bandao.com半岛(bandao·中国)电子科技-一文读懂基于ADI方案的2型充电桩IC

【导读】于设计与开发切合国际规范的2型交流充电桩（EVSE）时，工程师不仅需要深切理解IEC 61851-1与IEC 62752等焦点尺度，更面对着怎样高效实现车辆毗连、安全节制与靠得住通讯的工程挑战。本文将以ADI（亚德诺半导体）提供的最新参考设计为实践蓝图，体系论述充电桩内部线缆节制与掩护器件（IC-CPD）的软硬件设计要点。文章将深切解析电动汽车与充电桩之间举行“对于话”的要害——节制指导（CP）旌旗灯号波形和其对于应的各类充电状况，并联合实测调试信息，为开发者提供一套清楚、实用的设计指南，旨于化繁为简，助力加快产物合规落地。

择要

于设计与开发切合国际规范的2型交流充电桩（EVSE）时，工程师不仅需要深切理解IEC 61851-1与IEC 62752等焦点尺度，更面对着怎样高效实现车辆毗连、安全节制与靠得住通讯的工程挑战。本文将以ADI（亚德诺半导体）提供的最新参考设计为实践蓝图，体系论述充电桩内部线缆节制与掩护器件（IC-CPD）的软硬件设计要点。文章将深切解析电动汽车与充电桩之间举行“对于话”的要害——节制指导（CP）旌旗灯号波形和其对于应的各类充电状况，并联合实测调试信息，为开发者提供一套清楚、实用的设计指南，旨于化繁为简，助力加快产物合规落地。

弁言

电动汽车(EV)市场正以指数级态势连续扩张，估计到2030年，门路上的电动汽车保有量将到达约5亿辆。国际能源署的数据印证了这一猜测的合理性1；例如，2022年至2023年间，纯电动汽车(BEV)与插电混动汽车(PHEV)的合计销量从1020万辆增至1380万辆，增幅达35%。国际能源署估计，2030年全世界电动汽车年销量将达4070万辆，2035年更将爬升至5650万辆。天气变化问题和人口密集栖身区的空气污染问题，是鞭策高效、零尾气排放交通方式成长的重要动因。2,3 跟着电动汽车数目的可预感增加，市场不仅要应答激增的需求，更需提供高效的充电解决方案，于经济性、安全性与情况影响之间找到均衡点。

据Solaronev针对于全世界差别地域的陈诉显示4，大都私人车用户日均行驶里程仅约30英里，是以较低功率的充电程度已经足以满意一样平常需求。此中美国的数据来历在Statista5与联邦公路治理局数据库6。对于在家用电动汽车充电站而言，新车配备的线缆内置节制与掩护器件(IC-CPD)堪称抱负之选，这种器件能省去高功率充电举措措施于安装与维护环节的巨额成本。鉴在当前充电解决方案的考量日益繁杂，将来不仅电动汽车市场会连续繁荣，充电装备市场亦将迎来蓬勃成长的黄金期。

甚么是电动汽车供电装备(EVSE)？有哪些运用场景？

电动汽车供电装备(EVSE)是一种能让用户安全地为插电混动汽车(PHEV)或者纯电动汽车(BEV)充电的装备。这种装备依据充电功率等级举行分类。于电动汽车范畴的术语中，“充电等级”指的是SAE J1772尺度中界说的充电体系电力分配类型、尺度和最年夜功率，该尺度已经于国际上经由过程IEC 62196-1被广泛采用。

模式2的尺度功效

模式2是将电动汽车接入交流供电收集尺度插座的充电方式，其焦点于在借助具有节制指导(CP)功效的交流EVSE，并于尺度插头与电动汽车之间设置人身触电掩护体系[IEC 62752:2017 6.2.2]。

线缆内置节制与掩护器件(IC-CPD)的焦点功效于在触电防护。这一功效经由过程残剩电流器件(RCD)实现：既可以采用至少为A型的残剩电流器件搭配直流检测辅助电路，也可直接利用B型RCD。这一功效至关主要，由于充电器可能用在户外、大众区域等易接触水的情况，且存于职员无心或者成心触碰的危害。于此类场景中，掩护接地必需存于，一旦发生妨碍，供电必需当即堵截。

图1展示了2型IC-CPD的通用框图。依据此框图衍生设计的电路，可以或许实现IEC 61851-1尺度中划定的所有强迫性功效。按照详细方案的差别，通用框图中的部门模块可能需要增设，也可能可以省略。例如，若经由过程电流互感器举行电流检测，那末于与微节制器单位(MCU)毗连时，断绝集成电路即可省去；同理，若采器具备焊接检测功效的继电器，焊接检测电路也可没必要设置。

图1.2型EVSE的的通用框图。

ADI公司的2型EVSE

图2为ADI公司2型电动汽车供电装备(EVSE)的框图，此中包罗ADE9113 3通道断绝式Σ-Δ模数转换器(ADC)，该转换器用在单相电源输入的电压及电流丈量，还有用在继电器电压的丈量，以实现焊点接触检测。

