围绕单处理器开发智能HEV/EV基础设施充电器

 引言

随着路上行驶的电动车比例的增加，对于充电站的需求也随之出现爆炸式的增长。尽管在一些饭店和购物中心有许多充电站供免费使用，但是城市和农村地区对“付费充电站”的需求也日益增长。这些充电站可让电动车实现更远的行驶距离。这就需要更高的技术来实现系统内通信，包括实现移动支付的近场通信(NFC)技术，完成支付处理的Wi-Fi、以太网和电力线通信(PLC)技术，并需要运用先进的电表和辅助控制功能。C2000™ C28x数字信号处理器(DSP)+ARM® Cortex™-M3器件出现以后，现在我们可以把所有这些功能集成到一颗单独的低成本处理器中。

集成通信

今天，越来越多的人们开始使用电动车，不管是摩托车、特种交通工具还是日常乘坐的公共交通工具。它导致对于充电站的需求也随之增长，特别是在帮助这些交通工具增加行驶距离方面。尽管许多场所都提供免费充电服务，但是付费充电站也很有必要。城市中有许多充电站，其外形和工作方式都与停车计时器类似，只是多了一条连接电动车的充电线。

到目前为止，共有三种常见的充电站(按级划分)。1级和2级为常见的“电量计”交流电源，使用电动车的板上充电功能。现在，第三种常见充电站(目前还不能称作一个级别)为直流“快速充电器”，其绕过电动车板上功率因数校正(PFC)，直接向电池充电级提供400V的直流电源。所有这三种系统的功率电平和功率级都不同，但是都需要测量用电多少并向消费者说明充电量，同时都要求能够与后端网络进行通信。

对于信用卡充电、移动用户手机充电甚至现金交易处理来说，同多个后端网络通信非常必要。而对设计人员来说，他们需要它来实现其构架的灵活性。利用TI的C2000双核微控制器等处理器，我们现在可以在一颗单处理器中拥有PLC、Wi-Fi、10/100以太网和NFC通信的灵活性，它还能够处理电表功能、家政管理甚至是系统内的功率级控制。通过把所有东西都集成到一颗单控制器内，我们可以减少板空间、材料清单成本，并集成高级保护功能，所有这些都融入到一颗单控制器中。

实时C2000 DSP+ARM的优势

起价仅7美元的C2000 DSP+ARM系列微控制器是一种新型混合信号、多核处理器器件，属于TI MCU系列器件。它拥有C28x DSP内核的32位处理的性能优势，同时结合了工业标准ARM Cortex-M3内核灵活性，在混合信号、通信型系统中为设计人员提供无可比拟的灵活性。开发人员还可利用这些器件的模拟处理功能，其拥有多达24条ADC通道、6个集成模拟比较器以及工业标准的通信协议，包括USB、10/100以太网、I2C和SPI接口，以便同其他无线电技术进行通信，从而在一颗处理器中提供一套完整的系统。集成内存、电源和监视外围器件也都被集成到器件中，进一步减少了对于外部组件的需求。

C2000 DSP + ARM微控制器简介：

•双处理器技术—独立C28x 32位控制内核和ARM Cortex-M3通信内核

•高达1.5MB和232KB的SRAM嵌入式闪存，用于应用存储器和程序存储器

•集成模拟外围器件，包括24条12位ADC通道、6个模拟比较器和27PWM输出通道

•集成通信，包括USB、10/100以太网、I2C、SPI和CAN外围器件

•单电源运行

•集成上电重置和断电重置功能

所有电表系统基础均不超过主处理单元的模拟处理能力。利用C2000双核器件的模拟功能，我们可以轻松地实现要求电压，以及单相和三相交流电测量要求的电流监测功能，并能对更高输出直流型系统的输出水平进行监测。为了简化本文的一些图，我们把系统分解成2个子部分：

1、 受监测的电源本身

2、 系统的低压通信端

由于我们正处理低压和高压系统，因此我们还必须考虑高压和低压系统之间的隔离要求。尽管C2000双核器件可以处理功率级控制，但本文仅侧重于更高级别的测量和通信。电表应用的C2000双核微控制器

