如何快速有效地實作靈活的電動車充電系統

電動交通工具的發展趨勢，與公共服務站中預計有多少可用的電動車 (EV) 充電基礎設施，兩者之間有密切的關係；並且可在使用者的住家和工作場所中，增添合適的充電系統來加速發展。儘管核心設計要求大致保持一致，但每一種系統都有特殊的需求，而這個複雜性又會因不同區域的差異性而變得更複雜，其中的影響因素從通訊平台到合規要求都有。

因此，充電基礎設施設計人員所面臨的挑戰，是要在設計中滿足核心要求，並保有充足的靈活度，以滿足最廣泛的最終用途和區域要求，同時還要在成本和上市時間層面取得平衡。

本文將介紹公共充電站多樣化的設計要求。然後再介紹 NXP Semiconductors 推出的靈活解決方案平台，可用來展開符合這些要求的設計。

迎接多樣化的設計挑戰

如果想要加快電動車的採用，就需要即刻提供有效率的電動車供電設備 (EVSE)，通常稱為電動車充電系統。短程駕駛需求可以使用車載 AC-DC 充電器，在家中或辦公地點充電，但這些充電系統無法緩解電動車續航里程焦慮的問題，會導致電動車的採用繼續受限。遠程電動交通工具仰賴公共電動車 DC 充電系統的可用性，這類系統能比車載 AC-DC 充電器更快地為電動車充電。同時，不同的電動車充電系統，還需要符合多項有關安全、保全和隱私的標準與法規。

對於打造電動車充電系統解決方案的開發人員而言，需要為每個特定使用案例提供有效的解決方案，這不僅是龐大的商機，卻也帶來重大的技術挑戰。面對這些挑戰，開發人員需要在一系列設計中提供多樣功能組合，不僅要達到所需的效能和效率，也要滿足每個應用的特定要求。為了符合要求，需要調適所有電動車充電系統設計的基礎架構。

調適基本的電動車充電系統架構

無論電動車充電系統的特定目標應用為何，一定會包含兩個主要子系統：電力傳輸前端和電源管理後端控制器；兩者由隔離邊界隔開 (圖 1)。

圖 1：電動車充電系統的基本架構包括，電源插槽介面和控制器用的獨立子系統，且由隔離邊界分隔。(圖片來源：NXP Semiconductors)

在面向車輛和能源的前端部分，電源插槽介面子系統可管理車輛的電力傳輸。在隔離屏障另一邊的控制器子系統則可處理安全、通訊和其他高階功能。這些子系統的實作通常取決於幾個基本建構模塊，以滿足每個特定應用在計量、控制、功能安全、保全和通訊層面上的特定要求。

在整個電動車充電系統設計中，每個建構模塊都會提供關鍵的功能。計量單元需要確保能量安全傳輸，同時以準確且防止篡改的方式進行能量量測，以利計費用途。控制單元確保可靠地執行各種通訊協定，以用於下游能量傳輸和上游資料傳輸。控制單元是建立在功能安全性和保全能力的基礎之上，同時可支援當地和區域特定的要求，以便提供與雲端資源進行通訊時所用的安全付款和通訊協定。

過去，開發人員通常會使用一些結合多種一般用途裝置的客製化設計，實作每一個必要的建構模塊，藉此調適基本的電動車充電架構設計，以達到相關要求。NXP 有一系列電動車充電解決方案，可提供有效的替代方案，能讓開發人員結合現成的建構模塊，快速打造適合多種目標應用的電動車充電系統設計。

實作電動車充電系統前端

NXP 的電動車充電解決方案是以多個處理器系列為主軸，專為電動車充電系統設計等高要求應用，提供其所需的效能和功能。在這些處理器系列中，NXP 的 Kinetis KM3x 系列微控制器 (MCU) 產品專用於提供可認證的精確電力傳輸量測功能。Kinetis KM3x MCU 採用 Arm® 32 位元 Cortex® M0+ 核心，整合了多種功能模塊組合，可提供量測、安全、通訊和系統支援，同時具備晶片上快閃記憶體和靜態隨機存取記憶體 (SRAM) (圖2)。

