【導讀】在設計與開發符合國際規范的2型交流充電樁（EVSE）時，工程師不僅需要深入理解IEC 61851-1與IEC 62752等核心標準，更面臨著如何高效實現車輛連接、安全控制與可靠通信的工程挑戰。本文將以ADI（亞德諾半導體）提供的最新參考設計為實踐藍圖，系統闡述充電樁內部線纜控制與保護器件（IC-CPD）的軟硬件設計要點。文章將深入解析電動汽車與充電樁之間進行“對話”的關鍵——控制引導（CP）信號波形及其對應的各種充電狀態，并結合實測調試信息，為開發者提供一套清晰、實用的設計指南，旨在化繁為簡，助力加速產品合規落地。
摘要
在設計與開發符合國際規范的2型交流充電樁（EVSE）時，工程師不僅需要深入理解IEC 61851-1與IEC 62752等核心標準，更面臨著如何高效實現車輛連接、安全控制與可靠通信的工程挑戰。本文將以ADI（亞德諾半導體）提供的最新參考設計為實踐藍圖，系統闡述充電樁內部線纜控制與保護器件（IC-CPD）的軟硬件設計要點。文章將深入解析電動汽車與充電樁之間進行“對話”的關鍵——控制引導（CP）信號波形及其對應的各種充電狀態，并結合實測調試信息，為開發者提供一套清晰、實用的設計指南，旨在化繁為簡，助力加速產品合規落地。
引言
電動汽車(EV)市場正以指數級態勢持續擴張，預計到2030年，道路上的電動汽車保有量將達到約5億輛。國際能源署的數據印證了這一預測的合理性1；例如，2022年至2023年間，純電動汽車(BEV)與插電混動汽車(PHEV)的合計銷量從1020萬輛增至1380萬輛，增幅達35%。國際能源署預計，2030年全球電動汽車年銷量將達4070萬輛，2035年更將攀升至5650萬輛。氣候變化問題及人口密集居住區的空氣污染問題，是推動高效、零尾氣排放交通方式發展的主要動因。2,3 隨著電動汽車數量的可預見增長，市場不僅要應對激增的需求，更需提供高效的充電解決方案，在經濟性、安全性與環境影響之間找到平衡點。
據Solaronev針對全球不同地區的報告顯示4，多數私家車用戶日均行駛里程僅約30英里，因此較低功率的充電水平已足以滿足日常需求。其中美國的數據來源于Statista5與聯邦公路管理局數據庫6。對于家用電動汽車充電站而言，新車配備的線纜內置控制與保護器件(IC-CPD)可謂理想之選，這類器件能省去高功率充電設施在安裝與維護環節的巨額成本。鑒于當前充電解決方案的考量日趨復雜，未來不僅電動汽車市場會持續繁榮，充電設備市場亦將迎來蓬勃發展的黃金期。
什么是電動汽車供電設備(EVSE)？有哪些應用場景？
電動汽車供電設備(EVSE)是一種能讓用戶安全地為插電混動汽車(PHEV)或純電動汽車(BEV)充電的設備。這類設備依據充電功率等級進行分類。在電動汽車領域的術語中，“充電等級”指的是SAE J1772標準中定義的充電系統電力分配類型、標準及最大功率，該標準已在國際上通過IEC 62196-1被廣泛采用。
模式2的標準功能
模式2是將電動汽車接入交流供電網絡標準插座的充電方式，其核心在于借助具備控制引導(CP)功能的交流EVSE，并在標準插頭與電動汽車之間設置人身觸電保護系統[IEC 62752:2017 6.2.2]。
線纜內置控制與保護器件(IC-CPD)的核心功能在于觸電防護。這一功能通過剩余電流器件(RCD)實現：既可以采用至少為A型的剩余電流器件搭配直流檢測輔助電路，也可直接使用B型RCD。這一功能至關重要，因為充電器可能用于戶外、公共區域等易接觸水的環境，且存在人員無意或有意觸碰的風險。在此類場景中，保護接地必須存在，一旦發生故障，供電必須立即切斷。
圖1展示了2型IC-CPD的通用框圖。依據此框圖衍生設計的電路，能夠實現IEC 61851-1標準中規定的所有強制性功能。根據具體方案的不同，通用框圖中的部分模塊可能需要增設，也可能可以省略。例如，若通過電流互感器進行電流檢測，那么在與微控制器單元(MCU)連接時，隔離集成電路便可省去；同理，若采用具備焊接檢測功能的繼電器，焊接檢測電路也可不必設置。
圖1.2型EVSE的的通用框圖。
ADI公司的2型EVSE
圖2為ADI公司2型電動汽車供電設備(EVSE)的框圖，其中包含ADE9113 3通道隔離式Σ-Δ模數轉換器(ADC)，該轉換器用于單相電源輸入的電壓和電流測量，還用于繼電器電壓的測量，以實現焊點接觸檢測。
