电动车充电站设计开发指南

作者：e络盟技术团队

引言

开发板可为充电概念提供快速原型设计、降低开发成本、提高灵活性并且使其更快地上市。它们可加快原型设计周期，允许快速迭代设计并测试各种充电概念，且无需进行定制硬件设计。这不仅降低了总体开发成本，而且允许模块化设计和定制选项。这些开发板无需定制硬件设计，从而能够方便地对不同技术进行实验。这种方法不仅具有高性价比，而且有助于让开发过程更加敏捷，从而让工程师能够探索创造性的解决方案，并高效利用资源应对各项挑战。总体而言，开发板提供了一种高性价比且灵活的充电开发方法。

电动车充电开发平台

电动车服务设备（EVSE）可帮助电网向电动车安全供电。这是一个用于创建高效可靠的电动车充电站的全面解决方案。它集成了精心策划的硬件和软件，简化了开发过程，使工程师能够方便地设计具有人机界面（HMI）的智能互联电动车充电站。该平台应具备多种功能，可满足各种充电水平和配置，并根据特定需求量身定制。

模块化设计功能使其成为加快开发和部署电动车充电基础设施的理想选择。它必须在结合通信、安全和保障的同时为电网集成提供便捷的升级路径。软件包含用于充电会话的底层驱动程序和操作系统，并且提供生产用系统模块（SOM）和图形二进制文件，以缩短开发上市时间。

开放充电桩协议（OCPP）是充电站及其网络（充电桩运营商 - CPO）的标准通信协议，需要具备诸如以太网、蜂窝、Wi-Fi 或Sub-1 GHz信号等多种连接选项。它支持安全通信和OTA更新，旨在为电动车和充电站在充电过程中提供一种安全的标准化通信方式。

电动车充电器的组成部分

EVSE控制系统由辅助功率级、非板载AC/DC大功率级（仅用于直流充电站）、电能计量装置、交直流剩余电流检测器、隔离监控装置、带驱动器的继电器和接触器、单线双向通信以及服务和用户界面组成。

AC-DC转换器用于将来自电网的交流电转换为直流电。逆变器用于将直流电转换为交流电。功率因数校正（PFC）装置用于提高AC-DC转换器的效率（图1）。电动车充电站还可能包含其他电力电子元件，例如隔离变压器，它将电动车的电池与电网隔离开来，有助于保护电动车免受电气危害。冷却系统用于冷却电力电子元件，防止其过热。控制板监测并控制电力电子元件的运行。

直流充电站的发展趋势是以更低的损耗支持更高的功率和电压。微控制器和电源管理集成电路旨在集成安全、安保、固件更新、外设功能，并减少物料清单（BoM）。如需高电压支持以及将功率半导体切换为低功耗半导体的技术，栅极驱动器集成电路至关重要。


图1：电动车直流充电器的主要组件

前端是一个带功率因数校正（PFC）的AC-DC升压转换器，然后是一个在电网和负载（电动车电池）之间提供隔离的DC-DC级，并调节输出端的电压和电流。该系统也可能双向运行（特别是在功率较低的情况下），因此拓扑结构和设计应考虑到这一点。

系统包括各种组件，如NFC阅读器、屏幕、控制面板、BLE、PLC、主CPU、ISO15118协议栈、OCPP协议栈、WiFi/LTE、信号调节、电压、电流和温度传感器，以实现无缝的用户体验，确保安全认证、实时数据显示和高效的电源管理。基于 MOSFET的设计可实现同步整流，更高的开关频率和更小的无源元件。

开发定制电动车充电器能够带来独有的特性和功能，例如高级用户界面、智能充电算法以及与可再生能源集成。充电器的设计可满足充电速度、功率容量、连接器类型和用户界面等特定要求。深入分析充电模式和能耗，需要具备先进的数据收集功能，从而优化充电操作并做出明智的决策。功率较高的直流充电器通常采用模块化设计，将15至75 kW（及以上）的电源块堆叠在一个机柜中。一般来说，直流充电器的输出电压范围为从150 V到1000 V以上，涵盖400 V和800 V标准电动车电池电平，并且可针对较高或较低电压端进行优化。

开发平台产品

在设计和测试新型电动车充电技术时，开发板发挥着至关重要的作用，它可以确保充电解决方案的便利性和效率。下面，我们将介绍用于电动车充电系统的开发板，这些开发板具有不同的额定功率输出用于AC-DC、DC-DC转换器。

a. NXP解决方案

EasyEVSE电动车充电站开发平台提供硬件配置说明和示例软件，用于在EVSE和基于云的应用之间建立安全连接。此模块化平台可用于构建差异化EVSE系统，支持设备到云和云到设备的通信、准确的电能计费和一键式NFC认证。它支持Microsoft Azure IoT Central服务等云服务、EdgeLock SE050安全元件、用于准确进行电能计费的Kinetis M计量MCU以及用于一键式身份验证的CLRC663高性能NFC前端。


图2：EasyEVSE 参考设计框图

EasyEVSE（图2）由主机控制器 (i. MX RT106x 交叉 MCU）、仪表（KM3x 计量 MCU）、安全元件（SE050 安全元件）、NFC（CLRC663 NFC 前端）、物联网连接 (Microsoft Azure IoT Central)、图形用户界面（GUI）组成。可以单击此处找到所有这些产品。

控制器模块管理与仪表、NFC、安全和物联网模块的通信，提供一个GUI界面用于监控和管理EasyEVSE。NFC模块读取NFC设备的UID，而安全模块则安全地存储 Azure物联网云的EasyEVSE凭证。物联网和连接模块，即Azure IoT Central应用，接收、存储来自EasyEVSE的遥测数据并将其显示在仪表板中。遥测数据每分钟数次定期发送到EasyEVSE仪表板。

