【導讀】電動汽車的發展趨勢依賴于公共服務站電動汽車 (EV) 充電基礎設施的預期可用性，并且可以通過在用戶的住家和工作場所安裝合適的充電系統來加速發展。盡管核心設計要求基本一致，但每一種系統都有專門的要求，從通信平臺到合規性要求等因素的地區差異又讓這種情況更加復雜。
電動汽車的發展趨勢依賴于公共服務站電動汽車 (EV) 充電基礎設施的預期可用性，并且可以通過在用戶的住家和工作場所安裝合適的充電系統來加速發展。盡管核心設計要求基本一致，但每一種系統都有專門的要求，從通信平臺到合規性要求等因素的地區差異又讓這種情況更加復雜。
因此，充電基礎設施設計人員面臨的挑戰是在設計中滿足核心要求，還要有足夠的靈活性，以滿足盡可能廣泛的終端應用和區域要求，同時平衡成本和上市時間。
本文介紹了各種公共充電站的設計要求。然后，介紹了 NXP Semiconductors 的靈活解決方案平臺，其可用于開展能滿足這些要求的設計。
迎接多樣化的設計挑戰
若想加快向 EV 過渡，則需要隨時提供高效的電動汽車供電設備 (EVSE)，即廣為人知的 EV 充電系統。短距離駕駛需求可通過車輛內置的板載 AC-DC 充電器來滿足，其能在家庭或辦公地點充電，但這些充電系統無法緩解 EV 行駛里程方面的焦慮問題，這會持續限制 EV 的采用。長距離電動汽車取決于公共 EV DC 充電系統的可用性，相比內置 AC-DC 充電器，它能更快地給 EV 充電。同時，這些不同的 EV 充電系統需要符合有關安全、安保和隱私方面的多種標準和法規。
對于構建 EV 充電系統解決方案的開發人員而言，他們需要為每個特定用例提供有效的解決方案，這既帶來巨大的機遇，也會產生重大的技術挑戰。在這些挑戰中，開發人員需要在一系列設計中提供廣泛的功能，這些設計能夠提供所需的性能和效率，同時滿足每個應用的具體要求。若要滿足這一需求，需要調整所有 EV 充電系統設計的基本架構。
調整基本的 EV 充電系統架構
無論具體目標應用如何，EV 充電系統包括兩個主要子系統 — 功率輸送前端和電力管理后端控制器；并且由隔離邊界分隔（圖 1）。
圖 1：EV 充電系統基本架構包括由隔離邊界分隔的獨立電源插座接口和控制器子系統。（圖片來源：NXP Semiconductors）
在面向車輛和能源的前端，電源插座接口子系統可管理對車輛的功率輸送。在隔離柵的另一側，控制器子系統可處理安全、通信和其他高級功能。這些子系統的實施通常取決于一些基本的構件，以滿足與每個特定應用相關的計量、控制、功能安全、安保和通信的具體要求。
每個構件都會為整個 EV 充電系統設計提供關鍵功能。計量單元需要確保能量傳輸安全，以及能量測量準確、防篡改，以便計費。控制單元確保可靠執行下游能量傳輸和上游數據傳輸所需的各種協議。這種單元基于功能安全和安保能力，同時支持當地和特定地區對與云端資源通信所用的安全支付和通信協議的要求。
過去，開發人員需要實施每個所需的構件，通常會使用包含各種通用器件的定制設計，來按需調整基本的 EV 充電架構設計。NXP 的 EV 充電解決方案系列提供了有效的替代方案，使開發人員能夠結合現成的構件，快速創建電動汽車充電系統設計，以滿足廣泛的目標應用。
實施 EV 充電系統前端
NXP 的 EV 充電解決方案核心是一些處理器系列，它們專門用于提供 EV 充電系統設計等高要求應用所需的性能和功能。在這些處理器系列中，NXP 的 Kinetis KM3x 系列微控制器 (MCU) 產品專門用于提供可認證的精確功率輸送測量。基于 Arm? 32 位 Cortex? M0+ 內核，Kinetis KM3x MCU 集成了大量用于測量、安全、通信和系統支持的功能塊，以及片載閃存和靜態隨機存取存儲器 (SRAM)（圖 2）。