圖 2：Kinetis KM3x 系列整合了一整套必需的功能模塊，以實作可認證的精確電力傳輸量測功能。(圖片來源：NXP Semiconductors)

為了簡化計量實作，KM35x MCU 量測前端整合了一個高精度三角積分類比數位轉換器 (ADC)、多個連續漸近暫存器 (SAR) ADC、多達四個可編程的增益放大器 (PGA)、一個高速類比比較器 (HSCMP)、一個相位補償邏輯模塊，以及一個低溫漂移的高精度內部參考電壓 (VREF)。為了保護計量單元的完整性，晶片上安全性功能可同時支援主動和被動式的篡改偵測，並帶有時間戳記。這些晶片上模塊搭配外部感測器、繼電器和其他周邊裝置後，就可提供所有必要功能，可快速實作電動車充電系統電源插槽前端用的精密複雜計量子系統 (圖 3)。

圖 3：開發人員使用 Kinetis KM MCU，只需要幾個額外的外部元件，即可實作電動車電源插槽子系統。(圖片來源：NXP Semiconductors)

實作電動車充電系統控制器

如上所述，電動車充電系統控制器可協調每個系統所需的眾多類型功能。這個子系統的需求決定所用的處理器，其不但能提供所需的即時效能，以確保精確地控制充電系統，還要能提供足以支援不同協定所需的處理傳輸量，同時盡可能將設計覆蓋區和成本降至最低。

NXP 的 i.MX RT 系列跨界處理器採用 Arm Cortex-M7 核心，可提供嵌入式微控制器的即時功能，以及應用處理器層級的效能。憑藉 600 MHz 的工作頻率和整套周邊裝置，i.MX RT1064 等 i.MX RT 系列處理器能夠滿足低延遲即時回應的需求。與此同時，還具有諸多特點，如大型晶片上記憶體、外部記憶體控制器、圖形子系統和多個連接介面，因此可滿足應用需求 (圖 4)。

圖 4：i.MX RT1064 跨界處理器將周邊裝置和記憶體，與 Arm Cortex-M7 處理器子系統合併使用，可提供即時執行功能，以及應用處理器層級的效能。(圖片來源：NXP Semiconductors)

除了滿足關鍵的即時和效能要求外，電動車充電系統設計還需要確保多方面的安全性，包括電源連接和付款方式的篡改偵測和身分驗證。在資料保護、安全啟動和安全偵錯方面，開發人員可以善用 i.MX RT 處理器的整合式安全功能，包括保證開機、硬體加密、匯流排加密、安全的非揮發式儲存，以及安全的 JTAG 控制器。

為了進一步加強電動車充電系統控制器的安全性，在設計中通常會納入 NXP 的 EdgeLock SE050 安全元件，來補足 i.MX RT 處理器的安全功能。SE050 的設計可在生命週期內提供端對端的安全性，能為眾多常見的加密演算法、可信賴平台模組 (TPM) 功能、安全匯流排交易和安全儲存，提供硬體式安全加速器。透過此裝置為執行環境提供信任根 (RoT)，開發人員就可以確保關鍵操作的安全性，包括身分驗證、安全帶入、完整性保護和證明。

透過 i.MX RT 處理器和 EdgeLock SE05x 裝置，開發人員只需要幾個額外元件，即可實作一個控制器子系統，以執行高效能的即時作業系統 (RTOS) (圖5)。

圖 5：i.MX RT MCU 具有整合式功能和效能，可簡化電動車充電系統控制器子系統的設計。(圖片來源：NXP Semiconductors)

適合多種電動車充電系統應用的靈活解決方案

將上述電源子系統和控制器子系統，結合支付和通訊選項所用的選配模塊，開發人員就可快速實作單相電動車充電系統，能提供高達 7 kW 的功率 (圖 6)。

圖 6：KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界處理器一同使用後，就可為電動車充電系統提供高效的硬體基礎。(圖片來源：NXP Semiconductors)