如前所述，电动车充电器目前分为三类：1级和2级代表交流充电，3级为直流快速充电。在1级和2级系统中，充电站构架看起来与大多数智能电网应用的标准电表应用非常类似。这种电表简单地连接一个单相或者三相交流电源(公共电网)，系统内没有功率控制级。它的工作原理与家用电表完全一样，其监测通过系统的电流，只是增加了与充电电动车之间的通信，并作为一个支付网关，它还可能会包含安全断开功能。1级和2级充电器都使用电动车板上充电系统，其包括功率因数校正增压级和高压直流充电电路。1级充电器基于标准的120/240V交流级别，提供最大16安培的充电电流。2级充电可使用240V交流或者480V三相交流，但两者都被限定为32A。另外，在1级或者2级情况下，充电器仅充当通用电网和接受充电电动车之间的一个电表功能，没有能量转换级。

图1 “智能”固定充电站的简化信号链

直流快速充电系统的工作方式很不同，它把交流电源电压级别转换为增压DC直流级别，能够提供高达400安培的电流。尽管1级或者2级充电器可在4到8小时内完成普通电动车的充电，但是直流增压充电器却可在20到30分钟内完成相同的充电工作。相比3级充电器，1级和2级的功率级非常不同，但是这种电表应用常用于所有这三种充电器，因为测量输入始终为交流电源，并且在所有PFC级前面。

正如我们在所有充电级别中所看到的一样，在电表(支付)充电器应用中，我们需要(或者可能需要，具体取决于记账和通信方法)下列功能：

•充电电动车的实际用电量(通常以kWh计)

•故障管理和系统保护

•支付处理(信用卡、智能卡、收款机或者通过NFC手机支付)

•商业处理通信(Wi-Fi、以太网或者PLC)

•电动车充电管理通信(CAN或者蓝牙)由于作为双子系统器件的C2000双核器件本身的原因，我们可轻松地划分我们的电表系统，从而将所有这些功能都集成到一颗单控制器中。另外，TI为无线通信和系统级隔离提供多种解决方案，从而为完整封装提供一套完整的产品线。

由此，我们可以根据上面列举的各种功能进一步将系统分解成许多更小的子系统，其第一个要求便是测量和确定消费者需要支付的千瓦小时(kWh)。

图2 模拟子系统多相电表连接

电量计级利用C2000双核器件模拟系统，使用内部ADC与C28x DSP内核处理能力以及一个变流器。为了获得更高的抗干扰能力，还可能需要添加一个分流电阻电路。当与实时时钟组合使用时，kWh测量处理便成为一种标准电压和电流测量过程，它可以轻松地处理C2000器件的7个模数转换器输入，具体取决于变流器和分流电阻是否并联，同时也取决于总相数。利用一个数控闭环过电流保护方案(如下所示)，我们可以通过增加主充电总线的物理延迟来提高系统层安全性。通过C2000双核器件的片上模拟比较器，输出连接至一个标准GPIO，并且使用DRV110延迟驱动器，我们可以实现一个闭环，即“智能”电路保护方案。这种保护方案提供由用户或CPU控制的重置功能，同时具有低功耗构架，并减少了所需外部组件的数目。

图3 利用DRV110和延迟实现线路断开

继续信号链讨论，需要考虑的下一个问题是支付处理。由于C2000双核器件拥有一个工业标准ARM Cortex-M3内核，因此我们在主控制器中便可运行商业处理服务。今天，支持处理的主要形势为直接信用卡刷卡或者使用收款机、投币机，或者还可以使用手机通过NFC功能实现支付。处理信用卡要求更强大的处理能力，但ARM Cortex-M3内核可以提供充分的支持，并且拥有多种在线解决方案。利用微控制器的另一个ADC输入，可以实现信用卡直接读取(直接从磁条头读取)。另外，多个商家在线提供磁条数据解码解决方案，或者也可以自己开发一种解决方案。尽管ARM Cortex-M3处理器可以实现收款或者投币系统，但为了简单起见，我们将把它们看作为一些使用C2000双核主处理器数字接口的单独系统。

