精通IC－CPD设计：关于线缆内置控制与保护器件的软硬件基本指南

作者：Radu Etz，嵌入式系统架构师

摘要

本文聚焦于2型电动汽车供电设备(EVSE)的设计。构建EVSE时必须遵循的规则可在IEC 61851-1标准中找到，而针对2型EVSE的具体规则，则在补充标准IEC 62752中有明确规定。本文所提供的指南以这些标准为依据，并以ADI公司的全新参考设计为例进行说明。充电过程中，电动汽车(EV)与电动汽车供电设备(EVSE)之间的通信是通过控制引导(CP)波形来实现的，文中对CP波形及标准中定义的各类状态进行了阐述。CP波形与所呈现的调试信息，共同印证了指南的合理性，有助于更深入理解电动汽车充电过程，从而使设计工作事半功倍。

引言

电动汽车(EV)市场正以指数级态势持续扩张，预计到2030年，道路上的电动汽车保有量将达到约5亿辆。国际能源署的数据印证了这一预测的合理性1；例如，2022年至2023年间，纯电动汽车(BEV)与插电混动汽车(PHEV)的合计销量从1020万辆增至1380万辆，增幅达35%。国际能源署预计，2030年全球电动汽车年销量将达4070万辆，2035年更将攀升至5650万辆。气候变化问题及人口密集居住区的空气污染问题，是推动高效、零尾气排放交通方式发展的主要动因。2,3 随着电动汽车数量的可预见增长，市场不仅要应对激增的需求，更需提供高效的充电解决方案，在经济性、安全性与环境影响之间找到平衡点。

据Solaronev针对全球不同地区的报告显示4，多数私家车用户日均行驶里程仅约30英里，因此较低功率的充电水平已足以满足日常需求。其中美国的数据来源于Statista5与联邦公路管理局数据库6。对于家用电动汽车充电站而言，新车配备的线缆内置控制与保护器件(IC-CPD)可谓理想之选，这类器件能省去高功率充电设施在安装与维护环节的巨额成本。鉴于当前充电解决方案的考量日趋复杂，未来不仅电动汽车市场会持续繁荣，充电设备市场亦将迎来蓬勃发展的黄金期。

什么是电动汽车供电设备(EVSE)？有哪些应用场景？

电动汽车供电设备(EVSE)是一种能让用户安全地为插电混动汽车(PHEV)或纯电动汽车(BEV)充电的设备。这类设备依据充电功率等级进行分类。在电动汽车领域的术语中，“充电等级”指的是SAE J1772标准中定义的充电系统电力分配类型、标准及最大功率，该标准已在国际上通过IEC 62196-1被广泛采用。

模式2的标准功能

模式2是将电动汽车接入交流供电网络标准插座的充电方式，其核心在于借助具备控制引导(CP)功能的交流EVSE，并在标准插头与电动汽车之间设置人身触电保护系统[IEC 62752:2017 6.2.2]。

线缆内置控制与保护器件(IC-CPD)的核心功能在于触电防护。这一功能通过剩余电流器件(RCD)实现：既可以采用至少为A型的剩余电流器件搭配直流检测辅助电路，也可直接使用B型RCD。这一功能至关重要，因为充电器可能用于户外、公共区域等易接触水的环境，且存在人员无意或有意触碰的风险。在此类场景中，保护接地必须存在，一旦发生故障，供电必须立即切断。

图1展示了2型IC-CPD的通用框图。依据此框图衍生设计的电路，能够实现IEC 61851-1标准中规定的所有强制性功能。根据具体方案的不同，通用框图中的部分模块可能需要增设，也可能可以省略。例如，若通过电流互感器进行电流检测，那么在与微控制器单元(MCU)连接时，隔离集成电路便可省去；同理，若采用具备焊接检测功能的继电器，焊接检测电路也可不必设置。

图1.2型EVSE的的通用框图。

ADI公司的2型EVSE

图2为ADI公司2型电动汽车供电设备(EVSE)的框图，其中包含ADE9113 3通道隔离式Σ-Δ模数转换器(ADC)，该转换器用于单相电源输入的电压和电流测量，还用于继电器电压的测量，以实现焊点接触检测。

通过添加6 mA DC/30 mA rms RCD可确保器件安全运行。此外，该器件还具备过压、欠压、过流、过热检测功能，以及保护接地(PE)检测和电动汽车二极管存在性检测功能。集成的隔离设计使与微控制器(MCU)的连接更为简便。MAX32655超低功耗Arm® Cortex®-M4处理器负责实现系统控制逻辑，并通过控制引导(CP)接口与电动汽车进行通信。该解决方案还包含编程和调试接口。器件的蓝牙® 5.2接口支持与外部器件的连接。MCU与ADE9113之间通过串行外设接口(SPI)实现通信。