對類比前端進行適度的修改後，就可將此相同設計加以擴充，實現一個三相電動車充電系統，足以提供高達 22 kW 的功率 (圖 7)。

圖 7：開發人員可以快速調適一個以 KM3 MCU 和 i.MX RT 跨界處理器為架構的設計，以支援多種應用。(圖片來源：NXP Semiconductors)

雖然 KM3x 和 i.MX RT 元件的組合可適用於許多使用案例，但若是其他電動車充電系統應用，開發人員可能要將設計的其他層面最佳化。舉例來說，與車載充電器相比，家用充電器的設計可以更快完成充電，因此需要一些解決方案將成本和覆蓋區最佳化。針對這些應用，開發人員可以使用符合成本效益的 MCU (如 NXP 的 LPC55S69)，來實作較低成本的入門級控制器。

相較之下，適合公共服務站的商用 EVSE 充電器，在高速應用處理和即時效能方面會有更嚴格的要求。針對在 400 至 1000 V 電壓位準運作，且需提供 350 kW 或更多充電量的電池儲存系統而言，必須滿足上述要求才可安全控制此系統。在此應用中，可同時執行應用層級軟體和即時軟體的能力，對於效能和功能都至關重要。針對這些系統，開發人員若使用 NXP 的 i.MX 8M 處理器之類的產品，則可更輕鬆地實作充電解決方案，以便為這些複雜設計提供所需的 Linux 架構應用處理能力，以及 RTOS 功能的即時效能 (圖 8)。

圖 8：對於超快速電動車充電等更為複雜的應用，開發人員可以使用高效能處理器 (如 i.MX 8M 處理器) 來擴充電動車基本充電架構，以滿足更複雜的控制器要求。(圖片來源：NXP Semiconductors)

快速實作雲端連線的電動車充電系統

Kinetis KM3x、i.MX RT、LPC55S69 和 i.MX 8M 等 NXP 處理器，可提供靈活的平台，以滿足不同電動車充電系統應用的特定要求。然而，對於更複雜的應用，如果延遲硬體基礎的部署，可能會對端對端電動車充電系統應用的開發造成嚴重的延誤。

為了避免延誤，NXP 提供開發捷徑，就是使用一組以前述裝置為架構的電路板和評估套件。例如，NXP 的 TWR-KM34Z75M 模組就提供完整的計量平台，結合了 Kinetis MKM34Z256VLQ7 計量 MCU 與整套支援元件。同樣地，NXP 的 i.MX RT1064 評估套件就在四層板上結合了 MIMXRT1064DVL6 處理器與 256 Mbits 的 SDRAM、512 Mbits 的快閃記憶體、64 Mbits 的四通道 SPI (QSPI) 快閃記憶體，並配有一套豐富的周邊裝置連接器，其中包括 Arduino 介面。此外，NXP 的 OM-SE050ARD 電路板可隨時存取 EdgeLock SE050，NXP 的 PNEV5180BM 評估板則提供即用型 NFC 前端開發板。

將計量用的 NXP TWR-KM34Z75M 電路板、控制功能用的 i.MX RT1064，以及 OM-SE050ARD 和 PNEV5180B 電路板結合後，開發人員就可快速實作一個全功能硬體平台，以便打造電動車充電系統應用 (圖 9)。

圖 9：開發人員可以使用 NXP 的電路板和評估套件，搭配 Microsoft Azure 等可用的雲端服務，即可快速實作完整的端對端電動車充電解決方案。(圖片來源：NXP Semiconductors)

搭配 Microsoft Azure 雲端服務後，NXP 的板級解決方案就能讓開發人員快速打造完整的端對端電動車充電系統解決方案原型，並使用此平台作為更為專業應用的設計基礎。

結論

電動車充電系統的隨時可用性，將是電動交通工具普及的關鍵因素，但如何以符合成本效益的方式實作不同的解決方案，以便用於家庭、辦公室和公共服務站，這個問題仍有待克服。透過 NXP Semiconductors 的專用型裝置和電路板解決方案平台，開發人員可以快速實作出滿足各種電動車充電應用所需效能的設計，並且能靈活適應新興要求。