通過添加6 mA DC/30 mA rms RCD可確保器件安全運行。此外，該器件還具備過壓、欠壓、過流、過熱檢測功能，以及保護接地(PE)檢測和電動汽車二極管存在性檢測功能。集成的隔離設計使與微控制器(MCU)的連接更為簡便。MAX32655超低功耗Arm? Cortex?-M4處理器負責實現系統控制邏輯，并通過控制引導(CP)接口與電動汽車進行通信。該解決方案還包含編程和調試接口。器件的藍牙? 5.2接口支持與外部器件的連接。MCU與ADE9113之間通過串行外設接口(SPI)實現通信。
圖2.ADI公司2型EVSE解決方案AD-ACEVSECRDSET-SL簡化方框圖。
EVSE與EV之間實現通信所需的CP信號，是通過MAX32655處理器和ADA4523-1低噪聲、零漂移運算放大器生成的。
該系統由單相230 V交流輸入供電。系統采用一款隔離式交流-直流開關模式電源(SMPS)為電路板提供12 V電壓，同時使用適用于汽車應用的MAX20457高效雙通道同步降壓轉換器，將電壓降至5 V和3.3 V，為電路板的隔離側供電。采用反相配置的LT8330可生成CP信號低側所需的-12 V電壓。
ADT75 12位數字溫度傳感器負責監測器件溫度，并將溫度數據發送至MCU，以實現過熱保護。
該設計配有開源軟件棧和參考應用程序，以便基于經過驗證的成熟實施方案進行定制軟件的開發，且該方案已通過驗證，符合相關標準要求。該系統設計遵循IEC 61851和IEC 62752標準。
隔離式ADC
ADE9113是一款隔離式3通道Σ-Δ ADC，適用于采用分流電流傳感器的多相電能計量應用。數據和電源隔離基于ADI公司的iCoupler?技術。該集成電路(IC)具有3個ADC。其中一個通道在分流器用于電流感應時專門用來測量該分流器的電壓。最多兩個額外的通道專用于測量電壓，通常采用電阻分壓器來檢測電壓。在本應用中，其中一個電壓通道用于檢測繼電器觸點是否焊接。
這款ADC內置了isoPower?器件，即一款集成式隔離型直流-直流轉換器。該直流-直流轉換器為ADC的第一級提供所需的穩定電源。該器件無需外部直流-直流隔離模塊。iCoupler芯片級變壓器技術還用于隔離ADC第一級與第二級之間的邏輯信號。因此可提供小尺寸、完全隔離的解決方案。該器件可連接ADC輸出、配置和狀態寄存器，可輕松與微控制器對接。它可由晶體振蕩器或外部時鐘信號提供時鐘。
要滿足ADE9113的引腳輸入范圍，需為分壓器電阻和分流電阻選擇適當的阻值。該范圍指的是，當IM引腳和VxM引腳連接至AGND引腳（11號引腳）時，為使ADC產生滿量程響應而必須施加的峰峰值偽差模電壓。IM引腳和VxM引腳通過抗混疊濾波器連接至AGND。
繼電器焊點接觸檢測
ADE9113的第二個電壓輸入通道用于檢測繼電器焊點接觸情況。
圖3展示了連接到ADE9113三個輸入通道的電路的LTspice?簡化仿真，其中：
R_contact為繼電器接觸電阻值（取決于仿真情況，可能為斷開狀態，如圖4所示，或閉合狀態，如圖5所示）。
V1P、V2P、V1M、V2M、IP和IM為ADE9113各通道的輸入。
表1列出了在輸入電壓幅值為230 V、負載為23 Ω的兩種情況下的繼電器狀態值。
圖3.與ADE9113輸入通道相連的電路的LTspice簡化原理圖。
圖4.對應圖3中繼電器觸點斷開時的電壓和電流通道值。
圖5.對應圖3中繼電器觸點閉合時的電壓和電流通道值。
表1.繼電器斷開和閉合情況下的ADE通道電壓及電流通道值
電網保護接地存在性測試
在器件斷電期間，通過圖6所示的電路，檢測電網保護接地(PE)的存在性及相線-中性線是否接反。若未檢測到接地，器件將進入錯誤狀態，且狀態LED指示燈會顯示錯誤消息。若需檢測相線-中性線是否接反，需將光耦合器的兩個輸出與PE_ERR信號配合使用。
圖6.PE電網存在性檢測電路。
軟件框架
no-OS是ADI公司推出的一款軟件框架，專為無操作系統(OS)的系統（即裸機系統）設計。該框架定義了一套通用接口(API)，用于訪問典型的裸機外設，如通用輸入輸出(GPIO)、SPI、I2C、RTC、定時器、中斷控制器等。借助這套通用API，開發者能夠以統一的方式在多個微控制器平臺上完成外設的初始化與控制操作。目前，該框架支持英特爾和賽靈思的微處理器及片內系統(SoC)，同時兼容ADI自家的精密微控制器、多款MAX32xx微控制器、意法半導體的STM32、樹莓派的PICO，以及基于mbedOS的器件。
