作者：德州仪器
用于商业和住宅用途的典型电动汽车 (EV) 充电站设计包括电能计量、剩余电流检测（交流和直流）、隔离安全合规性、继电器和接触器，还具有驱动功能、双向通信以及服务和用户界面。虽然充电站的目标是高效地将电力传输到车辆，但实现电力传输仅是其最初的功能。
根据 IHS Markit 的最新报告，到 2030 年，估计有 2000 万个公共电动汽车充电站将连接到电网，小区充电站规模预计将大幅扩展以满足需求。电动汽车充电站设计包含独特的挑战。电动汽车供应设备 (EVSE) 必须结合通信、功能安全和信息安全功能，同时提供简单的升级路径，以便适应未来的电网集成。在本文中，我将在可扩展硬件和软件案例中简要介绍将TI 的 SitaraTM AM625用于 2 级交流电动汽车充电站的三个设计注意事项。
设计注意事项 1：了解未来的通信标准和电网集成
未来的电动汽车有望成为能源来源，即在用电高峰或停电期间将存储的电能返回电网。管理这种潜在的能量交换是电网集成的一个方面，这使得通信成为电动汽车充电站的一项关键设计考量。无论是车辆充电点到电网，还是充电站到云端，前后端通信设计都必须满足充电过程中的数据、功能安全与信息安全标准，如图 1 所示。
图 1：V2G 技术
国际标准化组织 (ISO) 15118 标准概述了电动汽车和充电站之间的双向通信协议，能够交换车辆识别、充电控制和充电状态等信息，从而实现即插即充等功能。囊括前端和后端通信要求以满足 ISO 15118 标准，不仅在当前满足合规性，还能面向未来的电网集成实现设计的长期适用性。
当前选择合适的处理器集成和软件功能，可以面向未来的电网集成实现简单的优化。图 2 所示电动汽车充电设计中使用的 SitaraTM AM625 包括一个带有标准软件开发套件的主线 Linux® 内核，可确保高效维护和简化更新。AM625处理器还支持安全启动以实现 IP 保护，带有内置的硬件安全模块 (HSM)，并采用先进的电源管理支持来优化空闲时的系统功耗。
图 2：交流充电器方框图；直流充电器方框图
设计注意事项 2：利用基于模块的设计实现灵活的交流或直流充电选项
为电动汽车充电器确定合适的连接解决方案包括考虑其用例、安装环境以及针对电网集成的扩展。商用电动汽车充电器通常需要云连接来管理计费、配电以及汽车数据洞察，您可能需要考虑在多个充电点之间进行集中数据管理的功能。小区充电器最终将成为智能家居的延伸，需要与现有的有线和无线网络集成。
开放充电协议 (OCPP) 是定义在充电站和管理数据交换的充电站网络之间通信的标准。面向该协议进行设计需要多种连接选项，可通过以太网、蜂窝、Wi-Fi® 或 Sub-1GHz 信号来实现。
为了应对灵活满足 OCPP 的挑战，电动汽车充电器需要具有多种连接选项。例如，WiFi 无处不在。因此，它可用于将电动汽车充电器连接到现有基础设施，或为有线连接不可行的充电站网络提供本地连接。当电动汽车充电器部署在地下停车场等具有挑战性的射频环境中时，Sub-1GHz 等低频通信在连接可靠性方面优于LTE。无论设计是用于商业还是住宅用途，或者充电器的位置在哪里，设计都需要灵活可靠的连接解决方案。
选择合适的连接解决方案意味着支持更高的工作温度范围，即使在温度变化很大的恶劣环境中也能确保稳定连接。此外，还要确保与商业或家庭网络的互操作性。TI 的WL1837MOD WiLinkTM 8 模块可提供出色的射频性能，以及与其他 WiFi 设备的强大互操作性。它还集成了蓝牙，便于配置和部署。结合 Phytec 可用于大批量生产的 Phycor-am62x 多核 Arm® 处理器系统级模块，WL1837MOD 可提供生态系统软件兼容性，便于第三方软件集成，并为未来 OCPP 2.0.1 及更高版本的迁移和优化提供升级路径。
设计注意事项 3：通过信息安全与功能安全选项管理寿命。
随着 ISO 15118 和 OCPP 2.0.1未来朝着提高数据洞察（对车辆和用户数据）的方向发展，安全软件对于连接和通信都至关重要。该处理器将在实现未来电动汽车充电可扩展方面发挥关键作用，既作为监测数据质量和充电级别的系统监视器，又可为深入了解支付和车辆数据提供安全网关。
ISO 15118 的应用层和传输层都支持数据安全。传输层安全 (TLS) 1.2 或更高版本对传输层通信进行加密。尽管 ISO 15118-2 的 TLS 仅在使用即插即充识别机制时是强制性的，但 TLS 在未来的 ISO 15118-20 标准中对所有用例和所有识别机制都是强制性的。AM625 具有板载 HSM 信息安全功能，例如：
• 安全启动：
• 自编程硬件 (eFuse) 密钥。
• 支持经过加密和身份验证的启动。
• 调试（联合行动组）端口。
• 在高安全性设备上默认关闭。
• eFuse 设置允许永久关闭。
每个电动汽车充电设计都包含多个安全方面的内容，包括安全电缆连接、接地故障监测、继电器驱动和高压隔离。TI 的 DRV8220 电机驱动器集成电路具有集成的 H 桥、逻辑控制和保护功能，可轻松实现插头锁定、接地故障监测和继电器驱动器。
结语
电动汽车充电行业不断发展，变得更加标准化、智能和高效。设计人员必须考虑灵活的连接性和安全性，以实现与电网的长期集成。选择合适的处理器设计需要考虑不断增长的数据处理需求以及对可靠软件栈的需要。