圖 2：Kinetis KM3x 系列集成了一套完整的必需功能塊，以實施可認證的精準功率輸送測量。（圖片來源：NXP Semiconductors）
為了簡化計量實施，KM35x MCU 測量前端集成了一個高精度三角積分模數轉換器 (ADC)、多個逐次逼近寄存器 (SAR) ADC、多達四個可編程增益放大器 (PGA)、一個高速模擬比較器 (HSCMP)、一個相位補償邏輯塊，以及一個帶低溫漂移的高精度內部電壓基準 (VREF)。為了保護計量單位的完整性，片載安全功能支持帶有時間戳的主動和被動篡改檢測。這些片載功能塊與外部傳感器、繼電器和其他外設結合使用，可為 EV 充電系統電源插座前端提供所需的全部功能，以便快速實施復雜計量子系統（圖 3）。
圖 3：開發人員使用 Kinetis KM MCU，只需要一些額外的外部元器件，就能實施 EV 電源插座子系統。（圖片來源：NXP Semiconductors）
實施 EV 充電系統控制器
如上所述，EV 充電系統控制器協調每個系統所需的各種功能。該子系統的需求決定了使用的處理器，既能提供確保精確控制充電系統的實時性能，又能提供支持各種協議的處理吞吐量，同時最大限度地減少設計基底面和成本。
NXP 的 i.MX RT 系列跨界處理器基于 Cortex-M7 內核，可提供嵌入式微控制器的實時功能和應用處理器級的性能。憑借 600 MHz 的工作頻率和全套外設，i.MX RT 處理器（如 i.MX RT1064）能夠滿足低延時實時響應的需求。同時，諸如大型片載存儲器、外部存儲器控制器、圖形子系統和多種連接接口等特性也能滿足應用需求（圖 4）。
圖 4：i.MX RT1064 跨界處理器將外設和存儲器與 Arm Cortex-M7 處理器子系統相結合，旨在提供實時執行和應用處理器級的性能。（圖片來源：NXP Semiconductors）
除了滿足關鍵的實時和性能要求，EV 充電系統的設計需要確保多方面的安全，包括電源連接及支付方式的篡改檢測和認證。對于數據保護、安全啟動和安全調試，開發人員可以利用 i.MX RT 處理器的集成安全功能，包括高可靠引導、硬件加密、總線加密、安全非易失性存儲和安全的聯合測試行動組 (JTAG) 控制器。
為了進一步加強 EV 充電系統控制器的安全性，設計通常會納入 NXP 的 EdgeLock SE050 安全元件來補充 i.MX RT 處理器的安全功能。SE050 旨在提供端到端的生命周期安全性，能為一系列常見的加密算法、可信平臺模塊 (TPM) 功能、安全總線交易和安全存儲提供基于硬件的安全加速器。通過使用該器件為執行環境提供信任根 (RoT)，開發人員可以確保關鍵操作的安全性，包括認證、安全入網、完整性保護和證明。
借助 i.MX RT 處理器和 EdgeLock SE05x 器件，開發人員只需要一些額外元器件，即可實施一個控制器子系統來運行高性能實時操作系統 (RTOS)（圖 5）。
圖 5：憑借集成的功能和性能能力，i.MX RT MCU 可簡化 EV 充電系統的控制器子系統的設計。（圖片來源：NXP Semiconductors）
為不同的 EV 充電系統應用提供靈活的解決方案
通過將上述電源子系統和控制器子系統與可選的支付和通信選件功能塊相結合，開發人員可以快速實施能提供高達 7 kW 功率的單相 EV 充電系統（圖 6）。
圖 6：KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界處理器結合使用時可為 EV 充電系統提供高效硬件基礎。（圖片來源：NXP Semiconductors）
通過稍微改動模擬前端，同樣的設計可以擴展成一個三相 EV 充電系統，并能提供高達 22 kW 功率（圖 7）。
圖 7：開發人員可以快速調整一個基于 KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界處理器的設計，以支持各種應用。（圖片來源：NXP Semiconductors）
