隨著全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)份額持續(xù)擴(kuò)大，車輛與市電電網(wǎng)之間的低成本連接必須兼顧安全性與高效性。

電動(dòng)汽車（EV）市場(chǎng)正呈指數(shù)級(jí)持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到 2030 年全球上路電動(dòng)汽車數(shù)量將達(dá)到5 億輛。從國(guó)際能源署（IEA）提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，這一數(shù)字是合理的：2022–2023 年全球純電動(dòng)汽車（BEV）與插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）總銷量增長(zhǎng)35%（從 1020 萬(wàn)輛增至 1380 萬(wàn)輛）。IEA 預(yù)測(cè)，2030 年全球年銷量將達(dá)到4070 萬(wàn)輛，2035 年達(dá)到5650 萬(wàn)輛。

氣候變化與人口密集區(qū)空氣污染是推動(dòng)高效、零尾氣排放交通方式發(fā)展的主要?jiǎng)恿ΑＴ陔妱?dòng)汽車數(shù)量可預(yù)見(jiàn)的增長(zhǎng)背景下，市場(chǎng)需要滿足相關(guān)需求，并提供兼顧經(jīng)濟(jì)性、安全性與環(huán)境影響的最高效充電解決方案。

多數(shù)私人用戶日均行駛里程僅約 30 英里，因此低功率充電已足夠滿足需求。對(duì)于家用電動(dòng)汽車充電站，新車標(biāo)配的 ** 線纜內(nèi)置控制與保護(hù)裝置（IC?CPD）** 是實(shí)用方案，可省去大功率充電樁安裝與維護(hù)的高昂成本。在當(dāng)前充電方案日趨復(fù)雜的背景下，未來(lái)不僅電動(dòng)汽車市場(chǎng)會(huì)增長(zhǎng)，充電設(shè)備市場(chǎng)同樣會(huì)擴(kuò)張。

什么是電動(dòng)汽車供電設(shè)備（EVSE）？應(yīng)用在何處？

EVSE 是允許用戶安全為 PHEV 或 BEV 充電的裝置。EVSE 按充電功率等級(jí)分類，電動(dòng)汽車術(shù)語(yǔ)中的 “充電等級(jí)” 指充電系統(tǒng)的配電類型、標(biāo)準(zhǔn)與最大功率定義，遵循 SAE J1772 標(biāo)準(zhǔn)，并被國(guó)際采納為 IEC 62196?1。

模式 2（Mode 2）標(biāo)準(zhǔn)功能

模式 2 是將電動(dòng)汽車連接到交流電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)插座的方式。該方式使用具備 CP 功能的交流 EVSE，并在標(biāo)準(zhǔn)插頭與電動(dòng)汽車之間配備人員防觸電保護(hù)系統(tǒng)（IEC 62752:2017 6.2.2）。

IC?CPD 最重要的功能是防觸電保護(hù)，通常通過(guò)至少 A 型剩余電流裝置（RCD）+ 直流檢測(cè)輔助電路，或直接使用 B 型 RCD 實(shí)現(xiàn)。

該功能至關(guān)重要，因?yàn)槌潆娖骺赡茉趹敉狻⒐矆?chǎng)所、有水接觸風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中使用。保護(hù)接地（PE）必須有效，故障發(fā)生時(shí)必須立即切斷供電。

圖 1 為 2 型 IC?CPD 的通用框圖。基于該框圖可實(shí)現(xiàn) IEC 61851?1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部強(qiáng)制功能，可根據(jù)方案增刪模塊。

亞德諾（ADI）2 型 EVSE 方案

亞德諾 2 型 EVSE 方案框圖（圖 2）包含 ADE9113 三通道隔離 Σ?Δ ADC。該 ADC 測(cè)量單相電源輸入的電壓、電流，以及用于檢測(cè)繼電器觸點(diǎn)粘連的繼電器電壓。

系統(tǒng)安全運(yùn)行由 6 mA DC / 30 mA RMS RCD 保障，同時(shí)支持過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫、保護(hù)接地（PE）檢測(cè)、電動(dòng)汽車二極管存在檢測(cè)等功能。

集成式隔離設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了與 MCU 的連接。MAX32655 超低功耗 Arm Cortex?M4 處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯，并通過(guò) CP 接口與電動(dòng)汽車通信。方案支持編程調(diào)試接口，內(nèi)置 Bluetooth 5.2 可連接外部設(shè)備，MCU 與 ADE9113 通過(guò) SPI 通信。

實(shí)現(xiàn) EVSE 與電動(dòng)汽車通信所需的 CP 信號(hào)由 MAX32655 與 ADA4523?1 零漂移低噪聲運(yùn)放生成。

系統(tǒng)由單相 230 V 交流供電，隔離式 AC?DC 開(kāi)關(guān)電源（SMPS）輸出 12 V，MAX20457 高效雙路同步降壓轉(zhuǎn)換器將電壓降至 5 V 和 3.3 V，為板載隔離側(cè)供電。反相配置的 LT8330 生成 CP 信號(hào)低端所需的?12 V 電壓。