该仪表板可实时修改EasyEVSE属性，模拟输送电能的实际应用，根据电网需求改变电价成本。它还可以向EasyEVSE发送指令。

b. Onsemi解决方案
SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK - 基于SiC的25 kW直流快速充电器（DCFC）

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 是基于SiC功率集成模块的25kW快速直流电动车充电器的参考设计套件。该完整SiC解决方案由PFC和DC-DC级组成，配备多个 1200V、10 毫欧姆半桥SiC模块NXH010P120MNF1，并且超低RDS(on)和最小的寄生电感可以显著降低传导损耗和开关损耗。

该系统覆盖较宽的输出电压范围，能够给使用400 V和800 V电池的电动车充电，并针对较高电压水平进行了优化。输入电压的额定值为欧盟400 Vac和美国480 Vac 三相电网。功率级能够在500 V至1000 V的电压范围内输送25 kW电力。如果低于500 V，输出电流将限制为50 A，根据CCS或CHAdeMO等直流充电标准的规定降低额定功率（图3）。


图3：评估套件 - SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK

关于通信端口，电路板将为外部接口（电源模块、充电器系统控制器、车辆、服务和维护之间）提供隔离的CAN、USB和UART基础设施。

该系统可在200V-1000V输出电压下输送最大25kW的电力，可为400V或800V电动车电池充电，全时效率高达96%。


图4：25 kW 电动车直流充电器功率级高级框图

如图 4 所示，它采用了两块设计有Zynq®-7000 SoC FPGA和基于ARM®处理器的通用控制板（UCB）。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK的亮点还有电隔离大电流驱动器NCD57000、为低压组件提供稳定电压轨的辅助电源解决方案SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB、集成保护功能（如浪涌控制、过压保护）和多个通信接口。

c. Infineon解决方案 - REF-DAB11KIZSICSYS

REF-DAB11KIZSICSYS板是一个DC-DC级，输出范围大，使用两个电感器和两个电容器（CLLC）谐振网络，具有双向功能。该转换器的功率转换效率较高，因为对称 CLLC谐振网络具有初级电源开关的零电压开关功能和次级侧输出整流器的同步整流换向功能。该转换器可以改变功率流向，在不进行同步整流的情况下，其最大功率转换效率约为 97.2%。


图5：REF-DAB11KIZSICSYS电路板

11 kW SiC 双向DC/DC转换器电路板专为电动车充电和储能系统（ESS）应用而设计。它采用CLLC拓扑结构，适用于从30 kW到150 kW的充电器。该电路板使用TO247-4封装的1200 V CoolSiC MOSFET和EiceDRIVER 1ED紧凑型栅极驱动器集成电路，从而提高效率、节省空间和重量、减少零件数量并提高系统可靠性。

结语

以上我们的讨论强调了原型设计、模块化解决方案和开发板对于定制电动车充电站的重要性。这些工具使工程师能够快速构建和测试创新的充电概念，而无需进行硬件设计，从而缩短新产品上市时间。这凸显了这些开发工具在电动车充电站建设中的效率和有效性。

下面列出了多款电动车充电开发板：
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       供应商  部件号  描述  库存编码
  Phoenix Contact  EV-SET-T2AC-BAS-RCM1-20AC5MES  双充电技术套装入门套件  3294737
  Phoenix Contact  EV-SET-T2AC-ADV-RCM2-32AC5MES  双充电技术套装入门套件  3294735
  Phoenix Contact  EV-SET-T2AC-ADV-RCM2-32ASE12  双充电技术套装入门套件  3294736
  Phoenix Contact  EV-SET-T2AC-BAS-RCM1-20ASE12  双充电技术套装入门套件  3294738
  Trinamic / Analog Devices  TMC4671-LEV-REF  参考设计板，TMC4671，轻型电动车  3765363
  Onsemi  SECO-GDBB-GEVB  栅极驱动器即插即用生态系统  3528526
  Onsemi  SECO-LVDCDC3064-IGBT-GEVB  6-18 Vdc 输入隔离式 IGBT 栅极驱动器电源 +15 V / -7.5 V /7.5 V，带汽车级 NCV3064 控制器  3766234
  Onsemi  SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB  6-18 Vdc 输入隔离式 SiC 栅极驱动器电源 +20V/-5V/5V，带汽车级 NCV3064 控制器评估板  3766235
  Infineon  EVAL-1ED3321MC12N  短路保护增强型  EiceDRIVER F3 评估板  3931196
  Infineon  REF-DAB11KIZSICSYS  适用于电动车充电和  ESS 应用的 11 kW SiC 双向 DC/DC 转换器电路板  3766011
  Infineon  EVAL-FFXMR12KM1DR  1200 V CoolSiC MOSFET 62 mm 半桥模块评估板  3865650
  Infineon  EVAL3K3WLLCHBCFD7TOBO1  评估板，电源管理，IPW60R018CFD7，数字 LLC 谐振半桥 DC-DC 转换器  3514696
  Infineon  EVAL3K3WBIDIPSFBTOBO1  评估板，电源管理，IPL60R075CFD7，双向 DC-DC 转换器  3514695
  Infineon  EVAL2KWZVSFBCFD7TOBO1  评估板，全桥解决方案，SMPS，ZVS PSFB，工业/服务器应用，2kW  2981496
  ST Microelectronics  STEVAL-DPSTPFC1  评估板，TN3050H-12WY  和 SCTW35N65G2V，推拉输出电路PFC 带浪涌电流限制器  3642958

以下是用于电动车充电的开发板

    嵌入式开发套件 - ARM
  物联网解决方案套件
  DSPIC开发板
  嵌入式SBC板
  电源管理开发套件 - AC/DC
  射频模块
  通信与网络模块
  嵌入式软件