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為EV基礎設施簡化充電站設計

上網時間: 2015年08月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EV  PHEV  CAN  NFC  Wi-Fi 

在任何充電級別的付費型充電器應用中,都存在以下需求(或潛在需求,取決於計費和通訊選項):

•充電中車輛實際用電量的計量(通常以kWh為單位);

•故障管理和系統保護;

•支付處理(信用卡、智慧卡、票據收款或利用手機以NFC進行支付);

•收單處理通訊(Wi-Fi、乙太網路或PLC);

•至車輛的充電管理通訊(透過CAN、RS232、乙太網路、電力線通訊或PWM訊號傳輸)。

這種計量系統可以被輕鬆地進行劃分,把上述所有功能劃分至利用雙核心處理器與次系統的單個嵌入式處理器中。另外,許多晶片供應商還提供了多種用於無線電通訊和系統級隔離的解決方案。根據上述功能可將系統劃分為較小的區段,從計量與決定向用戶收取的千瓦小時(kWh)計費帳單作為起點。


圖2:多相計量連接至類比子系統

如圖2所示,計量級充份利用雙核心元件的類比系統優點,它運用了內部ADC與CPU(例如此例中的C28x DSP核心)的處理能力,並結合了電流轉換器。如欲增強防篡改能力,可能還需要增加一個分流電阻器電路。當與即時時脈共同使用時,針對測量kWh的處理就變成了一種標準的電壓和電流測量,能夠根據是否電流並聯使用轉換器和分流電阻器以及整體相位數,決定C2000 MCU多達7個ADC輸入的組合方式如何輕鬆處置。

透過利用數位控制式閉環過流保護方案(如圖3),可經由在主充電匯流排上增加一個實體繼電器來提高系統級安全性。利用雙核心元件的晶片類比比較器及其連接至一個標準GPIO的輸出,並使用繼電器驅動器(DRV110),即可實現一款閉環‘智慧型’電路保護方案,提供由用戶或CPU控制的重設,同時保持了低功耗架構,並減少了所需的外部元件數(圖3)。


圖3:利用DRV110和繼電器來實施線路斷連

此外,在雙核心MCU架構中還部署了幾個可用於增強整體系統安全性的要素。控制器中有兩個獨立的處理器,其中一個可用於定期檢查另一個處理器操作的正確與否。此外,關鍵的運算可在兩個處理器上平行執行,並在系統使用計算結果之前檢查正確性。

設計人員還可以在MCU的數位和類比I/O模組上部署類似的檢查方法。關鍵的系統訊號可連接至MCU中的多個I/O模組,並可檢查每個模組所提供的結果正確性。其他可用於提升系統安全性的方法包括啟用諸如誤差校正碼(ECC)等整合硬體記憶體檢查機制。許多ECC硬體建置方案能夠自動地檢測和校正單位元記憶體錯誤。

此外,有些方案還能檢測和報告雙位元錯誤。此類ECC方案能夠有效地應用於增強系統的可靠性和安全性。時脈訊號對於MCU的正確操作也非常重要;因此,利用整合型時脈故障檢測邏輯電路是提升系統安全性的一種重要手段。此外,電源波動也會引起系統的故障和不確定的運作方式,所以利用電源監測電路並運用欠壓重設和恢復方法在確保系統的安全性方面至關重要。

整合支付處理功能

順著訊號鏈路繼續向前,下一項需要考慮的是支付處理。如果裝置中搭載業界標準的ARM Cortex-M3核心,就能夠在主控制器中執行收單處理服務程式。主要的處理形式包括信用卡直接刷卡、帳單收款或收幣機,或者利用智慧型手機的NFC。

直接處理信用卡需要更強的處理能力,不過ARM Cortex-M3核心和許多其他的解決方案都能處理此項事務。例如MCU或其他嵌入式處理器中的另一個ADC輸入可從磁帶磁頭直接讀取信用卡資訊。目前已有市售的解決方案可用於對磁帶區域進行解碼,也可以在公司內部自行開發。從技術上來看,帳單收款或集幣系統可採用相同ARM Cortex-M3核心來實現,但為了簡化,這將被視為一種利用數位介面連接至C2000雙核心主機MCU的單獨系統。

NFC 讓用戶能夠輕觸智慧型手機上的NFC支付閘道來完成付費。此類用途需要一個類似於利用記帳卡的PIN碼。接著,進行一筆至銀行或支付帳戶的安全交易並加以驗證,然後相應地收取用戶的相關費用。透過把一個雙核心元件的處理能力與一個NFC晶片組(如TI TRF7970)相組合,開發人員就能直接在主處理器中實現此功能,從而進一步降低增加其他元件的需要。

通訊層 可利用許多嵌入式處理器來提供支援。例如C2000雙核心MCU可利用軟體來支援IPv6 10/100 TCP/IP協定堆疊,並支援用於有線乙太網路的內部乙太網路MAC。

無線連接 也得到許多雙核心元件的支援——透過獨立式無線解決方案實現有線乙太網路和無線Wi-Fi通訊(如TI SimpleLink CC3000解決方案),從而提供一款實現無線連接的簡易型解決方案。

PLC 提供了一種彈性的選擇,適用於那些不具備Wi-Fi或乙太網路基礎設施的區域。設計人員可以利用雙核心元件中的CPU運算能力。除了先前描述的主機通訊和測量功能之外,諸如PRIME、G3、CENELEC和FlexOFDM等低頻窄帶標準也可在同一個元件上進行配置。

結語

隨著EV與HEV市場持續成長,甚至擴展至包括充電站及其付費與計量機制等基礎設施,利用單一雙核心嵌入式處理器或微控制器,能夠以一種具成本效益的方式輕鬆地滿足這些需求。

(參考原文:Electric vehicle infrastructure-based chargers made easy,by Anthony Vaughan, TI)


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