應(yīng)對電動汽車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電動汽車充電需要的不僅僅是充電站車道上的電源插座。電動汽車數(shù)量的增加，提高了對電能需求，同時還需改進(jìn)電網(wǎng)管理系統(tǒng)，提高充電器的能效，整合家庭能源管理。

人們對家庭和辦公場所的智能充電以及更快充電有著巨大的需求，這就需要從交流充電器轉(zhuǎn)向直流充電器。此外，還需考慮安全問題，包括對電動汽車電池的認(rèn)證。用戶還希望能夠在任何地方充電，既可以隨時隨地安全支付，也可以將充電與單個中心賬戶和賬單相關(guān)聯(lián)。

安全是核心
充電解決方案必須采用安全元件才能滿足ISO 15118等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)校準(zhǔn)法規(guī)（如德國Eichrecht）。例如，恩智浦最新的EdgeLock?SE05x系列嵌入式安全解決方案，有助于確保整個價值鏈安全地抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊，同時保證連接點(diǎn)的安全性和易用程度。

為了避免未經(jīng)授權(quán)的訪問，可以使用基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NFC的安全協(xié)議，通過實(shí)體智能卡或智能手機(jī)等憑據(jù)解鎖電動汽車充電站。這些功能還支持其他智慧城市應(yīng)用，如停車和公共交通。恩智浦的智能卡解決方案能夠充分利用其在全球750多個智慧城市建立的大型MIFARE?免接觸式生態(tài)系統(tǒng)。

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通電
許多充電站都在使用交流電。一般是單相交流電，但使用三相交流電的充電站逐步增加。目前高壓直流充電站數(shù)量雖少，但在不斷增加。相比交流充電站，高壓直流充電站功率更高，可縮短充電時間。因此，大多數(shù)電動汽車OEM供應(yīng)商希望共同開發(fā)這兩種充電方式。這意味著他們可以從恩智浦的技術(shù)組件中受益，簡化開發(fā)并提高復(fù)用。

電動汽車充電解決方案
充電站，或稱電動汽車電源設(shè)備（EVSE），除了與用戶交互外，還需要與電網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、汽車到電網(wǎng)（V2G）（符合ISO 15118標(biāo)準(zhǔn)）、智能充電、開放充電點(diǎn)協(xié)議（OCPP）和收費(fèi)等功能。

使用恩智浦的IW620雙頻解決方案（結(jié)合Wi-Fi?和藍(lán)牙），或使用適用于sub-GHz協(xié)議的OL2385射頻收發(fā)器，可將ISM和移動網(wǎng)絡(luò)添加至通信技術(shù)中。這些技術(shù)可以與LPC55S69等器件以及PLC等有線通信器件結(jié)合使用，LPC55S69是實(shí)現(xiàn)NBIoT的理想選擇。

與之密切相關(guān)還有基于SE05x的安全功能塊，通過使用端到端加密技術(shù)提供身份驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)賬單數(shù)據(jù)等敏感信息的交換。它還可以管理車載充電器（OBC）與后端服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換。

此控制器板將通過安全和外部通信模塊管理主要功能和服務(wù)，例如高級通信，以及運(yùn)行EVSE應(yīng)用中使用的協(xié)議棧。其中包括為V2G通信定義的ISO 15118標(biāo)準(zhǔn)，還可能包括OCPP。恩智浦處理器可選擇廣泛的性能范圍，從MIMX8xx MPU應(yīng)用處理器到基于Arm? Cortex?-M7實(shí)時MCU內(nèi)核的MIMXRT11xx系列，再到基于Cortex-M33的MCU的最新LPC55x系列。

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EVSE的系統(tǒng)視圖

智能充電
智能掛墻充電箱和充電站通常為云連接。消費(fèi)者、充電站和云之間的連接通常通過以太網(wǎng)或Wi-Fi 6、Zigbee?或其他無線技術(shù)來處理。智能充電站一般會與智能計(jì)量解決方案結(jié)合使用，增加了數(shù)據(jù)處理的數(shù)量和復(fù)雜性。

充電站云連接（云注冊）需要簡單的指配和驗(yàn)證流程來保持高安全性。恩智浦通過其SE05x和EdgeLock 2GO服務(wù)，為主要云合作伙伴的零接觸注冊流程提供支持，該服務(wù)還可對消費(fèi)記錄和支付數(shù)據(jù)等敏感用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行身份驗(yàn)證。

