圖1展示了2型IC-CPD的通用框圖。依據(jù)此框圖衍生設(shè)計的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)IEC 61851-1標(biāo)準中規(guī)定的所有強制性功能。根據(jù)具體方案的不同，通用框圖中的部分模塊可能需要增設(shè)，也可能可以省略。例如，若通過電流互感器進行電流檢測，那么在與微控制器單元(MCU)連接時，隔離集成電路便可省去；同理，若采用具備焊接檢測功能的繼電器，焊接檢測電路也可不必設(shè)置。
圖1.2型EVSE的的通用框圖。
ADI公司的2型EVSE
圖2為ADI公司2型電動汽車供電設(shè)備(EVSE)的框圖，其中包含ADE9113 3通道隔離式Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該轉(zhuǎn)換器用于單相電源輸入的電壓和電流測量，還用于繼電器電壓的測量，以實現(xiàn)焊點接觸檢測。
通過添加6 mA DC/30 mA rms RCD可確保器件安全運行。此外，該器件還具備過壓、欠壓、過流、過熱檢測功能，以及保護接地(PE)檢測和電動汽車二極管存在性檢測功能。集成的隔離設(shè)計使與微控制器(MCU)的連接更為簡便。MAX32655超低功耗Arm? Cortex?-M4處理器負責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯，并通過控制引導(dǎo)(CP)接口與電動汽車進行通信。該解決方案還包含編程和調(diào)試接口。器件的藍牙? 5.2接口支持與外部器件的連接。MCU與ADE9113之間通過串行外設(shè)接口(SPI)實現(xiàn)通信。
圖2.ADI公司2型EVSE解決方案AD-ACEVSECRDSET-SL簡化方框圖。
EVSE與EV之間實現(xiàn)通信所需的CP信號，是通過MAX32655處理器和ADA4523-1低噪聲、零漂移運算放大器生成的。
該系統(tǒng)由單相230 V交流輸入供電。系統(tǒng)采用一款隔離式交流-直流開關(guān)模式電源(SMPS)為電路板提供12 V電壓，同時使用適用于汽車應(yīng)用的MAX20457高效雙通道同步降壓轉(zhuǎn)換器，將電壓降至5 V和3.3 V，為電路板的隔離側(cè)供電。采用反相配置的LT8330可生成CP信號低側(cè)所需的-12 V電壓。
ADT75 12位數(shù)字溫度傳感器負責(zé)監(jiān)測器件溫度，并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU，以實現(xiàn)過熱保護。
該設(shè)計配有開源軟件棧和參考應(yīng)用程序，以便基于經(jīng)過驗證的成熟實施方案進行定制軟件的開發(fā)，且該方案已通過驗證，符合相關(guān)標(biāo)準要求。該系統(tǒng)設(shè)計遵循IEC 61851和IEC 62752標(biāo)準。
隔離式ADC
ADE9113是一款隔離式3通道Σ-Δ ADC，適用于采用分流電流傳感器的多相電能計量應(yīng)用。數(shù)據(jù)和電源隔離基于ADI公司的iCoupler?技術(shù)。該集成電路(IC)具有3個ADC。其中一個通道在分流器用于電流感應(yīng)時專門用來測量該分流器的電壓。最多兩個額外的通道專用于測量電壓，通常采用電阻分壓器來檢測電壓。在本應(yīng)用中，其中一個電壓通道用于檢測繼電器觸點是否焊接。
這款A(yù)DC內(nèi)置了isoPower?器件，即一款集成式隔離型直流-直流轉(zhuǎn)換器。該直流-直流轉(zhuǎn)換器為ADC的第一級提供所需的穩(wěn)定電源。該器件無需外部直流-直流隔離模塊。iCoupler芯片級變壓器技術(shù)還用于隔離ADC第一級與第二級之間的邏輯信號。因此可提供小尺寸、完全隔離的解決方案。該器件可連接ADC輸出、配置和狀態(tài)寄存器，可輕松與微控制器對接。它可由晶體振蕩器或外部時鐘信號提供時鐘。