盡管 KM3x 和 i.MX RT 器件的這種組合適用于諸多用例，但其他 EV 充電系統的應用可能需要開發人員優化其設計的其他方面。例如，住宅充電器旨在提供比車載充電器更快的充電時間，因此需要優化其成本和基底面的解決方案。對于這些應用，開發人員可以使用 NXP 的 LPC55S69 等高性價比的 MCU，實現成本較低的入門級控制器。
相比之下，用于公共服務站的商用 EVSE 充電器將在高速應用處理和實時性能方面提出更嚴格的要求。對于在 400 至 1000 V 電壓下運行并提供 350 kW 或更高充電水平的電池存儲系統，需要滿足上述要求才能實現安全的系統控制。其中，執行應用級軟件和實時軟件的能力對性能和功能至關重要。對于這些系統，若使用 NXP 的 i.MX 8M 處理器等產品，開發人員可以更容易實施充電解決方案，使其能夠為這些復雜設計提供所需的基于 Linux 的應用處理和支持 RTOS 的實時性能（圖 8）。
圖 8：對于更復雜的應用，如超高速 EV 充電，開發人員可以使用高性能處理器（如 i.MX 8M 處理器）擴展基本的 EV 充電架構，以支持更復雜的控制器要求。（圖片來源：NXP Semiconductors）
快速實施云端連接的 EV 充電系統
NXP 處理器包括 Kinetis KM3x、i.MX RT、LPC55S69 和 i.MX 8M，為滿足不同 EV 充電系統應用的具體要求提供了靈活的平臺。然而，對于更復雜的應用來說，硬件基礎的部署延時會對端到端 EV 充電系統應用的開發造成重大延誤。
為了避免這種延誤，NXP 提供了一種快速開發途徑，即使用一套基于前述器件的電路板和評估套件。例如，NXP 的 TWR-KM34Z75M 模塊提供一個完整的計量平臺，其中結合了 KinetisMKM34Z256VLQ7 計量 MCU 和全套支持元器件。同樣，NXP 的 i.MX RT1064 評估套件將 MIMXRT1064DVL6 處理器與 256 Mb SDRAM、512 Mb 閃存、64 Mb 四路 SPI (QSPI) 閃存結合在一塊四層電路板上，并配有一組豐富的外設連接器，包括 Arduino 接口。此外，NXP 的 OM-SE050ARD 電路板可隨時訪問 EdgeLock SE050，而 NXP 的 PNEV5180BM 評估板可提供即用型 NFC 前端開發板。
通過結合 NXP 的計量用 TWR-KM34Z75M 電路板、控制用 i.MX RT1064 以及 OM-SE050ARD 和 PNEV5180B 電路板，開發人員可以快速實施一個全功能的硬件平臺，以構建 EV 充電系統應用（圖 9）。
圖 9：開發人員可以利用 NXP 電路板和評估套件，通過可用的云服務（如 Microsoft Azure）快速實施完整的端到端 EV 充電解決方案。（圖片來源：NXP Semiconductors）
NXP 的電路板級解決方案與 Microsoft Azure 云服務相結合，使開發人員能快速建立完整的端到端 EV 充電系統解決方案原型，并將該平臺用作基礎來設計更多專業應用。
總結
EV 充電系統的隨時可用性是電動汽車的一個關鍵推動因素，但如何在家庭、辦公室和公共服務站以具有成本效益的方式實施所需的不同解決方案，這仍然是一項阻礙。利用 NXP Semiconductors 的專用器件和電路板解決方案平臺，開發人員可以快速實施設計，使其性能可滿足 EV 充電的全部應用，并且能靈活地適應新興要求。
（來源：Digi-Key，作者：Stephen Evanczuk）
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