電動車充電站設計開發指南

引言

開發板可為充電概念提供快速原型設計、降低開發成本、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，且無需進行定制硬件設計。這不僅降低了總體開發成本，而且允許模塊化設計和定制選項。這些開發板無需定制硬件設計，從而能夠方便地對不同技術進行實驗。這種方法不僅具有高性價比，而且有助于讓開發過程更加敏捷，從而讓工程師能夠探索創造性的解決方案，并高效利用資源應對各項挑戰。總體而言，開發板提供了一種高性價比且靈活的充電開發方法。

電動車充電開發平臺

電動車服務設備（EVSE）可幫助電網向電動車安全供電。這是一個用于創建高效可靠的電動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，簡化了開發過程，使工程師能夠方便地設計具有人機界面（HMI）的智能互聯電動車充電站。該平臺應具備多種功能，可滿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發和部署電動車充電基礎設施的理想選擇。它必須在結合通信、安全和保障的同時為電網集成提供便捷的升級路徑。軟件包含用于充電會話的底層驅動程序和操作系統，并且提供生產用系統模塊（SOM）和圖形二進制文件，以縮短開發上市時間。

開放充電樁協議（OCPP）是充電站及其網絡（充電樁運營商 - CPO）的標準通信協議，需要具備諸如以太網、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，旨在為電動車和充電站在充電過程中提供一種安全的標準化通信方式。

電動車充電器的組成部分

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、帶驅動器的繼電器和接觸器、單線雙向通信以及服務和用戶界面組成。

AC-DC轉換器用于將來自電網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，它將電動車的電池與電網隔離開來，有助于保護電動車免受電氣危害。冷卻系統用于冷卻電力電子元件，防止其過熱。控制板監測并控制電力電子元件的運行。

直流充電站的發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，柵極驅動器集成電路至關重要。

圖1：電動車直流充電器的主要組件

前端是一個帶功率因數校正（PFC）的AC-DC升壓轉換器，然后是一個在電網和負載（電動車電池）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。

系統包括各種組件，如NFC閱讀器、屏幕、控制面板、BLE、PLC、主CPU、ISO15118協議棧、OCPP協議棧、WiFi/LTE、信號調節、電壓、電流和溫度傳感器，以實現無縫的用戶體驗，確保安全認證、實時數據顯示和高效的電源管理。基于 MOSFET的設計可實現同步整流，更高的開關頻率和更小的無源元件。

開發定制電動車充電器能夠帶來獨有的特性和功能，例如高級用戶界面、智能充電算法以及與可再生能源集成。充電器的設計可滿足充電速度、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，需要具備先進的數據收集功能，從而優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機柜中。一般來說，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標準電動車電池電平，并且可針對較高或較低電壓端進行優化。

開發平臺產品

在設計和測試新型電動車充電技術時，開發板發揮著至關重要的作用，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車充電系統的開發板，這些開發板具有不同的額定功率輸出用于AC-DC、DC-DC轉換器。

a. NXP解決方案

EasyEVSE電動車充電站開發平臺提供硬件配置說明和示例軟件，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服務等云服務、EdgeLock™ SE050安全元件、用于準確進行電能計費的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）、物聯網連接 (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品。

控制器模塊管理與儀表、NFC、安全和物聯網模塊的通信，提供一個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物聯網云的EasyEVSE憑證。物聯網和連接模塊，即Azure IoT Central應用，接收、存儲來自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送到EasyEVSE儀表板。

該儀表板可實時修改EasyEVSE屬性，模擬輸送電能的實際應用，根據電網需求改變電價成本。它還可以向EasyEVSE發送指令。

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快速直流電動車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 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損耗和開關損耗。

該系統覆蓋較寬的輸出電壓范圍，能夠給使用400 V和800 V電池的電動車充電，并針對較高電壓水平進行了優化。輸入電壓的額定值為歐盟400 Vac和美國480 Vac 三相電網。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、車輛、服務和維護之間）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電動車電池充電，全時效率高達96%。

圖4：25 kW 電動車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ARM^®處理器的通用控制板（UCB）。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK的亮點還有電隔離大電流驅動器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、過壓保護）和多個通信接口。

c. Infineon解決方案 - REF-DAB11KIZSICSYS

REF-DAB11KIZSICSYS板是一個DC-DC級，輸出范圍大，使用兩個電感器和兩個電容器（CLLC）諧振網絡，具有雙向功能。該轉換器的功率轉換效率較高，因為對稱 CLLC諧振網絡具有初級電源開關的零電壓開關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轉換器電路板專為電動車充電和儲能系統（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

以上我們的討論強調了原型設計、模塊化解決方案和開發板對于定制電動車充電站的重要性。這些工具使工程師能夠快速構建和測試創新的充電概念，而無需進行硬件設計，從而縮短新產品上市時間。這凸顯了這些開發工具在電動車充電站建設中的效率和有效性。