目前，電動(dòng)汽車(chē)(EV) 和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)被越來(lái)越多國(guó)家的消費(fèi)者所推崇。在美國(guó)，僅加利福尼亞一個(gè)州就設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)：到2025年，電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量達(dá)到150萬(wàn)輛。放眼全球，電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售量可能會(huì)更高，到2020年，歐洲預(yù)計(jì)銷(xiāo)量將達(dá)到300萬(wàn)輛;中國(guó)政府相關(guān)部門(mén)制定的目標(biāo)則進(jìn)一步超越上述地區(qū)，截止2020年，預(yù)計(jì)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的擁有量有望達(dá)到500萬(wàn)輛。在這種背景下，電動(dòng)汽車(chē)充電站的需求量自然也將急劇攀升。

影響電動(dòng)汽車(chē)消費(fèi)信心最大因素是：由于充電站數(shù)量較少，用戶(hù)擔(dān)憂(yōu)EV/PHEV是否可以長(zhǎng)時(shí)間行駛。數(shù)量充足且隨時(shí)可用的充電站有助于緩解這種擔(dān)憂(yōu)，還能進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)的普及率。如今，在辦公大樓、停車(chē)場(chǎng)站、飯店和購(gòu)物中心等都有一些免費(fèi)充電站，但是，消費(fèi)者對(duì)于“付費(fèi)充電”站的需求越來(lái)越多樣化，此類(lèi)系統(tǒng)中也將需要更多的技術(shù)和通信。因此對(duì)這些系統(tǒng)的技術(shù)要求毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì)不斷提高，而系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員面臨既要保持設(shè)備小巧簡(jiǎn)單，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)功能增加的雙重挑戰(zhàn)。

無(wú)線(xiàn)充電及通信

目前許多城區(qū)內(nèi)的付費(fèi)充電站的外觀(guān)和工作原理都類(lèi)似于停車(chē)計(jì)時(shí)器，只是多了一根可供用戶(hù)插入汽車(chē)的充電電纜。有三種常見(jiàn)的充電站類(lèi)型(或等級(jí))：

* 1 級(jí)和 2 級(jí)充電站是“帶計(jì)量功能的”AC電源，其利用了 EV的內(nèi)置充電功能電路。

* 3 級(jí)(Level 3)充電站包含了 DC“快速充電器”。這些充電器繞開(kāi)了汽車(chē)功率因數(shù)校正(PFC)電路并把 400 VDC 饋至電池充電級(jí)。

盡管功能級(jí)別和功率均有所不同，但這三者有一點(diǎn)是相同的：測(cè)量用電量并提供收費(fèi)功能。在“付費(fèi)充電”站中，還必須與用于信用卡收費(fèi)、移動(dòng)用戶(hù)手機(jī)套餐扣費(fèi)、甚至處理現(xiàn)金交易的后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信連接。該功能要求系統(tǒng)有靈活的架構(gòu)。

這對(duì)于所使用的技術(shù)意味著什么呢?移動(dòng)支付必不可少的近場(chǎng)通信(NFC)是一種超短程通信標(biāo)準(zhǔn)，其工作原理與射頻識(shí)別非常接近。每部智能手機(jī)或支持NFC的設(shè)備都特有與某個(gè)支付賬戶(hù)相關(guān)聯(lián)的唯一驗(yàn)證碼。以太網(wǎng)、電力線(xiàn)通信(PLC)和Wi-Fi是支付處理以及先進(jìn)計(jì)量和其他控制功能所必需的。另外，還需要與正在充電的車(chē)輛進(jìn)行通信。大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)需要通過(guò)CAN、RS232、以太網(wǎng)、PLC 或利用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)傳輸與充電站實(shí)現(xiàn)通信。那么，這些付費(fèi)充電站的設(shè)計(jì)人員怎樣才能在保持設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)劃算的同時(shí)滿(mǎn)足此類(lèi)系統(tǒng)中所有必備的要求呢?

針對(duì)該難題的一種簡(jiǎn)易的解決方案是采用一種嵌入式控制器或處理器，其可在單個(gè)器件中提供NFC、PLC、Wi-Fi、CAN 和10/100以太網(wǎng)通信，并且擁有管理計(jì)量、內(nèi)務(wù)處理和功率級(jí)控制等功能。這樣，開(kāi)發(fā)人員就能夠把印刷電路板的空間和物料清單成本保持在最低水平，同時(shí)還可將所有至關(guān)重要的通信和高級(jí)保護(hù)功能集成到系統(tǒng)之中。由TI提供的基于C2000 C28x + ARM Cortex-M3的雙核微控制器便是此類(lèi)集成型嵌入式處理器的一個(gè)例子。除了必要的測(cè)量、通信和接口要求之外，這些MCU還能處理功率級(jí)控制。

嵌入式控制器的模擬接口和處理能力是計(jì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過(guò)采用擁有該模擬集成度的器件，設(shè)計(jì)人員就能輕松實(shí)現(xiàn)單相及三相AC測(cè)量所需的電壓和電流監(jiān)視，并在基于 DC 的較高輸出系統(tǒng)中監(jiān)視輸出電平。

