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作者:德州儀器 Errol Leon

 

典型的電動車 (EV) 充電站設計可用於商業和住宅用途,包括電能計量、交流和直流剩餘電流偵測、安全合規性絕緣、有驅動器的繼電器和接觸器、雙向通訊,以及服務和使用者介面。雖然充電站的目標是確實將電力傳輸到車輛,不過電力傳輸只是一開始的功能。

根據 IHS Markit 的最近報告,到 2030 年,估計有 2000 萬個公共電動車充電站將連接到電網,住宅充電站預計將大幅擴展以滿足需求。電動車充電站設計包含獨特的挑戰。電動車供電設備 (EVSE) 必須結合通訊、安全與防護措施,同時提供簡單的升級途徑,藉以適應未來的電網整合。在本文中,我將簡要介紹使用 TI 的 Sitara AM625 處理器進行 2 級交流電動車充電站的可擴展軟硬體展示中使用的三個設計注意事項。

展示影片:具有車輛到電網 (V2G) 通訊功能的智慧型電動車充電站,採用 Sitara AM62 處理器。

設計考量因素 1  瞭解未來的通訊標準和電網整合

未來的電動車有望在高需求或停電期間透過將儲存的能量送回電網做為能源。管理這種潛在的能量交換是電網整合方面,因此通訊成為電動車充電站的關鍵設計考量因素。無論是車輛充電點到電網,還是充電站到雲端,前後端通訊設計都必須滿足充電過程中的資料、安全與防護措施標準,如圖 1 所示。

                                          圖 1V2G 技術

國際標準化組織 (ISO) 15118 標準規範電動車和充電站之間的雙向通訊協定,這種通訊協定能夠交換汽車識別、充電控制和充電狀態的資訊,藉以實現隨插即充電等功能。為了滿足 ISO 15118 標準而結合前後端通訊要求有助於達到現今所需的合規性,並延長未來電網整合的設計壽命。

現今選擇正確層級的處理器整合和軟體功能可以為未來的電網整合實現簡單的優化。圖 2 所示的電動車充電設計中使用的 Sitara AM625 包括具備標準軟體開發套件的主線 Linux® 核心,因此能夠確保高效率的維護和簡化的更新。AM625 處理器也透過內建硬體安全模組 (HSM) 支援 IP 保護的安全啟動,並採用先進的電源管理支援來達到閒置時的最佳系統功耗。

                                                        

                                                                

            

 圖 2:交流充電裝置原理圖;直流充電裝置原理圖

設計考量因素 2:運用模組化設計實現彈性的交流或直流充電選項

為電動車充電裝置確定最適合的連接解決方案包括考量應用實例、將要安裝的環境,以及電網整合擴展。商用電動車充電裝置通常需要雲端連線來管理計費分配以及汽車資料見解,您可能需要考量在多個充電點之間進行集中資料管理的潛力。住宅充電裝置最終將成為智慧家庭的延伸,需要與現有的有線和無線網路整合。

開放式充電點通訊協定 (OCPP) 是對於充電站和管理資料交換的充電站網路之間定義的通訊標準。針對此通訊協定進行設計需要多種連線選項,並且可以透過乙太網路、行動通訊、Wi-Fi® 或 Sub-1 GHz 的訊號來實現。

為了因應 OCPP 整備的彈性挑戰,電動車充電裝置需要具有多種連線選項。例如,WiFi 相當普遍。因此,WiFi 可用於將電動車充電裝置連接到現有基礎設施或為不適合有線連線的充電站網路提供本地連接。在地下停車場之類相當有挑戰性的射頻環境中部署電動車充電裝置時,Sub-1GHz 等低頻通訊在連接可靠性方面優於 LTE。無論設計是用於商業還是住宅用途,也無論充電裝置的位置,設計都需要彈性可靠的連接解決方案。

選擇正確的連接解決方案表示支援更高的工作溫度範圍,確保即使在溫度變化相當大的最嚴苛環境中也能確保穩定連接,  而且也確保與商業或家庭網路的互通性。TI 的 WL1837MOD WiLink 8 模組提供絕佳的射頻效能以及與其它 WiFi 裝置的強大互通性。這也整合 Bluetooth,相當容易配置和部署。WL1837MOD Phytec 可立即投入生產的 Phycor am62x 多核心 Arm® 處理器系統模組相結合,提供生態系統軟體相容性,便於第三方軟體整合,並為OCPP 2.0.1 及以上版本的未來遷移和優化提供升級途徑。

設計考量因素 3:透過安全與防護措施選項管理壽命。

隨著 ISO 15118 和 OCPP 2.0.1 的未來發展逐漸增加車輛和使用者資料的資料見解,安全軟體對於連接和通訊而言都極為重要。此款處理器將在實現電動車充電的未來擴展性方面發揮關鍵作用,可做為資料品質和充電量的系統監視器組合,同時為深入瞭解支付和車輛資料提供安全閘道。

ISO 15118 的應用層和傳輸層都支援資料安全。傳輸層安全 (TLS) 1.2 或更高版本會對傳輸層通訊進行加密。雖然只有在使用隨插即充電識別機制時才強制使用 ISO 15118-2 的 TLS,不過未來的 ISO 15118-20 標準規定所有應用實例和所有識別機制都必須強制使用 TLS。AM625 具備車載 HSM 安全功能,例如:

  • 安全啟動:
  • 可自行程式編輯的硬體 (eFuse) 鍵。
  • 支援加密和認證啟動。
  • 除錯 (測試行動小組) 連接埠:
  • 在高安全性裝置上預設關閉。
  • eFuse 設定允許永久關閉。

每個電動車充電設計都包含多個安全方面,包括安全電纜連接、接地故障監測、繼電器驅動和高壓絕緣。TI 的 DRV8220 馬達驅動積體電路具有整合式全橋、邏輯控制和保護功能,可進行插頭鎖定、接地故障監測和繼電器驅動器的簡單實作。

結論

電動車充電產業正在持續發展,因此變得更加標準化、智慧和高效率。設計人員必須納入彈性的連接性和安全性,才能實現與電網的長期整合。選擇正確的處理器設計需要考量持續成長的資料處理需求以及對於可靠軟體堆疊的需求。

透過應用簡報、展示影片和 TI 參考設計深入瞭解 2 級交流充電設計。

關於電動車充電的其它資源:

 

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