【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)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(guò)在用戶的住家和工作場(chǎng)所安裝合適的充電系統(tǒng)來(lái)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(shì)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(guò)在用戶的住家和工作場(chǎng)所安裝合適的充電系統(tǒng)來(lái)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(guò)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(guò)車輛內(nèi)置的板載 AC-DC 充電器來(lái)滿足，其能在家庭或辦公地點(diǎn)充電，但這些充電系統(tǒng)無(wú)法緩解 EV 行駛里程方面的焦慮問(wèn)題，這會(huì)持續(xù)限制 EV 的采用。長(zhǎng)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(lái)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(wú)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）。
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(lái)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(cè)量準(zhǔn)確、防篡改，以便計(jì)費(fèi)。控制單元確?？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(guò)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(lái)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(cè)量?；?Arm? 32 位 Cortex? M0+ 內(nèi)核，Kinetis KM3x MCU 集成了大量用于測(cè)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）。
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(cè)量。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors）
為了簡(jiǎn)化計(jì)量實(shí)施，KM35x MCU 測(cè)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(cè)。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）。
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(lái)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）。
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(lái)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(cè)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(cè)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(lái)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(guò)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(lái)運(yùn)行高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)（圖 5）。
圖 5：憑借集成的功能和性能能力，i.MX RT MCU 可簡(jiǎn)化 EV 充電系統(tǒng)的控制器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（圖片來(lái)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(guò)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）。
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(lái)源：NXP Semiconductors）
通過(guò)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）。
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(lái)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）。
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(lái)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(lái)說(shuō)，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(wèn) 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(guò)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）。
圖 9：開發(fā)人員可以利用 NXP 電路板和評(píng)估套件，通過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)源：Digi-Key，作者：Stephen Evanczuk）
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