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如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

發(fā)布時(shí)間:2022-02-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢依賴于公共服務(wù)站電動(dòng)汽車 (EV) 充電基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)期可用性,并且可以通過在用戶的住家和工作場所安裝合適的充電系統(tǒng)來加速發(fā)展。盡管核心設(shè)計(jì)要求基本一致,但每一種系統(tǒng)都有專門的要求,從通信平臺(tái)到合規(guī)性要求等因素的地區(qū)差異又讓這種情況更加復(fù)雜。


電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢依賴于公共服務(wù)站電動(dòng)汽車 (EV) 充電基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)期可用性,并且可以通過在用戶的住家和工作場所安裝合適的充電系統(tǒng)來加速發(fā)展。盡管核心設(shè)計(jì)要求基本一致,但每一種系統(tǒng)都有專門的要求,從通信平臺(tái)到合規(guī)性要求等因素的地區(qū)差異又讓這種情況更加復(fù)雜。


因此,充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是在設(shè)計(jì)中滿足核心要求,還要有足夠的靈活性,以滿足盡可能廣泛的終端應(yīng)用和區(qū)域要求,同時(shí)平衡成本和上市時(shí)間。


本文介紹了各種公共充電站的設(shè)計(jì)要求。然后,介紹了 NXP Semiconductors 的靈活解決方案平臺(tái),其可用于開展能滿足這些要求的設(shè)計(jì)。


迎接多樣化的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)


若想加快向 EV 過渡,則需要隨時(shí)提供高效的電動(dòng)汽車供電設(shè)備 (EVSE),即廣為人知的 EV 充電系統(tǒng)。短距離駕駛需求可通過車輛內(nèi)置的板載 AC-DC 充電器來滿足,其能在家庭或辦公地點(diǎn)充電,但這些充電系統(tǒng)無法緩解 EV 行駛里程方面的焦慮問題,這會(huì)持續(xù)限制 EV 的采用。長距離電動(dòng)汽車取決于公共 EV DC 充電系統(tǒng)的可用性,相比內(nèi)置 AC-DC 充電器,它能更快地給 EV 充電。同時(shí),這些不同的 EV 充電系統(tǒng)需要符合有關(guān)安全、安保和隱私方面的多種標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。


對(duì)于構(gòu)建 EV 充電系統(tǒng)解決方案的開發(fā)人員而言,他們需要為每個(gè)特定用例提供有效的解決方案,這既帶來巨大的機(jī)遇,也會(huì)產(chǎn)生重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在這些挑戰(zhàn)中,開發(fā)人員需要在一系列設(shè)計(jì)中提供廣泛的功能,這些設(shè)計(jì)能夠提供所需的性能和效率,同時(shí)滿足每個(gè)應(yīng)用的具體要求。若要滿足這一需求,需要調(diào)整所有 EV 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本架構(gòu)。


調(diào)整基本的 EV 充電系統(tǒng)架構(gòu)


無論具體目標(biāo)應(yīng)用如何,EV 充電系統(tǒng)包括兩個(gè)主要子系統(tǒng) — 功率輸送前端和電力管理后端控制器;并且由隔離邊界分隔(圖 1)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 1:EV 充電系統(tǒng)基本架構(gòu)包括由隔離邊界分隔的獨(dú)立電源插座接口和控制器子系統(tǒng)。(圖片來源:NXP Semiconductors)


在面向車輛和能源的前端,電源插座接口子系統(tǒng)可管理對(duì)車輛的功率輸送。在隔離柵的另一側(cè),控制器子系統(tǒng)可處理安全、通信和其他高級(jí)功能。這些子系統(tǒng)的實(shí)施通常取決于一些基本的構(gòu)件,以滿足與每個(gè)特定應(yīng)用相關(guān)的計(jì)量、控制、功能安全、安保和通信的具體要求。


