近年来，电动汽车的迅速和广泛接受给汽车行业带来了重大和根本性的变化，预示着交通运输将迎来一个更加环保和持久的未来。然而，电动汽车的日益普及也暴露了电动汽车充电站设计和实施中的一系列困难。解决这些困难对于保证电动汽车顺利融入我们的日常生活至关重要。
本文将重点讨论与电动汽车充电站设计相关的主要设计问题和解决方案，正如恩智浦半导体电动汽车充电垂直经理 Mark Swinburn在近的Fortronic 2023活动中的“恩智浦电动汽车充电支持”会议中所讨论的那样。这些挑战包括确保遵守相关标准，例如ISO/IEC 15118。
主要设计挑战
正如斯温伯恩在演讲中指出的那样，电动汽车供电设备（EVSE）设计面临六大挑战：
准确性。当我们测量从电网流入车辆的能量时，我们需要高精度。这还涉及其他相关方面，例如立法、电网负载平衡和延迟。一些新的微电网市场正在实现能源交换（V2G/H），因此，我们还必须考虑可追溯性。，我们希望为车辆充电的客户提供与能源供应商的灵活性。
安全。在电动汽车充电中，对安全性的需求不断增加。这一需求导致了 ISO/IEC 15118 等具体标准的制定。随着我们扩大电动汽车充电器的安装规模，安全性变得至关重要。如果单个电动汽车充电器被暴露并被黑客攻击，这不能被视为问题。然而，如果我们有数十万个充电并且有人可以访问它们，那么电网可能会出现潜在问题。这对于一个国家的基础设施至关重要。此外，如果电动汽车充电器可供公众使用，则必须提供卡支付，这将带来自己的一套安全要求。
云入职。如果我们要安装充电器，它可能会连接到网络，也可能连接到后端，以便客户或运营商可以访问电动汽车充电器并与其行为进行交互。需要通过云登录以非常安全的方式授予该访问权限。
可扩展性。当新功能出现时，扩展性能和功能可能会成为一个挑战，因为我们需要在不拆除充电站的情况下进行操作，而拆除充电站将非常昂贵。
人工智能和机器学习。这涉及充电站能够在边缘做出决定，而不必将所有信息发送到后端，这需要时间并且可能成本高昂。在边缘做出决策变得越来越普遍。
可用性和可靠性。我们需要确保我们今天设计的设备和技术将可供我们使用数年。
ISO 5118 标准
图 1 总结了适用于电动汽车充电的标准的演变。初，只有简单的交流充电和单向通信。该系统后来通过日本 CHAdeMO 标准得到增强，该标准首次引入了直流充电。它还使我们能够从汽车
电池中获取能量并将其带回家中（具有双向电力传输的 V2G 功能）。
2014 年发布的 DIN SPEC 70121 标准仅涵盖直流充电方面。随后很快推出了 ISO 15118 的个版本，该版本涵盖了交流和直流充电并引入了安全性。此外，ISO 15118 支持 Plug & Charge，这是一种依赖证书和身份验证来开始充电过程的机制，无需信用卡或其他形式的支付。ISO 15118-2 是当今常用的标准。
ISO 15118-20 是该标准的一代。它以我们之前的 ISO 15118-2 为基础，增加了更多层更强的安全性、无线充电和双向充电功能。，我们有自动连接装置。它看起来像一个小机器人，但它可能是一个像受电弓一样从地面、侧面或上方升起的充电装置。因此，ISO 15118 标准现在正在接管以前由不同标准管理的所有充电功能。
电动汽车充电标准。
图 1：电动汽车充电标准（恩智浦半导体）
EVSE 构建块
从恩智浦的角度来看，当我们开始考虑如何设计和构建电动汽车充电系统时，我们可以识别两个不同的模块，如图 2 所示。左侧是
电源插座，用于管理能量流从电网到车辆并准确测量传输的能量。在与左侧隔离的右侧，我们有智能控制器，所有服务都在其中运行，例如通信、支付服务、即插即用或 V2G。
如图所示，每个块都受其标准管辖。
EVSE 架构由两个构建块组成。
图 2：EVSE 架构由两个构建块组成。（恩智浦半导体）
恩智浦的解决方案
恩智浦半导体拥有广泛的产品和解决方案组合，可以满足图 2 所示构建模块的要求。
对于计量和能源测量，恩智浦在 Fortronic 2023 上展示了一款适合实施三相 22 kW 充电器的电源插座板。它基于MKM35Z256VLQ7
微控制器 (
MCU)，支持单芯片一相、两相和三相电表，以及流量计和其他精密测量应用。MCU 还通过带有时间戳的主动和被动篡改检测来提供安全性。
为了实现智能控制器，目前可以采用不同的方法。在演讲中，Swinburn 提出了以下三种恩智浦解决方案。
基于Linux操作系统的智能控制器
该解决方案基于i.MX93应用处理器系列，能够提供高效的机器学习加速和安全性。i.MX 93 应用处理器是 i.MX 产品组合中首款采用适应性强的 Arm Cortex-A55 内核的处理器，可提高基于 Linux 的边缘应用的性能和能效。此外，它们还配备 Arm Ethos-U65 microNPU（使开发人员能够设计功能更强大、更具成本效益和能效的 ML 应用程序）以及 Arm Cortex-M33 低功耗安全 MCU。
i.MX93 处理器（图 3）具有四通道低压差分信号接口，这意味着它可以耐受高噪声环境，因此您可以将控制器放在系统的一个部分中，而显示器可以分开从一开始就确保高抗噪性。它还集成了电动汽车充电中使用的所有不同通信标准。
基于Linux操作系统的智能控制器。
图 3：基于 Linux 操作系统的智能控制器（NXP Semiconductors）
基于RTOS的智能控制器
该解决方案基于MIMXRT1062DVJ6B交叉 MCU，采用 Arm Cortex-M7 内核以及可扩展闪存和 SRAM
存储器。该实时 MCU 的运行频率高达 600 MHz，提供 2D 图形、摄像头、各种内存接口和各种连接接口。
该 MCU 具有足够的功能来支持运行充电应用程序所需的所有功能，包括 ISO 15118、OCPP（用于配置和监控充电站的协议）和安全性。该解决方案降低了终产品的成本，非常适合住宅环境。
入门级控制器
这是简单、的解决方案，仅支持 ISO 50118 标准。基于 LPC55S69 Cortex-M33 双核 MCU，这是一种极具价格竞争力的电动汽车充电站实施方式。此外，该MCU集成了Arm TrustZone功能，从而能够以结构化方式隔离应用程序，有助于管理和维护软件并获得。
“对于恩智浦来说，关键的收获是可以缩短上市时间的平台，因为一些集成工作已经完成，”Swinburn 说。“我们正在消除一些复杂性，我们已经集成了一些功能，并且我们已经获得了预。这加快了开发阶段并降低了风险。”
