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電動汽車充電的三大設計注意事項

發布時間:2022-09-07 來源:德州儀器 類型:技術指導 人瀏覽
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關鍵字:

電動汽車 充電站

導讀:

國際標準化組織 (ISO) 15118 標準概述了電動汽車和充電站之間的雙向通信協議,能夠交換車輛識別、充電控制和充電狀態等信息,從而實現即插即充等功能。囊括前端和后端通信要求以滿足 ISO 15118 標準,不僅在當前滿足合規性,還能面向未來的電網集成實現設計的長期適用性。


  用于商業和住宅用途的典型電動汽車 (EV) 充電站設計包括電能計量、剩余電流檢測(交流和直流)、隔離安全合規性、繼電器和接觸器,還具有驅動功能、雙向通信以及服務和用戶界面。雖然充電站的目標是高效地將電力傳輸到車輛,但實現電力傳輸僅是其最初的功能。
  
  根據 IHS Markit 的最新報告,到 2030 年,估計有 2000 萬個公共電動汽車充電站將連接到電網,小區充電站規模預計將大幅擴展以滿足需求。電動汽車充電站設計包含獨特的挑戰。電動汽車供應設備 (EVSE) 必須結合通信、功能安全和信息安全功能,同時提供簡單的升級路徑,以便適應未來的電網集成。在本文中,我將在可擴展硬件和軟件案例中簡要介紹將TI 的 SitaraTM AM625用于 2 級交流電動汽車充電站的三個設計注意事項。 
  
  設計注意事項 1:  了解未來的通信標準和電網集成
  
  未來的電動汽車有望成為能源來源,即在用電高峰或停電期間將存儲的電能返回電網。管理這種潛在的能量交換是電網集成的一個方面,這使得通信成為電動汽車充電站的一項關鍵設計考量。無論是車輛充電點到電網,還是充電站到云端,前后端通信設計都必須滿足充電過程中的數據、功能安全與信息安全標準,如圖 1 所示。
  
  電動汽車,充電站
  
  圖 1:V2G 技術
  
  國際標準化組織 (ISO) 15118 標準概述了電動汽車和充電站之間的雙向通信協議,能夠交換車輛識別、充電控制和充電狀態等信息,從而實現即插即充等功能。囊括前端和后端通信要求以滿足 ISO 15118 標準,不僅在當前滿足合規性,還能面向未來的電網集成實現設計的長期適用性。
  
  當前選擇合適的處理器集成和軟件功能,可以面向未來的電網集成實現簡單的優化。圖 2 所示電動汽車充電設計中使用的 SitaraTM AM625 包括一個帶有標準軟件開發套件的主線 Linux® 內核,可確保高效維護和簡化更新。AM625處理器還支持安全啟動以實現 IP 保護,帶有內置的硬件安全模塊 (HSM),并采用先進的電源管理支持來優化空閑時的系統功耗。
  

電動汽車,充電站

電動汽車,充電站  

  圖 2:交流充電器方框圖;直流充電器方框圖
  
  設計注意事項 2:利用基于模塊的設計實現靈活的交流或直流充電選項
  
  為電動汽車充電器確定合適的連接解決方案包括考慮其用例、安裝環境以及針對電網集成的擴展。商用電動汽車充電器通常需要云連接來管理計費、配電以及汽車數據洞察,您可能需要考慮在多個充電點之間進行集中數據管理的功能。小區充電器最終將成為智能家居的延伸,需要與現有的有線和無線網絡集成。
  
  開放充電協議 (OCPP) 是定義在充電站和管理數據交換的充電站網絡之間通信的標準。面向該協議進行設計需要多種連接選項,可通過以太網、蜂窩、Wi-Fi® 或 Sub-1GHz 信號來實現。
  
  為了應對靈活滿足 OCPP 的挑戰,電動汽車充電器需要具有多種連接選項。例如,WiFi 無處不在。因此,它可用于將電動汽車充電器連接到現有基礎設施,或為有線連接不可行的充電站網絡提供本地連接。當電動汽車充電器部署在地下停車場等具有挑戰性的射頻環境中時,Sub-1GHz 等低頻通信在連接可靠性方面優于LTE。無論設計是用于商業還是住宅用途,或者充電器的位置在哪里,設計都需要靈活可靠的連接解決方案。
  
  選擇合適的連接解決方案意味著支持更高的工作溫度范圍,即使在溫度變化很大的惡劣環境中也能確保穩定連接。此外,還要確保與商業或家庭網絡的互操作性。TI 的WL1837MOD WiLinkTM 8 模塊可提供出色的射頻性能,以及與其他 WiFi 設備的強大互操作性。它還集成了藍牙,便于配置和部署。結合 Phytec 可用于大批量生產的 Phycor-am62x 多核 Arm® 處理器系統級模塊,WL1837MOD 可提供生態系統軟件兼容性,便于第三方軟件集成,并為未來 OCPP 2.0.1 及更高版本的遷移和優化提供升級路徑。
  
  設計注意事項 3:通過信息安全與功能安全選項管理壽命。
  
  隨著 ISO 15118 和 OCPP 2.0.1未來朝著提高數據洞察(對車輛和用戶數據)的方向發展,安全軟件對于連接和通信都至關重要。該處理器將在實現未來電動汽車充電可擴展方面發揮關鍵作用,既作為監測數據質量和充電級別的系統監視器,又可為深入了解支付和車輛數據提供安全網關。
  
  ISO 15118 的應用層和傳輸層都支持數據安全。傳輸層安全 (TLS) 1.2 或更高版本對傳輸層通信進行加密。盡管 ISO 15118-2 的 TLS 僅在使用即插即充識別機制時是強制性的,但 TLS 在未來的 ISO 15118-20 標準中對所有用例和所有識別機制都是強制性的。AM625 具有板載 HSM 信息安全功能,例如:
  
  安全啟動:
  
  自編程硬件 (eFuse) 密鑰。
  
  支持經過加密和身份驗證的啟動。
  
  調試(聯合行動組)端口。
  
  在高安全性設備上默認關閉。
  
  eFuse 設置允許永久關閉。
  
  每個電動汽車充電設計都包含多個安全方面的內容,包括安全電纜連接、接地故障監測、繼電器驅動和高壓隔離。TI 的 DRV8220 電機驅動器集成電路具有集成的 H 橋、邏輯控制和保護功能,可輕松實現插頭鎖定、接地故障監測和繼電器驅動器。
  
  結語
  
  電動汽車充電行業不斷發展,變得更加標準化、智能和高效。設計人員必須考慮靈活的連接性和安全性,以實現與電網的長期集成。選擇合適的處理器設計需要考慮不斷增長的數據處理需求以及對可靠軟件棧的需要。 

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