要滿足ADE9113的引腳輸入范圍，需為分壓器電阻和分流電阻選擇適當(dāng)?shù)淖柚?。該范圍指的是，?dāng)IM引腳和VxM引腳連接至AGND引腳（11號引腳）時，為使ADC產(chǎn)生滿量程響應(yīng)而必須施加的峰峰值偽差模電壓。IM引腳和VxM引腳通過抗混疊濾波器連接至AGND。
繼電器焊點接觸檢測
ADE9113的第二個電壓輸入通道用于檢測繼電器焊點接觸情況。
圖3展示了連接到ADE9113三個輸入通道的電路的LTspice?簡化仿真，其中：
R_contact為繼電器接觸電阻值（取決于仿真情況，可能為斷開狀態(tài)，如圖4所示，或閉合狀態(tài)，如圖5所示）。
V1P、V2P、V1M、V2M、IP和IM為ADE9113各通道的輸入。
表1列出了在輸入電壓幅值為230 V、負載為23 Ω的兩種情況下的繼電器狀態(tài)值。
圖3.與ADE9113輸入通道相連的電路的LTspice簡化原理圖。
圖4.對應(yīng)圖3中繼電器觸點斷開時的電壓和電流通道值。
圖5.對應(yīng)圖3中繼電器觸點閉合時的電壓和電流通道值。
表1.繼電器斷開和閉合情況下的ADE通道電壓及電流通道值
電網(wǎng)保護接地存在性測試
在器件斷電期間，通過圖6所示的電路，檢測電網(wǎng)保護接地(PE)的存在性及相線-中性線是否接反。若未檢測到接地，器件將進入錯誤狀態(tài)，且狀態(tài)LED指示燈會顯示錯誤消息。若需檢測相線-中性線是否接反，需將光耦合器的兩個輸出與PE_ERR信號配合使用。
圖6.PE電網(wǎng)存在性檢測電路。
軟件框架
no-OS是ADI公司推出的一款軟件框架，專為無操作系統(tǒng)(OS)的系統(tǒng)（即裸機系統(tǒng)）設(shè)計。該框架定義了一套通用接口(API)，用于訪問典型的裸機外設(shè)，如通用輸入輸出(GPIO)、SPI、I2C、RTC、定時器、中斷控制器等。借助這套通用API，開發(fā)者能夠以統(tǒng)一的方式在多個微控制器平臺上完成外設(shè)的初始化與控制操作。目前，該框架支持英特爾和賽靈思的微處理器及片內(nèi)系統(tǒng)(SoC)，同時兼容ADI自家的精密微控制器、多款MAX32xx微控制器、意法半導(dǎo)體的STM32、樹莓派的PICO，以及基于mbedOS的器件。
通過采用符合自身編碼風(fēng)格的通用驅(qū)動API，no-OS能夠為運行在不同底層硬件上的ADI評估板提供參考項目。得益于no-OS構(gòu)建系統(tǒng)，用戶可以在短時間內(nèi)生成獨立的參考項目，并以此為基礎(chǔ)開展自主開發(fā)工作。
no-OS屬于開源軟件，其官方代碼托管在GitHub的no-OS存儲庫。用戶只需遵守相關(guān)許可協(xié)議，即可自由使用和分發(fā)no-OS。固件中使用的no-OS主要驅(qū)動器涉及MAX32655微控制器、ADE9113隔離式3通道Σ-Δ ADC及ADT75溫度監(jiān)測系統(tǒng)。
狀態(tài)機
圖7展示了IC-CPD的功能。所實現(xiàn)的狀態(tài)機遵循IEC 61851-1標(biāo)準規(guī)范。
固件通過三個枚舉類型實現(xiàn)邏輯控制：第一個是charger_state_e，包含所有可能的狀態(tài)，其狀態(tài)根據(jù)CP值的變化而切換。state_ machine_events_e枚舉類型涵蓋所有可能觸發(fā)的事件，這些事件用于狀態(tài)邏輯的實現(xiàn)。interface_err_status_e枚舉類型則用于錯誤解析。
圖7.狀態(tài)機。
測試結(jié)果
測試是通過Fluke FEV300電動汽車充電站適配器與不同負載（見圖8）完成的，也可采用2型電纜連接器，配合相同負載或直接連接電動汽車進行測試。
