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功率技術/新能源  

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 

作者:Anthony Vaughan,TI行銷與業務開發經理

全世界各地的電動車(EV)和插電式混合動力車(PHEV)數量越來越多。事實上,加州政府即設定在2025年達到150萬輛的電動車上路目標,而這還只是美國的一州。放眼全球,EV/HEV的銷售量可能更高,到2020年,歐洲預計銷量將達到300萬輛;中國政府相關部門制定的目標更超越上述地區,計劃在2020年時達到500萬輛的插電式混合動力車。在此成長力道下,不難理解電動車充電站的需求量將急劇攀升。

影響EV消費信心的最大因素是續航力。如果充電站數量充足且隨時可用,將有助於緩解這種顧慮,還能進一步提高EV的普及率。如今,在辦公大樓、停車場、飯店和購物中心等都有一些免費充電站,但是,消費者對於‘付費充電’站的需求越來越多樣化,此類系統中也將需要更多的技術和通訊。因此,對於這些系統的技術要求無疑地將會不斷提高,而系統開發人員也將面臨既要保持裝置小巧簡單、同時也要提高功能性的雙重挑戰。

無線充電及通訊

目前在許多都市中所看到的付費充電站外觀和工作原理類似於停車計時器,只是多了一條可供用戶插入汽車的充電電纜。目前有三種常見的充電站類型(或等級):

•第1和2級充電站是‘帶計量功能的’AC電源,可利用EV的內建充電功能電路;

•第3級充電站包含了DC‘快速充電器’。這些充電器繞開了汽車功率因數校正(PFC)電路,並將400 VDC饋入電池充電階段。

儘管功能級和功率均有所不同,但這三者有一點是相同的:測量用電量並提供收費功能。在‘付費充電’站中,還必須與用於信用卡收費、行動用戶手機方案付費、甚至處理現金交易的後端網路進行通訊連接。該功能要求系統必須具備靈活的架構。

這對於所使用的技術意味著什麼呢?行動支付必不可少的近場通訊(NFC)是一種超短距離通訊標準,其工作原理與射頻辨識(RF)非常接近。每支智慧型手機或支援NFC的裝置都有與某個支付帳戶相關的唯一驗證碼。乙太網路、電力線通訊(PLC)和Wi-Fi都是支付處理以及先進計量和其他控制功能所必需的。此外,還需要與正在充電的車輛進行通訊。大多數EV都必須透過CAN、RS232、乙太網路、PLC 或利用脈寬調變(PWM)訊號傳輸而與充電站進行通訊。那麼,這些付費充電站的設計人員如何才能在保持設計相對簡單和經濟划算的同時滿足此類系統中所有必備條件呢?

針對該難題的一種簡易解決方案是採用嵌入式控制器或處理器,可在單個元件中提供NFC、PLC、Wi-Fi、CAN和10/100乙太網路通訊,以及管理計量、內務處理和功率級控制的能力。因此,開發人員能夠把PCB空間和物料清單成本保持在最低水準,同時將所有至關重要的通訊和先進保護功能整合到系統中。例如,TI提供基於C2000 C28x + ARM Cortex-M3的雙核心MCU。除了必要的測量、通訊和介面要求之外,這些MCU還能夠處理功率級控制。

嵌入式控制器的類比介面和處理能力是計量系統的基礎。採用擁有該類比整合的元件,設計人員能夠輕鬆建置單相與三相AC測量所需的電壓和電流監測,並在較高輸出的DC系統中監測輸出電平。

分解設計需求

我們將把系統劃分為兩個部份以簡化示意圖:

•被監測的電源

•系統的低電壓通訊側

由於我們處理的既有低電壓系統也有高電壓系統,因此還必須考慮高電壓和低電壓系統之間的隔離要求。如前所述,EV充電器目前分為三類:第1級和2級(AC充電),以及3級(DC快速充電)。在第1和2級系統中,充電站架構看起來類似於大多數智慧電網應用中常見的標準計量應用,如圖1所示。計量表直接跨接在單相或三相AC電源(公共電網)的兩端,而且系統內部不存在功率控制級。其運作方式與住宅電錶幾乎相同,可監測通過系統的功率流,並增加與充電中車輛以及支付閘道通訊的功能。此外,這一類系統可能還有安全監測和中斷功能。

第1和2級充電器均利用了車輛的內建充電系統,包括功率因數校正升壓級和高電壓DC充電電路。第1級充電器基於標準的120/240 VAC電平,提供高達16A的充電電流。2級充電可使用240 VAC或480V三相AC,但均被限制在32A。而且,在第1級或2級充電場合中,充電器只是充當公用電網與被充電車輛之間的計量介面,而無能量轉換階段。


圖1:‘智慧’基礎設施充電站的簡化訊號鏈路

DC快速充電系統的運作方式非常不同,它先將AC電源電壓電平轉換為一個升壓DC電平,使其能夠提供高達400A的電流。第1級或2級充電器可在4到8小時內完成普通EV充電,而DC升壓充電器能在最短20到30分鐘的時間內提供相同水準的充電能力。相較於第3級充電,雖然第1級和2級充電的功率級完全不同,但是這3種級別的充電器計量應用卻是共同的,因為計量輸入始終是AC電源,而且位於任何PFC電路階段之前。

(下一頁繼續:付費型充電器應用需求)


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