另外，服務(wù)自動駕駛汽車也對充電站提出了新的要求。自動駕駛汽車需要準(zhǔn)確地導(dǎo)航到充電站充電，不用人類或（昂貴的）機(jī)器人助手來提供最后一厘米的連接。這一點(diǎn)可以依靠超寬帶（UWB）等高精度定位無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)，讓自動駕駛車輛能夠準(zhǔn)確地將自己引導(dǎo)到正確的位置。

云連接參考設(shè)計(jì)
我們的云連接電動汽車充電站參考設(shè)計(jì)EasyEVSE集成了恩智浦的多種產(chǎn)品，幫助客戶加快創(chuàng)新并簡化設(shè)計(jì)過程?？蛻艨梢栽诙髦瞧值?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/i.MX/">i.MX RT1064跨界MCU上快速加載基于Azure RTOS的應(yīng)用軟件，并將模擬電動汽車充電站安全地連接到Microsoft Azure IoT Central。該參考設(shè)計(jì)采用恩智浦Kinetis?計(jì)量MCU，其中包括自身的參考設(shè)計(jì)、原理圖和計(jì)量軟件。由于需要在汽車、電動汽車站和云之間實(shí)現(xiàn)安全通信，此參考設(shè)計(jì)展示了如何利用恩智浦EdgeLock安全元件來滿足ISO 15118信息安全和功能安全要求。客戶可以將該平臺作為完整且具有差異化特點(diǎn)的EVSE系統(tǒng)基礎(chǔ)。

供電動車充電的本地存儲
隨著充電站從交流電轉(zhuǎn)向直流電，電網(wǎng)必須滿足高功率（350千瓦或更高）輸出的峰值需求，電池電壓高達(dá)1000V。本地存儲可使用電池和恩智浦的電池管理系統(tǒng)（BMS）來解決這一問題。本地電池充滿電時，可以先向電動汽車輸送電量，再從電網(wǎng)中獲取更多電量。

沒有電動汽車充電時，本地電池可以通過電網(wǎng)甚至現(xiàn)場太陽能電池陣列進(jìn)行充電，以緩解電網(wǎng)的需求高峰，還在停電時確保電力供應(yīng)。實(shí)現(xiàn)本地電力均衡需要電池管理單元（BMU），其中包含恩智浦的FS32K系列、支持功能安全的電源管理IC、支持無軟件電池組的BMS網(wǎng)關(guān)，以及提供電池狀態(tài)值的高精度模擬前端等。

結(jié)語
電動汽車越來越普及，因此需要開發(fā)大量安全可靠的充電站。

恩智浦在電源轉(zhuǎn)換以及安全數(shù)據(jù)交易和設(shè)備身份驗(yàn)證方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。在電動汽車充電中，這兩個領(lǐng)域以一種新的方式結(jié)合在一起。

評估套件和參考設(shè)計(jì)的數(shù)量逐漸增多，可覆蓋交流及直流充電站的大部分需求，恩智浦愿意為制造商和服務(wù)提供商出謀劃策，為電動汽車行業(yè)的快速增長提供支持。

EdgeLock、Kinetis、MIFARE、MIFARE標(biāo)識、NXP和NXP標(biāo)識是恩智浦公司的商標(biāo)。Arm和Cortex是Arm Limited（或其子公司）在美國和/或其他地區(qū)的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。相關(guān)技術(shù)可能受到某個或所有專利、版權(quán)、設(shè)計(jì)和商業(yè)秘密的保護(hù)。保留所有權(quán)利。Azure是微軟公司的注冊商標(biāo)。Bluetooth?字標(biāo)和標(biāo)志是Bluetooth SIG的注冊商標(biāo)，恩智浦半導(dǎo)體對任何此類標(biāo)志的使用均經(jīng)過許可。所有其他產(chǎn)品或服務(wù)名稱都是其各自所有者的財產(chǎn)。?

作者：

Mark Swinburn

恩智浦半導(dǎo)體EMEA電動車充電設(shè)備與智能家電部門負(fù)責(zé)人

Mark在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有30多年的工作經(jīng)驗(yàn)，過去十年，他在恩智浦主要負(fù)責(zé)MCU、連接和信息安全業(yè)務(wù)。