每個(gè)構(gòu)件都會(huì)為整個(gè) EV 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵功能。計(jì)量單元需要確保能量傳輸安全,以及能量測量準(zhǔn)確、防篡改,以便計(jì)費(fèi)??刂茊卧_??煽繄?zhí)行下游能量傳輸和上游數(shù)據(jù)傳輸所需的各種協(xié)議。這種單元基于功能安全和安保能力,同時(shí)支持當(dāng)?shù)睾吞囟ǖ貐^(qū)對(duì)與云端資源通信所用的安全支付和通信協(xié)議的要求。


過去,開發(fā)人員需要實(shí)施每個(gè)所需的構(gòu)件,通常會(huì)使用包含各種通用器件的定制設(shè)計(jì),來按需調(diào)整基本的 EV 充電架構(gòu)設(shè)計(jì)。NXP 的 EV 充電解決方案系列提供了有效的替代方案,使開發(fā)人員能夠結(jié)合現(xiàn)成的構(gòu)件,快速創(chuàng)建電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì),以滿足廣泛的目標(biāo)應(yīng)用。


實(shí)施 EV 充電系統(tǒng)前端


NXP 的 EV 充電解決方案核心是一些處理器系列,它們專門用于提供 EV 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等高要求應(yīng)用所需的性能和功能。在這些處理器系列中,NXP 的 Kinetis KM3x 系列微控制器 (MCU) 產(chǎn)品專門用于提供可認(rèn)證的精確功率輸送測量?;?Arm? 32 位 Cortex? M0+ 內(nèi)核,Kinetis KM3x MCU 集成了大量用于測量、安全、通信和系統(tǒng)支持的功能塊,以及片載閃存和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM)(圖 2)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 2:Kinetis KM3x 系列集成了一套完整的必需功能塊,以實(shí)施可認(rèn)證的精準(zhǔn)功率輸送測量。(圖片來源:NXP Semiconductors)


為了簡化計(jì)量實(shí)施,KM35x MCU 測量前端集成了一個(gè)高精度三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、多個(gè)逐次逼近寄存器 (SAR) ADC、多達(dá)四個(gè)可編程增益放大器 (PGA)、一個(gè)高速模擬比較器 (HSCMP)、一個(gè)相位補(bǔ)償邏輯塊,以及一個(gè)帶低溫漂移的高精度內(nèi)部電壓基準(zhǔn) (VREF)。為了保護(hù)計(jì)量單位的完整性,片載安全功能支持帶有時(shí)間戳的主動(dòng)和被動(dòng)篡改檢測。這些片載功能塊與外部傳感器、繼電器和其他外設(shè)結(jié)合使用,可為 EV 充電系統(tǒng)電源插座前端提供所需的全部功能,以便快速實(shí)施復(fù)雜計(jì)量子系統(tǒng)(圖 3)。


  如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 3:開發(fā)人員使用 Kinetis KM MCU,只需要一些額外的外部元器件,就能實(shí)施 EV 電源插座子系統(tǒng)。(圖片來源:NXP Semiconductors)


實(shí)施 EV 充電系統(tǒng)控制器


如上所述,EV 充電系統(tǒng)控制器協(xié)調(diào)每個(gè)系統(tǒng)所需的各種功能。該子系統(tǒng)的需求決定了使用的處理器,既能提供確保精確控制充電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能,又能提供支持各種協(xié)議的處理吞吐量,同時(shí)最大限度地減少設(shè)計(jì)基底面和成本。


NXP 的 i.MX RT 系列跨界處理器基于 Cortex-M7 內(nèi)核,可提供嵌入式微控制器的實(shí)時(shí)功能和應(yīng)用處理器級(jí)的性能。憑借 600 MHz 的工作頻率和全套外設(shè),i.MX RT 處理器(如 i.MX RT1064)能夠滿足低延時(shí)實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求。同時(shí),諸如大型片載存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器控制器、圖形子系統(tǒng)和多種連接接口等特性也能滿足應(yīng)用需求(圖 4)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 4:i.MX RT1064 跨界處理器將外設(shè)和存儲(chǔ)器與 Arm Cortex-M7 處理器子系統(tǒng)相結(jié)合,旨在提供實(shí)時(shí)執(zhí)行和應(yīng)用處理器級(jí)的性能。(圖片來源:NXP Semiconductors)