图2.ADI公司2型EVSE解决方案AD-ACEVSECRDSET-SL简化方框图。

EVSE与EV之间实现通信所需的CP信号，是通过MAX32655处理器和ADA4523-1低噪声、零漂移运算放大器生成的。

该系统由单相230 V交流输入供电。系统采用一款隔离式交流-直流开关模式电源(SMPS)为电路板提供12 V电压，同时使用适用于汽车应用的MAX20457高效双通道同步降压转换器，将电压降至5 V和3.3 V，为电路板的隔离侧供电。采用反相配置的LT8330可生成CP信号低侧所需的-12 V电压。

ADT75 12位数字温度传感器负责监测器件温度，并将温度数据发送至MCU，以实现过热保护。

该设计配有开源软件栈和参考应用程序，以便基于经过验证的成熟实施方案进行定制软件的开发，且该方案已通过验证，符合相关标准要求。该系统设计遵循IEC 61851和IEC 62752标准。

隔离式ADC

ADE9113是一款隔离式3通道Σ-Δ ADC，适用于采用分流电流传感器的多相电能计量应用。数据和电源隔离基于ADI公司的iCoupler®技术。该集成电路(IC)具有3个ADC。其中一个通道在分流器用于电流感应时专门用来测量该分流器的电压。最多两个额外的通道专用于测量电压，通常采用电阻分压器来检测电压。在本应用中，其中一个电压通道用于检测继电器触点是否焊接。

这款ADC内置了isoPower®器件，即一款集成式隔离型直流-直流转换器。该直流-直流转换器为ADC的第一级提供所需的稳定电源。该器件无需外部直流-直流隔离模块。iCoupler芯片级变压器技术还用于隔离ADC第一级与第二级之间的逻辑信号。因此可提供小尺寸、完全隔离的解决方案。该器件可连接ADC输出、配置和状态寄存器，可轻松与微控制器对接。它可由晶体振荡器或外部时钟信号提供时钟。

要满足ADE9113的引脚输入范围，需为分压器电阻和分流电阻选择适当的阻值。该范围指的是，当IM引脚和VxM引脚连接至AGND引脚（11号引脚）时，为使ADC产生满量程响应而必须施加的峰峰值伪差模电压。IM引脚和VxM引脚通过抗混叠滤波器连接至AGND。

继电器焊点接触检测

ADE9113的第二个电压输入通道用于检测继电器焊点接触情况。

图3展示了连接到ADE9113三个输入通道的电路的LTspice®简化仿真，其中：

R_contact为继电器接触电阻值（取决于仿真情况，可能为断开状态，如图4所示，或闭合状态，如图5所示）。

V1P、V2P、V1M、V2M、IP和IM为ADE9113各通道的输入。

表1列出了在输入电压幅值为230 V、负载为23 Ω的两种情况下的继电器状态值。

图3.与ADE9113输入通道相连的电路的LTspice简化原理图。

图4.对应图3中继电器触点断开时的电压和电流通道值。

图5.对应图3中继电器触点闭合时的电压和电流通道值。

表1.继电器断开和闭合情况下的ADE通道电压及电流通道值

电网保护接地存在性测试

在器件断电期间，通过图6所示的电路，检测电网保护接地(PE)的存在性及相线-中性线是否接反。若未检测到接地，器件将进入错误状态，且状态LED指示灯会显示错误消息。若需检测相线-中性线是否接反，需将光耦合器的两个输出与PE_ERR信号配合使用。

图6.PE电网存在性检测电路。

软件框架

no-OS是ADI公司推出的一款软件框架，专为无操作系统(OS)的系统（即裸机系统）设计。该框架定义了一套通用接口(API)，用于访问典型的裸机外设，如通用输入输出(GPIO)、SPI、I2C、RTC、定时器、中断控制器等。借助这套通用API，开发者能够以统一的方式在多个微控制器平台上完成外设的初始化与控制操作。目前，该框架支持英特尔和赛灵思的微处理器及片内系统(SoC)，同时兼容ADI自家的精密微控制器、多款MAX32xx微控制器、意法半导体的STM32、树莓派的PICO，以及基于mbedOS的器件。

通过采用符合自身编码风格的通用驱动API，no-OS能够为运行在不同底层硬件上的ADI评估板提供参考项目。得益于no-OS构建系统，用户可以在短时间内生成独立的参考项目，并以此为基础开展自主开发工作。

no-OS属于开源软件，其官方代码托管在GitHub的no-OS存储库。用户只需遵守相关许可协议，即可自由使用和分发no-OS。固件中使用的no-OS主要驱动器涉及MAX32655微控制器、ADE9113隔离式3通道Σ-Δ ADC及ADT75温度监测系统。