通過采用符合自身編碼風格的通用驅動API，no-OS能夠為運行在不同底層硬件上的ADI評估板提供參考項目。得益于no-OS構建系統，用戶可以在短時間內生成獨立的參考項目，并以此為基礎開展自主開發工作。
no-OS屬于開源軟件，其官方代碼托管在GitHub的no-OS存儲庫。用戶只需遵守相關許可協議，即可自由使用和分發no-OS。固件中使用的no-OS主要驅動器涉及MAX32655微控制器、ADE9113隔離式3通道Σ-Δ ADC及ADT75溫度監測系統。
狀態機
圖7展示了IC-CPD的功能。所實現的狀態機遵循IEC 61851-1標準規范。
固件通過三個枚舉類型實現邏輯控制：第一個是charger_state_e，包含所有可能的狀態，其狀態根據CP值的變化而切換。state_ machine_events_e枚舉類型涵蓋所有可能觸發的事件，這些事件用于狀態邏輯的實現。interface_err_status_e枚舉類型則用于錯誤解析。
圖7.狀態機。
測試結果
測試是通過Fluke FEV300電動汽車充電站適配器與不同負載（見圖8）完成的，也可采用2型電纜連接器，配合相同負載或直接連接電動汽車進行測試。
圖8.采用Fluke FEV300的測試設置。
正常工作狀態（充電狀態機）與RCD錯誤檢測結果
圖9和圖10展示了使用圖8中的測試臺進行的兩項測量所得到的波形。
圖9呈現了從上電（電動汽車連接斷開，本案例中為阻性負載）到進入充電狀態的完整狀態機運行過程，其中各狀態在CP信號波形上已做標注。
圖9與圖10的區別在于：在C狀態期間（電動汽車充電過程中），觸發了交流RCD中斷。這一點可在第三個波形中觀察到。此時，IC-CPD會斷開繼電器，且LED指示燈會顯示錯誤消息。
圖9.正常工作狀態，標注有EVSE-EV狀態。
圖10.C狀態（無通風條件下充電）的充電過程中檢測到RCD交流錯誤。
圖11中的消息對應圖9所示的場景，即從上電、充電到電動汽車斷開連接的完整充電過程。
圖11.通過串行接口接收的完整充電序列調試消息
調試消息還包含輸入電壓值、設備內部電流與溫度，以及特定時刻的活躍狀態等內容。
當發生CP錯誤時，IC-CPD會斷開繼電器，并通過LED指示燈顯示CP錯誤。
保護接地(PE)錯誤
若在C狀態下出現PE錯誤（即EVSE與EV之間的PE缺失），繼電器將斷開，同時LED指示燈會顯示錯誤。若在A狀態或B狀態下出現PE錯誤，IC-CPD會將其判定為電動汽車已斷開連接，并保持當前狀態或進入A狀態（具體取決于錯誤發生時的活躍狀態）。在此情況下，CP信號電平無法達到C狀態的數值，繼電器將保持斷開狀態，直至PE連接恢復。
結語
本文圍繞內置控制保護器件(IC-CPD)展開，重點介紹了ADI公司的AD-ACEVSECRDSET-SL參考設計。該參考設計是一套完整的2型電動汽車供電設備(EVSE) 3.6 kW充電電纜解決方案，專為電動汽車充電系統的評估與原型開發而打造。采用ADE9113隔離式模數轉換器(ADC)時，憑借集成的isoPower技術及內部隔離特性，可有效減少元件數量。MAX32655微控制器(MCU)集成了藍牙低功耗(BLE)和模數轉換(ADC)通道，能夠輕松實現符合IEC 61851-1標準的狀態機功能。no-OS框架的應用及開源代碼模式，不僅簡化了軟件開發流程，更為在軟件開發中遵循本文提及的相關IEC標準提供了良好起點。文中提供的流程圖、調試信息及借助FEV300完成的設計驗證，有助于更深入地理解和評估整體設計方案。
參考文獻
1 Global EV Data Explorer，國際能源署。
2 Fayez Alanazi，“Electric Vehicles:Benefits, Challenges, and Potential Solutions for Widespread Adaptation”，Applied Sciences，第13卷，2023年。
3 Luis Sarmiento、Nicole W?gner和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，美國交通部聯邦公路管理局。
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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