除了滿足關(guān)鍵的實(shí)時(shí)和性能要求,EV 充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要確保多方面的安全,包括電源連接及支付方式的篡改檢測和認(rèn)證。對(duì)于數(shù)據(jù)保護(hù)、安全啟動(dòng)和安全調(diào)試,開發(fā)人員可以利用 i.MX RT 處理器的集成安全功能,包括高可靠引導(dǎo)、硬件加密、總線加密、安全非易失性存儲(chǔ)和安全的聯(lián)合測試行動(dòng)組 (JTAG) 控制器。


為了進(jìn)一步加強(qiáng) EV 充電系統(tǒng)控制器的安全性,設(shè)計(jì)通常會(huì)納入 NXP 的 EdgeLock SE050 安全元件來補(bǔ)充 i.MX RT 處理器的安全功能。SE050 旨在提供端到端的生命周期安全性,能為一系列常見的加密算法、可信平臺(tái)模塊 (TPM) 功能、安全總線交易和安全存儲(chǔ)提供基于硬件的安全加速器。通過使用該器件為執(zhí)行環(huán)境提供信任根 (RoT),開發(fā)人員可以確保關(guān)鍵操作的安全性,包括認(rèn)證、安全入網(wǎng)、完整性保護(hù)和證明。


借助 i.MX RT 處理器和 EdgeLock SE05x 器件,開發(fā)人員只需要一些額外元器件,即可實(shí)施一個(gè)控制器子系統(tǒng)來運(yùn)行高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)(圖 5)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 5:憑借集成的功能和性能能力,i.MX RT MCU 可簡化 EV 充電系統(tǒng)的控制器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(圖片來源:NXP Semiconductors)


為不同的 EV 充電系統(tǒng)應(yīng)用提供靈活的解決方案


通過將上述電源子系統(tǒng)和控制器子系統(tǒng)與可選的支付和通信選件功能塊相結(jié)合,開發(fā)人員可以快速實(shí)施能提供高達(dá) 7 kW 功率的單相 EV 充電系統(tǒng)(圖 6)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 6:KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界處理器結(jié)合使用時(shí)可為 EV 充電系統(tǒng)提供高效硬件基礎(chǔ)。(圖片來源:NXP Semiconductors)


通過稍微改動(dòng)模擬前端,同樣的設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展成一個(gè)三相 EV 充電系統(tǒng),并能提供高達(dá) 22 kW 功率(圖 7)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 7:開發(fā)人員可以快速調(diào)整一個(gè)基于 KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界處理器的設(shè)計(jì),以支持各種應(yīng)用。(圖片來源:NXP Semiconductors)


盡管 KM3x 和 i.MX RT 器件的這種組合適用于諸多用例,但其他 EV 充電系統(tǒng)的應(yīng)用可能需要開發(fā)人員優(yōu)化其設(shè)計(jì)的其他方面。例如,住宅充電器旨在提供比車載充電器更快的充電時(shí)間,因此需要優(yōu)化其成本和基底面的解決方案。對(duì)于這些應(yīng)用,開發(fā)人員可以使用 NXP 的 LPC55S69 等高性價(jià)比的 MCU,實(shí)現(xiàn)成本較低的入門級(jí)控制器。


