電動汽車充電的三大設(shè)計注意事項

用于商業(yè)和住宅用途的典型電動汽車 (EV) 充電站設(shè)計包括電能計量、剩余電流檢測（交流和直流）、隔離安全合規(guī)性、繼電器和接觸器，還具有驅(qū)動功能、雙向通信以及服務(wù)和用戶界面。雖然充電站的目標是高效地將電力傳輸?shù)杰囕v，但實現(xiàn)電力傳輸僅是其最初的功能。

根據(jù) IHS Markit 的最新報告，到 2030 年，估計有 2000 萬個公共電動汽車充電站將連接到電網(wǎng)，小區(qū)充電站規(guī)模預計將大幅擴展以滿足需求。電動汽車充電站設(shè)計包含獨特的挑戰(zhàn)。電動汽車供應設(shè)備 (EVSE) 必須結(jié)合通信、功能安全和信息安全功能，同時提供簡單的升級路徑，以便適應未來的電網(wǎng)集成。在本文中，我將在可擴展硬件和軟件案例中簡要介紹將TI 的 Sitara^TM AM625用于 2 級交流電動汽車充電站的三個設(shè)計注意事項。 

設(shè)計注意事項 1：  了解未來的通信標準和電網(wǎng)集成

未來的電動汽車有望成為能源來源，即在用電高峰或停電期間將存儲的電能返回電網(wǎng)。管理這種潛在的能量交換是電網(wǎng)集成的一個方面，這使得通信成為電動汽車充電站的一項關(guān)鍵設(shè)計考量。無論是車輛充電點到電網(wǎng)，還是充電站到云端，前后端通信設(shè)計都必須滿足充電過程中的數(shù)據(jù)、功能安全與信息安全標準，如圖 1 所示。

圖 1：V2G 技術(shù)

國際標準化組織 (ISO) 15118 標準概述了電動汽車和充電站之間的雙向通信協(xié)議，能夠交換車輛識別、充電控制和充電狀態(tài)等信息，從而實現(xiàn)即插即充等功能。囊括前端和后端通信要求以滿足 ISO 15118 標準，不僅在當前滿足合規(guī)性，還能面向未來的電網(wǎng)集成實現(xiàn)設(shè)計的長期適用性。

當前選擇合適的處理器集成和軟件功能，可以面向未來的電網(wǎng)集成實現(xiàn)簡單的優(yōu)化。圖 2 所示電動汽車充電設(shè)計中使用的 Sitara^TM AM625 包括一個帶有標準軟件開發(fā)套件的主線 Linux^? 內(nèi)核，可確保高效維護和簡化更新。AM625處理器還支持安全啟動以實現(xiàn) IP 保護，帶有內(nèi)置的硬件安全模塊 (HSM)，并采用先進的電源管理支持來優(yōu)化空閑時的系統(tǒng)功耗。

圖 2：交流充電器方框圖；直流充電器方框圖

設(shè)計注意事項 2：利用基于模塊的設(shè)計實現(xiàn)靈活的交流或直流充電選項

為電動汽車充電器確定合適的連接解決方案包括考慮其用例、安裝環(huán)境以及針對電網(wǎng)集成的擴展。商用電動汽車充電器通常需要云連接來管理計費、配電以及汽車數(shù)據(jù)洞察，您可能需要考慮在多個充電點之間進行集中數(shù)據(jù)管理的功能。小區(qū)充電器最終將成為智能家居的延伸，需要與現(xiàn)有的有線和無線網(wǎng)絡(luò)集成。

開放充電協(xié)議 (OCPP) 是定義在充電站和管理數(shù)據(jù)交換的充電站網(wǎng)絡(luò)之間通信的標準。面向該協(xié)議進行設(shè)計需要多種連接選項，可通過以太網(wǎng)、蜂窩、Wi-Fi^? 或 Sub-1GHz 信號來實現(xiàn)。

為了應對靈活滿足 OCPP 的挑戰(zhàn)，電動汽車充電器需要具有多種連接選項。例如，WiFi 無處不在。因此，它可用于將電動汽車充電器連接到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，或為有線連接不可行的充電站網(wǎng)絡(luò)提供本地連接。當電動汽車充電器部署在地下停車場等具有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中時，Sub-1GHz 等低頻通信在連接可靠性方面優(yōu)于LTE。無論設(shè)計是用于商業(yè)還是住宅用途，或者充電器的位置在哪里，設(shè)計都需要靈活可靠的連接解決方案。

選擇合適的連接解決方案意味著支持更高的工作溫度范圍，即使在溫度變化很大的惡劣環(huán)境中也能確保穩(wěn)定連接。此外，還要確保與商業(yè)或家庭網(wǎng)絡(luò)的互操作性。TI 的WL1837MOD WiLink^TM 8 模塊可提供出色的射頻性能，以及與其他 WiFi 設(shè)備的強大互操作性。它還集成了藍牙，便于配置和部署。結(jié)合 Phytec 可用于大批量生產(chǎn)的 Phycor-am62x 多核 Arm^? 處理器系統(tǒng)級模塊，WL1837MOD 可提供生態(tài)系統(tǒng)軟件兼容性，便于第三方軟件集成，并為未來 OCPP 2.0.1 及更高版本的遷移和優(yōu)化提供升級路徑。

設(shè)計注意事項 3：通過信息安全與功能安全選項管理壽命。

隨著 ISO 15118 和 OCPP 2.0.1未來朝著提高數(shù)據(jù)洞察（對車輛和用戶數(shù)據(jù)）的方向發(fā)展，安全軟件對于連接和通信都至關(guān)重要。該處理器將在實現(xiàn)未來電動汽車充電可擴展方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，既作為監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量和充電級別的系統(tǒng)監(jiān)視器，又可為深入了解支付和車輛數(shù)據(jù)提供安全網(wǎng)關(guān)。

ISO 15118 的應用層和傳輸層都支持數(shù)據(jù)安全。傳輸層安全 (TLS) 1.2 或更高版本對傳輸層通信進行加密。盡管 ISO 15118-2 的 TLS 僅在使用即插即充識別機制時是強制性的，但 TLS 在未來的 ISO 15118-20 標準中對所有用例和所有識別機制都是強制性的。AM625 具有板載 HSM 信息安全功能，例如：

● 安全啟動：

● 自編程硬件 (eFuse) 密鑰。

● 支持經(jīng)過加密和身份驗證的啟動。

● 調(diào)試（聯(lián)合行動組）端口。

● 在高安全性設(shè)備上默認關(guān)閉。

● eFuse 設(shè)置允許永久關(guān)閉。

每個電動汽車充電設(shè)計都包含多個安全方面的內(nèi)容，包括安全電纜連接、接地故障監(jiān)測、繼電器驅(qū)動和高壓隔離。TI 的 DRV8220 電機驅(qū)動器集成電路具有集成的 H 橋、邏輯控制和保護功能，可輕松實現(xiàn)插頭鎖定、接地故障監(jiān)測和繼電器驅(qū)動器。

結(jié)語

電動汽車充電行業(yè)不斷發(fā)展，變得更加標準化、智能和高效。設(shè)計人員必須考慮靈活的連接性和安全性，以實現(xiàn)與電網(wǎng)的長期集成。選擇合適的處理器設(shè)計需要考慮不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求以及對可靠軟件棧的需要。