状态机

图7展示了IC-CPD的功能。所实现的状态机遵循IEC 61851-1标准规范。

固件通过三个枚举类型实现逻辑控制：第一个是charger_state_e，包含所有可能的状态，其状态根据CP值的变化而切换。state_ machine_events_e枚举类型涵盖所有可能触发的事件，这些事件用于状态逻辑的实现。interface_err_status_e枚举类型则用于错误解析。

图7.状态机。

测试结果

测试是通过Fluke FEV300电动汽车充电站适配器与不同负载（见图8）完成的，也可采用2型电缆连接器，配合相同负载或直接连接电动汽车进行测试。

图8.采用Fluke FEV300的测试设置。

正常工作状态（充电状态机）与RCD错误检测结果

图9和图10展示了使用图8中的测试台进行的两项测量所得到的波形。

图9呈现了从上电（电动汽车连接断开，本案例中为阻性负载）到进入充电状态的完整状态机运行过程，其中各状态在CP信号波形上已做标注。

图9与图10的区别在于：在C状态期间（电动汽车充电过程中），触发了交流RCD中断。这一点可在第三个波形中观察到。此时，IC-CPD会断开继电器，且LED指示灯会显示错误消息。

图9.正常工作状态，标注有EVSE-EV状态。

图10.C状态（无通风条件下充电）的充电过程中检测到RCD交流错误。

图11中的消息对应图9所示的场景，即从上电、充电到电动汽车断开连接的完整充电过程。

图11.通过串行接口接收的完整充电序列调试消息

调试消息还包含输入电压值、设备内部电流与温度，以及特定时刻的活跃状态等内容。

当发生CP错误时，IC-CPD会断开继电器，并通过LED指示灯显示CP错误。

保护接地(PE)错误

若在C状态下出现PE错误（即EVSE与EV之间的PE缺失），继电器将断开，同时LED指示灯会显示错误。若在A状态或B状态下出现PE错误，IC-CPD会将其判定为电动汽车已断开连接，并保持当前状态或进入A状态（具体取决于错误发生时的活跃状态）。在此情况下，CP信号电平无法达到C状态的数值，继电器将保持断开状态，直至PE连接恢复。

结语

本文围绕内置控制保护器件(IC-CPD)展开，重点介绍了ADI公司的AD-ACEVSECRDSET-SL参考设计。该参考设计是一套完整的2型电动汽车供电设备(EVSE) 3.6 kW充电电缆解决方案，专为电动汽车充电系统的评估与原型开发而打造。采用ADE9113隔离式模数转换器(ADC)时，凭借集成的isoPower技术及内部隔离特性，可有效减少元件数量。MAX32655微控制器(MCU)集成了蓝牙低功耗(BLE)和模数转换(ADC)通道，能够轻松实现符合IEC 61851-1标准的状态机功能。no-OS框架的应用及开源代码模式，不仅简化了软件开发流程，更为在软件开发中遵循本文提及的相关IEC标准提供了良好起点。文中提供的流程图、调试信息及借助FEV300完成的设计验证，有助于更深入地理解和评估整体设计方案。

如需了解该参考设计的更多信息，请访问：

• AD-ACEVSECRDSET-SL用户指南
• AD-ACEVSECRDSET-SL硬件用户指南
• AD-ACEVSECRDSET-SL软件用户指南

参考文献

1 Global EV Data Explorer，国际能源署。

2 Fayez Alanazi，“Electric Vehicles:Benefits, Challenges, and Potential Solutions for Widespread Adaptation”，Applied Sciences，第13卷，2023年。

3 Luis Sarmiento、Nicole Wägner和Aleksandar Zaklan，“The Air Quality and Well-Being Effects of Low Emission Zones”，Journal of Public Economics，第227卷，2023年。

4 “Worldwide Daily Driving Distance is 25-50km?What about AU, US, UK, EU, and...”，Solar on EV，2021年10月。

5 “Daily Miles of Travel per Driver in the United States Between 2001 and 2017”，Statista，2021年。

6 National Household Travel Survey，美国交通部联邦公路管理局。

ADI Type2 EVSE，GitHub。

no-OS API，ADI公司。

no-OS Build Guide，GitHub。

no-OS Code Style Guidelines，GitHub。

no-OS GitHub Repository，GitHub。

no-OS Licence，GitHub。

no-OS概述，ADI公司。