分解設(shè)計(jì)需求

我們將把系統(tǒng)劃分為兩個(gè)部分以簡(jiǎn)化給出的示意圖：

1. 被監(jiān)測(cè)的電源

2. 系統(tǒng)的低電壓通信側(cè)

由于我們處理的既有低電壓系統(tǒng)也有高電壓系統(tǒng)，因此還必須考慮高電壓和低電壓系統(tǒng)之間的隔離要求。如前文所述，EV充電器目前分為三類(lèi)：1級(jí)和2級(jí)(AC充電)以及3級(jí)(DC快速充電)。在1級(jí)和2級(jí)系統(tǒng)中，充電站架構(gòu)看上去與大多數(shù)智能電網(wǎng)應(yīng)用中常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量應(yīng)用非常相似，如圖1所示。計(jì)量表直接跨接在單相或三相 AC電源(公共電網(wǎng))的兩端，而且在系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有功率控制級(jí)。其運(yùn)作方式與住宅電表幾乎相同，可監(jiān)測(cè)通過(guò)系統(tǒng)的功率流，并增加了與處于充電中的車(chē)輛及支付網(wǎng)關(guān)的通信功能。另外，此類(lèi)系統(tǒng)可能還有安全監(jiān)測(cè)和斷連功能。

1級(jí)和2級(jí)充電器均利用了車(chē)輛的內(nèi)置充電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括了功率因數(shù)校正升壓級(jí)和高電壓DC充電電路。1級(jí)充電器基于標(biāo)準(zhǔn)的120/240 VAC電平，可提供高達(dá)16 A的充電電流。2級(jí)充電可使用240 VAC或480V三相AC，但均被限制在32A。而且，在1級(jí)或2級(jí)充電場(chǎng)合中，充電器只是充當(dāng)公用電網(wǎng)與被充電車(chē)輛之間的計(jì)量接口，并沒(méi)有能量轉(zhuǎn)換級(jí)。

圖1：“智能”基礎(chǔ)設(shè)施充電站的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈路

DC快速充電系統(tǒng)的運(yùn)作方式則非常不同，其將交流電源電壓電平轉(zhuǎn)換為一個(gè)升壓DC電平，能夠提供高達(dá)400A的電流。1級(jí)或2級(jí)充電器可在4到8小時(shí)內(nèi)完成普通EV的充電，而DC升壓充電器則能在最短20到30分鐘的時(shí)間里提供相同水平的充電。雖然與3級(jí)充電相比1級(jí)和2級(jí)充電的功率級(jí)完全不同，但是這3 種級(jí)別的充電器計(jì)量應(yīng)用則是共同的，因?yàn)橛?jì)量輸入始終是交流電源，并且位于任何PFC電路級(jí)之前。

在任何充電級(jí)別的付費(fèi)型充電器應(yīng)用中，我們都有以下需求(或潛在需求，這取決于計(jì)費(fèi)和通信選項(xiàng))：

* 被充電車(chē)輛實(shí)際用電量的計(jì)量(通常以 kWh 為單位);

* 故障管理和系統(tǒng)保護(hù);

* 支付處理(信用卡、智能卡、票據(jù)收款或利用蜂窩電話(huà)通過(guò) NFC 實(shí)現(xiàn)手機(jī)付費(fèi));

* 收單處理通信(Wi-Fi、以太網(wǎng)或 PLC);

* 至車(chē)輛的充電管理通信(通過(guò) CAN、RS232、以太網(wǎng)、電力線(xiàn)通信或 PWM 信號(hào)傳輸)。

可以很容易地對(duì)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行劃分，以把上述所有功能內(nèi)置到單個(gè)采用一個(gè)雙核處理器和一個(gè)子系統(tǒng)的嵌入式處理器中。另外，許多芯片供應(yīng)商還提供了多種用于無(wú)線(xiàn)電通信和系統(tǒng)級(jí)隔離的解決方案?？筛鶕?jù)上述功能把系統(tǒng)劃分為較小的子段，以即將向客戶(hù)開(kāi)具的千瓦小時(shí)(kWh)計(jì)費(fèi)賬單的計(jì)量和確定要求作為開(kāi)始。

如圖2中所示，計(jì)量級(jí)利用了雙核器件的模擬系統(tǒng)，并運(yùn)用了與一個(gè)電流互感器搭配的 CPU(在本例中為 C28x DSP內(nèi)核)的內(nèi)部ADC和處理能力。如欲增強(qiáng)防篡改能力，或許還需要一個(gè)分流電阻器電路。當(dāng)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘結(jié)合起來(lái)使用時(shí)，針對(duì)測(cè)量kWh的處理就變成了一種標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流測(cè)量，根據(jù)流互感器和分流電阻器是否均并聯(lián)使用以及總相數(shù)決定C2000 MCU多達(dá)7個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的組合方式就可以輕松處置。