经由过程添加6 mA DC/30 mA rms RCD可确保器件安全运行。此外，该器件还有具有过压、欠压、过流、过热检测功效，以和掩护接地(PE)检测及电动汽车二极管存于性检测功效。集成的断绝设计使与微节制器(MCU)的毗连更为简洁。MAX32655超低功耗Arm® Cortex®-M4处置惩罚器卖力实现体系节制逻辑，并经由过程节制指导(CP)接口与电动汽车举行通讯。该解决方案还有包罗编程及调试接口。器件的蓝牙® 5.2接口撑持与外部器件的毗连。MCU与ADE9113之间经由过程串行外设接口(SPI)实现通讯。

图2.ADI公司2型EVSE解决方案AD-ACEVSECRDSET-SL简化方框图。

EVSE与EV之间实现通讯所需的CP旌旗灯号，是经由过程MAX32655处置惩罚器及ADA4523-1低噪声、零漂移运算放年夜器天生的。

该体系由单相230 V交流输入供电。体系采用一款断绝式交流-直流开关模式电源(SMPS)为电路板提供12 V电压，同时利用合用在汽车运用的MAX20457高效双通道同步降压转换器，将电压降至5 V及3.3 V，为电路板的断绝侧供电。采用反相配置的LT8330可天生CP旌旗灯号低侧所需的-12 V电压。

ADT75 12位数字温度传感器卖力监测器件温度，并将温度数据发送至MCU，以实现过热掩护。

该设计配有开源软件栈及参考运用步伐，以便基在颠末验证的成熟实行方案举行定制软件的开发，且该方案已经经由过程验证，切合相干尺度要求。该体系设计遵照IEC 61851及IEC 62752尺度。

断绝式ADC

ADE9113是一款断绝式3通道Σ-Δ ADC，合用在采用分流电传播感器的多相电能计量运用。数据及电源断绝基在ADI公司的iCoupler®技能。该集成电路(IC)具备3个ADC。此中一个通道于分流器用在电流感到时专门用来丈量该分流器的电压。至多两个分外的通道专用在丈量电压，凡是采用电阻分压器来检测电压。于本运用中，此中一个电压通道用在检测继电器触点是否焊接。

这款ADC内置了isoPower®器件，即一款集成式断绝型直流-直流转换器。该直流-直流转换器为ADC的第一级提供所需的不变电源。该器件无需外部直流-直流断绝模块。iCoupler芯片级变压器技能还有用在断绝ADC第一级与第二级之间的逻辑旌旗灯号。是以可提供小尺寸、彻底断绝的解决方案。该器件可毗连ADC输出、配置及状况寄放器，可轻松与微节制器对于接。它可由晶体振荡器或者外部时钟旌旗灯号提供时钟。

要满意ADE9113的引脚输入规模，需为分压器电阻及分流电阻选择适量的阻值。该规模指的是，当IM引脚及VxM引脚毗连至AGND引脚（11号引脚）时，为使ADC孕育发生满量程相应而必需施加的峰峰值伪差模电压。IM引脚及VxM引脚经由过程抗混叠滤波器毗连至AGND。

继电器焊点接触检测

ADE9113的第二个电压输入通道用在检测继电器焊点接触环境。

图3展示了毗连到ADE9113三个输入通道的电路的LTspice®简化仿真，此中：

R_contact为继电器接触电阻值（取决在仿真环境，可能为断开状况，如图4所示，或者闭合状况，如图5所示）。

V1P、V2P、V1M、V2M、IP及IM为ADE9113各通道的输入。

表1列出了于输入电压幅值为230 V、负载为23 Ω的两种环境下的继电器状况值。

图3.与ADE9113输入通道相连的电路的LTspice简化道理图。

图4.对于应图3中继电器触点断开时的电压及电畅通道值。

图5.对于应图3中继电器触点闭应时的电压及电畅通道值。

表1.继电器断开及闭合环境下的ADE通道电压和电畅通道值

电网掩护接地存于性测试

于器件断电时期，经由过程图6所示的电路，检测电网掩护接地(PE)的存于性和相线-中性线是否接反。若未检测到接地，器件将进入过错状况，且状况LED唆使灯会显示过错动静。若需检测相线-中性线是否接反，需将光耦合器的两个输出与PE_ERR旌旗灯号共同利用。

图6.PE电网存于性检测电路。

软件框架

no-OS是ADI公司推出的一款软件框架，专为无操作体系(OS)的体系（即裸机体系）设计。该框架界说了一套通用接口(API)，用在拜候典型的裸机外设，如通用输入输出(GPIO)、SPI、I2C、RTC、按时器、中止节制器等。借助这套通用API，开发者可以或许以同一的方式于多个微节制器平台上完成外设的初始化与节制操作。今朝，该框架撑持英特尔及赛灵思的微处置惩罚器和片内体系(SoC)，同时兼容ADI自家的周详微节制器、多款MAX32xx微节制器、意法半导体的STM3二、树莓派的PICO，以和基在mbedOS的器件。

