如何快速有效地实施灵活的EV充电系统

作者：Stephen Evanczuk

电动汽车的发展趋势依赖于公共服务站电动汽车 (EV) 充电基础设施的预期可用性，并且可以通过在用户的住家和工作场所安装合适的充电系统来加速发展。尽管核心设计要求基本一致，但每一种系统都有专门的要求，从通信平台到合规性要求等因素的地区差异又让这种情况更加复杂。

因此，充电基础设施设计人员面临的挑战是在设计中满足核心要求，还要有足够的灵活性，以满足尽可能广泛的终端应用和区域要求，同时平衡成本和上市时间。

本文介绍了各种公共充电站的设计要求。然后，介绍了 NXP Semiconductors 的灵活解决方案平台，其可用于开展能满足这些要求的设计。

迎接多样化的设计挑战

若想加快向 EV 过渡，则需要随时提供高效的电动汽车供电设备 (EVSE)，即广为人知的 EV 充电系统。短距离驾驶需求可通过车辆内置的板载 AC-DC 充电器来满足，其能在家庭或办公地点充电，但这些充电系统无法缓解 EV 行驶里程方面的焦虑问题，这会持续限制 EV 的采用。长距离电动汽车取决于公共 EV DC 充电系统的可用性，相比内置 AC-DC 充电器，它能更快地给 EV 充电。同时，这些不同的 EV 充电系统需要符合有关安全、安保和隐私方面的多种标准和法规。

对于构建 EV 充电系统解决方案的开发人员而言，他们需要为每个特定用例提供有效的解决方案，这既带来巨大的机遇，也会产生重大的技术挑战。在这些挑战中，开发人员需要在一系列设计中提供广泛的功能，这些设计能够提供所需的性能和效率，同时满足每个应用的具体要求。若要满足这一需求，需要调整所有 EV 充电系统设计的基本架构。

调整基本的 EV 充电系统架构

无论具体目标应用如何，EV 充电系统包括两个主要子系统 — 功率输送前端和电力管理后端控制器；并且由隔离边界分隔（图 1）。

图 1：EV 充电系统基本架构包括由隔离边界分隔的独立电源插座接口和控制器子系统。（图片来源：NXP Semiconductors）

在面向车辆和能源的前端，电源插座接口子系统可管理对车辆的功率输送。在隔离栅的另一侧，控制器子系统可处理安全、通信和其他高级功能。这些子系统的实施通常取决于一些基本的构件，以满足与每个特定应用相关的计量、控制、功能安全、安保和通信的具体要求。

每个构件都会为整个 EV 充电系统设计提供关键功能。计量单元需要确保能量传输安全，以及能量测量准确、防篡改，以便计费。控制单元确保可靠执行下游能量传输和上游数据传输所需的各种协议。这种单元基于功能安全和安保能力，同时支持当地和特定地区对与云端资源通信所用的安全支付和通信协议的要求。

过去，开发人员需要实施每个所需的构件，通常会使用包含各种通用器件的定制设计，来按需调整基本的 EV 充电架构设计。NXP 的 EV 充电解决方案系列提供了有效的替代方案，使开发人员能够结合现成的构件，快速创建电动汽车充电系统设计，以满足广泛的目标应用。

实施 EV 充电系统前端

NXP 的 EV 充电解决方案核心是一些处理器系列，它们专门用于提供 EV 充电系统设计等高要求应用所需的性能和功能。在这些处理器系列中，NXP 的 Kinetis KM3x 系列微控制器 (MCU) 产品专门用于提供可认证的精确功率输送测量。基于 Arm® 32 位 Cortex® M0+ 内核，Kinetis KM3x MCU 集成了大量用于测量、安全、通信和系统支持的功能块，以及片载闪存和静态随机存取存储器 (SRAM)（图 2）。

图 2：Kinetis KM3x 系列集成了一套完整的必需功能块，以实施可认证的精准功率输送测量。（图片来源：NXP Semiconductors）

为了简化计量实施，KM35x MCU 测量前端集成了一个高精度三角积分模数转换器 (ADC)、多个逐次逼近寄存器 (SAR) ADC、多达四个可编程增益放大器 (PGA)、一个高速模拟比较器 (HSCMP)、一个相位补偿逻辑块，以及一个带低温漂移的高精度内部电压基准 (VREF)。为了保护计量单位的完整性，片载安全功能支持带有时间戳的主动和被动篡改检测。这些片载功能块与外部传感器、继电器和其他外设结合使用，可为 EV 充电系统电源插座前端提供所需的全部功能，以便快速实施复杂计量子系统（图 3）。

图 3：开发人员使用 Kinetis KM MCU，只需要一些额外的外部元器件，就能实施 EV 电源插座子系统。（图片来源：NXP Semiconductors）

实施 EV 充电系统控制器

如上所述，EV 充电系统控制器协调每个系统所需的各种功能。该子系统的需求决定了使用的处理器，既能提供确保精确控制充电系统的实时性能，又能提供支持各种协议的处理吞吐量，同时最大限度地减少设计基底面和成本。

NXP 的 i.MX RT 系列跨界处理器基于 Cortex-M7 内核，可提供嵌入式微控制器的实时功能和应用处理器级的性能。凭借 600 MHz 的工作频率和全套外设，i.MX RT 处理器（如 i.MX RT1064）能够满足低延时实时响应的需求。同时，诸如大型片载存储器、外部存储器控制器、图形子系统和多种连接接口等特性也能满足应用需求（图 4）。