ADT75 12 位數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度并上報(bào) MCU，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)。

該設(shè)計(jì)配套開(kāi)源軟件棧與參考應(yīng)用，支持基于已驗(yàn)證、符合標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行定制化軟件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足 IEC 61851 與 IEC 62752 標(biāo)準(zhǔn)。

隔離 ADC（ADE9113）

ADE9113 是用于多相電能計(jì)量的三通道隔離 Σ?Δ ADC，支持分流器電流采樣。數(shù)據(jù)與電源隔離基于 ADI iCoupler 數(shù)字隔離技術(shù)。芯片內(nèi)置三個(gè) ADC：

• 一路專用于測(cè)量分流電阻電壓

• 最多兩路用于測(cè)量電壓（通常通過(guò)電阻分壓）

本應(yīng)用中，一路電壓通道用于檢測(cè)繼電器觸點(diǎn)粘連。

該 ADC 集成 isoPower 片內(nèi)隔離 DC?DC，為 ADC 前端提供穩(wěn)壓電源，無(wú)需外置隔離電源模塊。iCoupler 芯片級(jí)變壓器技術(shù)隔離邏輯信號(hào)，實(shí)現(xiàn)小體積全隔離方案，方便與單片機(jī)對(duì)接。

圖5 對(duì)應(yīng)圖 3，繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)的電壓與電流通道數(shù)值

電網(wǎng)保護(hù)接地（PE）存在檢測(cè)

設(shè)備上電期間通過(guò)專用電路檢測(cè)保護(hù)接地是否存在與火零是否接反。若無(wú)接地，設(shè)備進(jìn)入故障狀態(tài)并通過(guò)狀態(tài) LED 提示；若需檢測(cè)火零接反，可結(jié)合光耦輸出與 PE_ERR 信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

軟件框架（no?OS）

no?OS是亞德諾為裸機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件框架，為 GPIO、SPI、I2C、RTC、定時(shí)器、中斷等外設(shè)提供統(tǒng)一 API 接口，可跨單片機(jī)平臺(tái)使用。

目前支持 Intel、Xilinx、ADI 自有 MCU、MAX326xx、STM32、樹(shù)莓派 Pico 及 mbedOS 設(shè)備。用戶可快速生成獨(dú)立參考工程，作為自研開(kāi)發(fā)起點(diǎn)。no?OS 為開(kāi)源軟件，代碼托管于 GitHub。

固件中主要驅(qū)動(dòng)包括：

• MAX32655 單片機(jī)

• ADE9113 隔離三通道 Σ?Δ ADC

• ADT75 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

狀態(tài)機(jī)

IC?CPD 功能由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)（圖 7），嚴(yán)格遵循 IEC 61851?1 規(guī)范。

圖7 

固件使用三個(gè)枚舉實(shí)現(xiàn)邏輯：

1. charger_state_e：充電狀態(tài)

2. state_machine_events_e：狀態(tài)機(jī)事件

3. interface_err_status_e：錯(cuò)誤狀態(tài)

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試使用 Fluke FEV300 電動(dòng)汽車充電適配器與不同負(fù)載，或通過(guò) 2 型線纜連接負(fù)載 / 實(shí)車進(jìn)行。

圖8

正常工作與 RCD 故障檢測(cè)

• 圖 9：正常充電流程狀態(tài)機(jī)完整波形

• 圖 10：充電狀態(tài) C 中觸發(fā)      AC RCD 故障，IC?CPD 斷開(kāi)繼電器并上報(bào)錯(cuò)誤

CP 錯(cuò)誤

CP 信號(hào)異常時(shí)，IC?CPD 斷開(kāi)繼電器并通過(guò) LED 指示 CP 錯(cuò)誤。

保護(hù)接地（PE）錯(cuò)誤

• 狀態(tài) C 中出現(xiàn) PE 丟失：立即斷開(kāi)繼電器并報(bào)錯(cuò)

• 狀態(tài) A/B 中出現(xiàn) PE 錯(cuò)誤：視為車輛未連接，保持 / 進(jìn)入狀態(tài) A，直到 PE恢復(fù)

結(jié)論

本文圍繞 IC?CPD 展開(kāi)，介紹了亞德諾 AD?ACEVSECRDSET?SL 參考設(shè)計(jì) —— 一套完整的 2 型、3.6 kW EVSE 充電線纜方案，適用于電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)評(píng)估與原型開(kāi)發(fā)。

通過(guò)使用 ADE9113 隔離 ADC（集成 isoPower 與內(nèi)部隔離）減少了器件數(shù)量；搭載 MAX32655 MCU（集成 BLE 與 ADC）可輕松實(shí)現(xiàn) IEC 61851?1 規(guī)定的狀態(tài)機(jī)；no?OS 框架與開(kāi)源代碼大幅簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，為遵循相關(guān) IEC 標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目提供了理想起點(diǎn)。