经由过程采用切合自身编码气势派头的通用驱动API，no-OS可以或许为运行于差别底层硬件上的ADI评估板提供参考项目。患上益在no-OS构建体系，用户可以于短期内天生自力的参考项目，并以此为基础开展自立开发事情。

no-OS属在开源软件，其官方代码托管于GitHub的no-OS存储库。用户只需遵守相干许可和谈，便可自由利用及分发no-OS。固件中利用的no-OS重要驱动器触及MAX32655微节制器、ADE9113断绝式3通道Σ-Δ ADC和ADT75温度监测体系。

状况机

图7展示了IC-CPD的功效。所实现的状况机遵照IEC 61851-1尺度规范。

固件经由过程三个列举类型实现逻辑节制：第一个是charger_state_e，包罗所有可能的状况，其状况按照CP值的变化而切换。state_ machine_events_e列举类型涵盖所有可能触发的事务，这些事务用在状况逻辑的实现。interface_err_status_e列举类型则用在过错解析。

图7.状况机。

测试成果

测试是经由过程Fluke FEV300电动汽车充电站适配器与差别负载（见图8）完成的，也可采用2型电缆毗连器，共同不异负载或者直接毗连电动汽车举行测试。

图8.采用Fluke FEV300的测试设置。

正常事情状况（充电状况机）与RCD过错检测成果

图9及图10展示了利用图8中的测试台举行的两项丈量所获得的波形。

图9出现了从上电（电动汽车毗连断开，本案例中为阻性负载）到进入充电状况的完备状况机运行历程，此中各状况于CP旌旗灯号波形上已经做标注。

图9与图10的区分于在：于C状况时期（电动汽车充电历程中），触发了交流RCD中止。这一点可于第三个波形中不雅察到。此时，IC-CPD会断开继电器，且LED唆使灯会显示过错动静。

图9.正常事情状况，标注有EVSE-EV状况。

图10.C状况（无透风前提下充电）的充电历程中检测到RCD交流过错。

图11中的动静对于应图9所示的场景，即从上电、充电到电动汽车断开毗连的完备充电历程。

图11.经由过程串行接口吸收的完备充电序列调试动静

调试动静还有包罗输入电压值、装备内部电流与温度，以和特按时刻的活跃状况等内容。

当发生CP过错时，IC-CPD会断开继电器，并经由过程LED唆使灯显示CP过错。

掩护接地(PE)过错

若于C状况下呈现PE过错（即EVSE与EV之间的PE缺掉），继电器将断开，同时LED唆使灯会显示过错。若于A状况或者B状况下呈现PE过错，IC-CPD会将其判断为电动汽车已经断开毗连，并连结当前状况或者进入A状况（详细取决在过错发生时的活跃状况）。于此环境下，CP旌旗灯号电平没法到达C状况的数值，继电器将连结断开状况，直至PE毗连恢复。

结语

本文缭绕内置节制掩护器件(IC-CPD)睁开，重点先容了ADI公司的AD-ACEVSECRDSET-SL参考设计。该参考设计是一套完备的2型电动汽车供电装备(EVSE) 3.6 kW充电电缆解决方案，专为电动汽车充电体系的评估与原型开发而打造。采用ADE9113断绝式模数转换器(ADC)时，依附集成的isoPower技能和内部断绝特征，可有用削减元件数目。MAX32655微节制器(MCU)集成为了蓝牙低功耗(BLE)及模数转换(ADC)通道，可以或许轻松实现切合IEC 61851-1尺度的状况机功效。no-OS框架的运用和开源代码模式，不仅简化了软件开发流程，更为于软件开发中遵照本文说起的相干IEC尺度提供了优良出发点。文中提供的流程图、调试信息和借助FEV300完成的设计验证，有助在更深切地舆解及评估总体设计方案。

参考文献

1 Global EV Data Explorer，国际能源署。

2 Fayez Alanazi，“Electric Vehicles:Benefits, Challenges, and Potential Solutions for Widespread Adaptation”，Applied Sciences，第13卷，2023年。

3 Luis Sarmiento、Nicole Wägner及Aleksandar Zaklan，“The Air Quality and Well-Being Effects of Low Emission Zones”，Journal of Public Economics，第227卷，2023年。

4 “Worldwide Daily Driving Distance is 25-50km?What about AU, US, UK, EU, and...”，Solar on EV，2021年10月。

5 “Daily Miles of Travel per Driver in the United States Between 2001 and 2017”，Statista，2021年。

6 National Household Travel Survey，美邦交通部联邦公路治理局。

ADI Type2 EVSE，GitHub。

no-OS API，ADI公司。

no-OS Build Guide，GitHub。

no-OS Code Style Guidelines，GitHub。

no-OS GitHub Repository，GitHub。

no-OS Licence，GitHub。

no-OS概述，ADI公司。

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