图 4：i.MX RT1064 跨界处理器将外设和存储器与 Arm Cortex-M7 处理器子系统相结合，旨在提供实时执行和应用处理器级的性能。（图片来源：NXP Semiconductors）

除了满足关键的实时和性能要求，EV 充电系统的设计需要确保多方面的安全，包括电源连接及支付方式的篡改检测和认证。对于数据保护、安全启动和安全调试，开发人员可以利用 i.MX RT 处理器的集成安全功能，包括高可靠引导、硬件加密、总线加密、安全非易失性存储和安全的联合测试行动组 (JTAG) 控制器。

为了进一步加强 EV 充电系统控制器的安全性，设计通常会纳入 NXP 的 EdgeLock SE050 安全元件来补充 i.MX RT 处理器的安全功能。SE050 旨在提供端到端的生命周期安全性，能为一系列常见的加密算法、可信平台模块 (TPM) 功能、安全总线交易和安全存储提供基于硬件的安全加速器。通过使用该器件为执行环境提供信任根 (RoT)，开发人员可以确保关键操作的安全性，包括认证、安全入网、完整性保护和证明。

借助 i.MX RT 处理器和 EdgeLock SE05x 器件，开发人员只需要一些额外元器件，即可实施一个控制器子系统来运行高性能实时操作系统 (RTOS)（图 5）。

图 5：凭借集成的功能和性能能力，i.MX RT MCU 可简化 EV 充电系统的控制器子系统的设计。（图片来源：NXP Semiconductors）

为不同的 EV 充电系统应用提供灵活的解决方案

通过将上述电源子系统和控制器子系统与可选的支付和通信选件功能块相结合，开发人员可以快速实施能提供高达 7 kW 功率的单相 EV 充电系统（图 6）。

图 6：KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界处理器结合使用时可为 EV 充电系统提供高效硬件基础。（图片来源：NXP Semiconductors）

通过稍微改动模拟前端，同样的设计可以扩展成一个三相 EV 充电系统，并能提供高达 22 kW 功率（图 7）。

图 7：开发人员可以快速调整一个基于 KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界处理器的设计，以支持各种应用。（图片来源：NXP Semiconductors）

尽管 KM3x 和 i.MX RT 器件的这种组合适用于诸多用例，但其他 EV 充电系统的应用可能需要开发人员优化其设计的其他方面。例如，住宅充电器旨在提供比车载充电器更快的充电时间，因此需要优化其成本和基底面的解决方案。对于这些应用，开发人员可以使用 NXP 的 LPC55S69 等高性价比的 MCU，实现成本较低的入门级控制器。

相比之下，用于公共服务站的商用 EVSE 充电器将在高速应用处理和实时性能方面提出更严格的要求。对于在 400 至 1000 V 电压下运行并提供 350 kW 或更高充电水平的电池存储系统，需要满足上述要求才能实现安全的系统控制。其中，执行应用级软件和实时软件的能力对性能和功能至关重要。对于这些系统，若使用 NXP 的 i.MX 8M 处理器等产品，开发人员可以更容易实施充电解决方案，使其能够为这些复杂设计提供所需的基于 Linux 的应用处理和支持 RTOS 的实时性能（图 8）。

图 8：对于更复杂的应用，如超高速 EV 充电，开发人员可以使用高性能处理器（如 i.MX 8M 处理器）扩展基本的 EV 充电架构，以支持更复杂的控制器要求。（图片来源：NXP Semiconductors）

快速实施云端连接的 EV 充电系统

NXP 处理器包括 Kinetis KM3x、i.MX RT、LPC55S69 和 i.MX 8M，为满足不同 EV 充电系统应用的具体要求提供了灵活的平台。然而，对于更复杂的应用来说，硬件基础的部署延时会对端到端 EV 充电系统应用的开发造成重大延误。

为了避免这种延误，NXP 提供了一种快速开发途径，即使用一套基于前述器件的电路板和评估套件。例如，NXP 的 TWR-KM34Z75M 模块提供一个完整的计量平台，其中结合了 KinetisMKM34Z256VLQ7 计量 MCU 和全套支持元器件。同样，NXP 的 i.MX RT1064 评估套件将 MIMXRT1064DVL6 处理器与 256 Mb SDRAM、512 Mb 闪存、64 Mb 四路 SPI (QSPI) 闪存结合在一块四层电路板上，并配有一组丰富的外设连接器，包括 Arduino 接口。此外，NXP 的 OM-SE050ARD 电路板可随时访问 EdgeLock SE050，而 NXP 的 PNEV5180BM 评估板可提供即用型 NFC 前端开发板。

通过结合 NXP 的计量用 TWR-KM34Z75M 电路板、控制用 i.MX RT1064 以及 OM-SE050ARD 和 PNEV5180B 电路板，开发人员可以快速实施一个全功能的硬件平台，以构建 EV 充电系统应用（图 9）。

图 9：开发人员可以利用 NXP 电路板和评估套件，通过可用的云服务（如 Microsoft Azure）快速实施完整的端到端 EV 充电解决方案。（图片来源：NXP Semiconductors）

NXP 的电路板级解决方案与 Microsoft Azure 云服务相结合，使开发人员能快速建立完整的端到端 EV 充电系统解决方案原型，并将该平台用作基础来设计更多专业应用。

总结

EV 充电系统的随时可用性是电动汽车的一个关键推动因素，但如何在家庭、办公室和公共服务站以具有成本效益的方式实施所需的不同解决方案，这仍然是一项阻碍。利用 NXP Semiconductors 的专用器件和电路板解决方案平台，开发人员可以快速实施设计，使其性能可满足 EV 充电的全部应用，并且能灵活地适应新兴要求。