应对电动汽车充电系统的设计挑战

作者：Mark Swinburn

电动汽车充电需要的不仅仅是充电站车道上的电源插座。电动汽车数量的增加，提高了对电能需求，同时还需改进电网管理系统，提高充电器的能效，整合家庭能源管理。

人们对家庭和办公场所的智能充电以及更快充电有着巨大的需求，这就需要从交流充电器转向直流充电器。此外，还需考虑安全问题，包括对电动汽车电池的认证。用户还希望能够在任何地方充电，既可以随时随地安全支付，也可以将充电与单个中心账户和账单相关联。

安全是核心

充电解决方案必须采用安全元件才能满足ISO 15118等行业标准或相关校准法规（如德国Eichrecht）。例如，恩智浦最新的EdgeLock^®SE05x系列嵌入式安全解决方案，有助于确保整个价值链安全地抵御网络攻击，同时保证连接点的安全性和易用程度。

为了避免未经授权的访问，可以使用基于行业标准NFC的安全协议，通过实体智能卡或智能手机等凭据解锁电动汽车充电站。这些功能还支持其他智慧城市应用，如停车和公共交通。恩智浦的智能卡解决方案能够充分利用其在全球750多个智慧城市建立的大型MIFARE^®免接触式生态系统。

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通电

许多充电站都在使用交流电。一般是单相交流电，但使用三相交流电的充电站逐步增加。目前高压直流充电站数量虽少，但在不断增加。相比交流充电站，高压直流充电站功率更高，可缩短充电时间。因此，大多数电动汽车OEM供应商希望共同开发这两种充电方式。这意味着他们可以从恩智浦的技术组件中受益，简化开发并提高复用。

电动汽车充电解决方案

充电站，或称电动汽车电源设备（EVSE），除了与用户交互外，还需要与电网通信，实现负载均衡、汽车到电网（V2G）（符合ISO 15118标准）、智能充电、开放充电点协议（OCPP）和收费等功能。

使用恩智浦的IW620双频解决方案（结合Wi-Fi^®和蓝牙），或使用适用于sub-GHz协议的OL2385射频收发器，可将ISM和移动网络添加至通信技术中。这些技术可以与LPC55S69等器件以及PLC等有线通信器件结合使用，LPC55S69是实现NBIoT的理想选择。

与之密切相关还有基于SE05x的安全功能块，通过使用端到端加密技术提供身份验证，实现账单数据等敏感信息的交换。它还可以管理车载充电器（OBC）与后端服务器之间的数据交换。

此控制器板将通过安全和外部通信模块管理主要功能和服务，例如高级通信，以及运行EVSE应用中使用的协议栈。其中包括为V2G通信定义的ISO 15118标准，还可能包括OCPP。恩智浦处理器可选择广泛的性能范围，从MIMX8xx MPU应用处理器到基于Arm^® Cortex^®-M7实时MCU内核的MIMXRT11xx系列，再到基于Cortex-M33的MCU的最新LPC55x系列。

EVSE的系统视图

智能充电

智能挂墙充电箱和充电站通常为云连接。消费者、充电站和云之间的连接通常通过以太网或Wi-Fi 6、Zigbee^®或其他无线技术来处理。智能充电站一般会与智能计量解决方案结合使用，增加了数据处理的数量和复杂性。

充电站云连接（云注册）需要简单的指配和验证流程来保持高安全性。恩智浦通过其SE05x和EdgeLock 2GO服务，为主要云合作伙伴的零接触注册流程提供支持，该服务还可对消费记录和支付数据等敏感用户数据进行身份验证。

另外，服务自动驾驶汽车也对充电站提出了新的要求。自动驾驶汽车需要准确地导航到充电站充电，不用人类或（昂贵的）机器人助手来提供最后一厘米的连接。这一点可以依靠超宽带（UWB）等高精度定位无线技术实现，让自动驾驶车辆能够准确地将自己引导到正确的位置。

云连接参考设计

我们的云连接电动汽车充电站参考设计EasyEVSE集成了恩智浦的多种产品，帮助客户加快创新并简化设计过程。客户可以在恩智浦的i.MX RT1064跨界MCU上快速加载基于Azure RTOS的应用软件，并将模拟电动汽车充电站安全地连接到Microsoft Azure IoT Central。该参考设计采用恩智浦Kinetis^®计量MCU，其中包括自身的参考设计、原理图和计量软件。由于需要在汽车、电动汽车站和云之间实现安全通信，此参考设计展示了如何利用恩智浦EdgeLock安全元件来满足ISO 15118信息安全和功能安全要求。客户可以将该平台作为完整且具有差异化特点的EVSE系统基础。

供电动车充电的本地存储

随着充电站从交流电转向直流电，电网必须满足高功率（350千瓦或更高）输出的峰值需求，电池电压高达1000V。本地存储可使用电池和恩智浦的电池管理系统（BMS）来解决这一问题。本地电池充满电时，可以先向电动汽车输送电量，再从电网中获取更多电量。

没有电动汽车充电时，本地电池可以通过电网甚至现场太阳能电池阵列进行充电，以缓解电网的需求高峰，还在停电时确保电力供应。实现本地电力均衡需要电池管理单元（BMU），其中包含恩智浦的FS32K系列、支持功能安全的电源管理IC、支持无软件电池组的BMS网关，以及提供电池状态值的高精度模拟前端等。

结语

电动汽车越来越普及，因此需要开发大量安全可靠的充电站。

恩智浦在电源转换以及安全数据交易和设备身份验证方面有着丰富的经验。在电动汽车充电中，这两个领域以一种新的方式结合在一起。

评估套件和参考设计的数量逐渐增多，可覆盖交流及直流充电站的大部分需求，恩智浦愿意为制造商和服务提供商出谋划策，为电动汽车行业的快速增长提供支持。

EdgeLock、Kinetis、MIFARE、MIFARE标识、NXP和NXP标识是恩智浦公司的商标。Arm和Cortex是Arm Limited（或其子公司）在美国和/或其他地区的商标或注册商标。相关技术可能受到某个或所有专利、版权、设计和商业秘密的保护。保留所有权利。Azure是微软公司的注册商标。Bluetooth^®字标和标志是Bluetooth SIG的注册商标，恩智浦半导体对任何此类标志的使用均经过许可。所有其他产品或服务名称都是其各自所有者的财产。

作者：


Mark Swinburn
恩智浦半导体EMEA电动车充电设备与智能家电部门负责人
Mark在电子设计领域拥有30多年的工作经验，过去十年，他在恩智浦主要负责MCU、连接和信息安全业务。