相比之下,用于公共服務(wù)站的商用 EVSE 充電器將在高速應(yīng)用處理和實(shí)時(shí)性能方面提出更嚴(yán)格的要求。對(duì)于在 400 至 1000 V 電壓下運(yùn)行并提供 350 kW 或更高充電水平的電池存儲(chǔ)系統(tǒng),需要滿足上述要求才能實(shí)現(xiàn)安全的系統(tǒng)控制。其中,執(zhí)行應(yīng)用級(jí)軟件和實(shí)時(shí)軟件的能力對(duì)性能和功能至關(guān)重要。對(duì)于這些系統(tǒng),若使用 NXP 的 i.MX 8M 處理器等產(chǎn)品,開發(fā)人員可以更容易實(shí)施充電解決方案,使其能夠?yàn)檫@些復(fù)雜設(shè)計(jì)提供所需的基于 Linux 的應(yīng)用處理和支持 RTOS 的實(shí)時(shí)性能(圖 8)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 8:對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用,如超高速 EV 充電,開發(fā)人員可以使用高性能處理器(如 i.MX 8M 處理器)擴(kuò)展基本的 EV 充電架構(gòu),以支持更復(fù)雜的控制器要求。(圖片來源:NXP Semiconductors)


快速實(shí)施云端連接的 EV 充電系統(tǒng)


NXP 處理器包括 Kinetis KM3x、i.MX RT、LPC55S69 和 i.MX 8M,為滿足不同 EV 充電系統(tǒng)應(yīng)用的具體要求提供了靈活的平臺(tái)。然而,對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用來說,硬件基礎(chǔ)的部署延時(shí)會(huì)對(duì)端到端 EV 充電系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)造成重大延誤。


為了避免這種延誤,NXP 提供了一種快速開發(fā)途徑,即使用一套基于前述器件的電路板和評(píng)估套件。例如,NXP 的 TWR-KM34Z75M 模塊提供一個(gè)完整的計(jì)量平臺(tái),其中結(jié)合了 KinetisMKM34Z256VLQ7 計(jì)量 MCU 和全套支持元器件。同樣,NXP 的 i.MX RT1064 評(píng)估套件將 MIMXRT1064DVL6 處理器與 256 Mb SDRAM、512 Mb 閃存、64 Mb 四路 SPI (QSPI) 閃存結(jié)合在一塊四層電路板上,并配有一組豐富的外設(shè)連接器,包括 Arduino 接口。此外,NXP 的 OM-SE050ARD 電路板可隨時(shí)訪問 EdgeLock SE050,而 NXP 的 PNEV5180BM 評(píng)估板可提供即用型 NFC 前端開發(fā)板。


通過結(jié)合 NXP 的計(jì)量用 TWR-KM34Z75M 電路板、控制用 i.MX RT1064 以及 OM-SE050ARD 和 PNEV5180B 電路板,開發(fā)人員可以快速實(shí)施一個(gè)全功能的硬件平臺(tái),以構(gòu)建 EV 充電系統(tǒng)應(yīng)用(圖 9)。


如何快速有效地實(shí)施靈活的EV充電系統(tǒng)?

圖 9:開發(fā)人員可以利用 NXP 電路板和評(píng)估套件,通過可用的云服務(wù)(如 Microsoft Azure)快速實(shí)施完整的端到端 EV 充電解決方案。(圖片來源:NXP Semiconductors)


NXP 的電路板級(jí)解決方案與 Microsoft Azure 云服務(wù)相結(jié)合,使開發(fā)人員能快速建立完整的端到端 EV 充電系統(tǒng)解決方案原型,并將該平臺(tái)用作基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)更多專業(yè)應(yīng)用。


總結(jié)


EV 充電系統(tǒng)的隨時(shí)可用性是電動(dòng)汽車的一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素,但如何在家庭、辦公室和公共服務(wù)站以具有成本效益的方式實(shí)施所需的不同解決方案,這仍然是一項(xiàng)阻礙。利用 NXP Semiconductors 的專用器件和電路板解決方案平臺(tái),開發(fā)人員可以快速實(shí)施設(shè)計(jì),使其性能可滿足 EV 充電的全部應(yīng)用,并且能靈活地適應(yīng)新興要求。

(來源:Digi-Key,作者:Stephen Evanczuk)


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