最近，NFC作为一种支付方式获得了普遍使用。这种情况在新推出的手机上较常见，它让客户可以通过其手机账单功能直接购买服务。NFC是一种超短距离通信标准，其原理非常接近于射频身份识别技术。每一部手机或具备NFC功能的设备，都有其独特的身份识别代码，它与一个支付账户相关联。当用户把手机靠近某个基于NFC通信技术的支付网关时，便被要求输入一个PIN码，其使用方式与借记卡类似。在完成银行(支付账户)安全交易并验证通过以后，用户便可享受相应的充电服务。把C2000双核器件的处理能力同NFC芯片组(例如：TRF7970)结合以后，开发人员便能将这种功能直接集成到主处理器中，从而进一步减少了所需组件的数目。

C2000双核微控制器通信层

由于我们已经为你简要介绍了支付处理，现在，我们需要讨论C2000器件所支持的通信层，这一点很重要。它本身就对IPv6 10/100 TCP/IP栈提供软件支持，并支持有线以太网的内部以太网媒介访问控制(MAC)。

除有线以太网外，C2000双核器件还通过SimpleLink™ CC3000解决方案的软件支持，实现对无线Wi-Fi通信的支持。SimpleLink是一种独立的无线解决方案，为无线接入提供一种简单的解决方案，可实现小型化无线B/G协议，拥有IPv4 TCP/IP栈，并包括高无线安全性的补充软件。通过一个标准的SPI接口，便可将CC3000器件连接至C2000主处理器。

对于那些没有Wi-Fi或者以太网基础设施的地区来说，C2000双核器件还提供了PLC灵活性。利用C28x内核的计算能力，除前面讲到的主机通信和测量功能以外，设计人员还可以在相同器件上实现PRIME、G3、CENELEC和FlexOFDM等低频窄带标准，并且所有标准都可配置。TI还提供一个配套模拟前端器件即AFE031，以完成PLC实现。关于PLC需要注意的一点是，在欧洲的一些使用案例中，CENELEC PLC实际用于汽车通信，而非电网基础设施。

除提供多种通用协议主机通信支持以外，C2000双核器件还包括2个CAN控制器，用于连接充电车辆(如果有的话)。尽管它现在还不是一种充电通信标准，但一些汽车制造厂商可能会选择一种专有充电器的CAN通信接口，从而让该选项可用。

目前，SAE和ACEA委员会以及多家汽车制造厂商正在对数种智能通信协议进行评估，以开发出一种单独的世界“标准”插头接口，从而确保汽车和充电器之间的通用性。但是，作为SAE J1772和IEC 61851标准的组成部分，目前的充电器均使用两个“信号针脚”来帮助为充电系统提供预防性安全措施。尽管很少有真正的通信，但还是会有一个1Khz方波信号被注入到充电电路的L1线路中，然后通过接地针脚返回。在接受充电的电动车内部，通过使用一个具有电动车可接受的充电水平电阻器二极管电路，使电路闭合。然后，通过充电器对其进行监测，以确定电动车的正确充电电量，并在无闭合电路时从交流电压断开充电线。这样便提高了人操作充电器的安全性，因为在连接以前充电线上没有电压。通过使用C2000双核器件的PWM生成器，这种信号可被注入到L1线中，然后通过接地线反馈，内部ADC通道中的一条可对其进行采样。为了降低系统复杂程度，这种功能可与前面讲到的过电压/过电流安全断开系统集成到一起。

总结

本文中，我们研究了几种通信协议以及一些电表功能，它们均可集成到一块单微控制器内，以简化电动车充电器付费电表应用的设计。尽管我们主要侧重于EV充电器应用，但是所有这些功能可用于任何单或者三相交流电系统电表应用，包括家庭应用。