圖8.采用Fluke FEV300的測試設(shè)置。
正常工作狀態(tài)（充電狀態(tài)機）與RCD錯誤檢測結(jié)果
圖9和圖10展示了使用圖8中的測試臺進行的兩項測量所得到的波形。
圖9呈現(xiàn)了從上電（電動汽車連接斷開，本案例中為阻性負載）到進入充電狀態(tài)的完整狀態(tài)機運行過程，其中各狀態(tài)在CP信號波形上已做標(biāo)注。
圖9與圖10的區(qū)別在于：在C狀態(tài)期間（電動汽車充電過程中），觸發(fā)了交流RCD中斷。這一點可在第三個波形中觀察到。此時，IC-CPD會斷開繼電器，且LED指示燈會顯示錯誤消息。
圖9.正常工作狀態(tài)，標(biāo)注有EVSE-EV狀態(tài)。
圖10.C狀態(tài)（無通風(fēng)條件下充電）的充電過程中檢測到RCD交流錯誤。
圖11中的消息對應(yīng)圖9所示的場景，即從上電、充電到電動汽車斷開連接的完整充電過程。
圖11.通過串行接口接收的完整充電序列調(diào)試消息
調(diào)試消息還包含輸入電壓值、設(shè)備內(nèi)部電流與溫度，以及特定時刻的活躍狀態(tài)等內(nèi)容。
當(dāng)發(fā)生CP錯誤時，IC-CPD會斷開繼電器，并通過LED指示燈顯示CP錯誤。
保護接地(PE)錯誤
若在C狀態(tài)下出現(xiàn)PE錯誤（即EVSE與EV之間的PE缺失），繼電器將斷開，同時LED指示燈會顯示錯誤。若在A狀態(tài)或B狀態(tài)下出現(xiàn)PE錯誤，IC-CPD會將其判定為電動汽車已斷開連接，并保持當(dāng)前狀態(tài)或進入A狀態(tài)（具體取決于錯誤發(fā)生時的活躍狀態(tài)）。在此情況下，CP信號電平無法達到C狀態(tài)的數(shù)值，繼電器將保持斷開狀態(tài)，直至PE連接恢復(fù)。
結(jié)語
本文圍繞內(nèi)置控制保護器件(IC-CPD)展開，重點介紹了ADI公司的AD-ACEVSECRDSET-SL參考設(shè)計。該參考設(shè)計是一套完整的2型電動汽車供電設(shè)備(EVSE) 3.6 kW充電電纜解決方案，專為電動汽車充電系統(tǒng)的評估與原型開發(fā)而打造。采用ADE9113隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)時，憑借集成的isoPower技術(shù)及內(nèi)部隔離特性，可有效減少元件數(shù)量。MAX32655微控制器(MCU)集成了藍牙低功耗(BLE)和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)通道，能夠輕松實現(xiàn)符合IEC 61851-1標(biāo)準的狀態(tài)機功能。no-OS框架的應(yīng)用及開源代碼模式，不僅簡化了軟件開發(fā)流程，更為在軟件開發(fā)中遵循本文提及的相關(guān)IEC標(biāo)準提供了良好起點。文中提供的流程圖、調(diào)試信息及借助FEV300完成的設(shè)計驗證，有助于更深入地理解和評估整體設(shè)計方案。
參考文獻
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6 National Household Travel Survey，美國交通部聯(lián)邦公路管理局。
ADI Type2 EVSE，GitHub。
no-OS API，ADI公司。
no-OS Build Guide，GitHub。
no-OS Code Style Guidelines，GitHub。
no-OS GitHub Repository，GitHub。
no-OS Licence，GitHub。
no-OS概述，ADI公司。
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