相关设计规则遵循 IEC 61851 - 1 标准，针对 2 型 EVSE 的具体规则则在补充标准 IEC 62752 中有明确规定。文中以 ADI 公司的全新参考设计为例，深入阐述了电动汽车充电过程中的关键要点。
随着电动汽车市场的迅猛发展，预计到 2030 年，道路上的电动汽车保有量将达到约 5 亿辆。国际能源署的数据显示，2022 年至 2023 年间，纯电动汽车 (BEV) 与插电混动汽车 (PHEV) 的合计销量从 1020 万辆增至 1380 万辆，增幅达 35%。预计 2030 年电动汽车年销量将达 4070 万辆，2035 年更将攀升至 5650 万辆。气候变化和空气污染问题推动了高效、零尾气排放交通方式的发展，这也使得市场对高效充电解决方案的需求日益增长。
多数私家车用户日均行驶里程仅约 30 英里，较低功率的充电水平已能满足日常需求。家用电动汽车充电站配备的线缆内置控制与保护器件 (IC - CPD) 是理想之选，它能省去高功率充电设施在安装与维护环节的巨额成本。未来，电动汽车市场和充电设备市场都将迎来繁荣发展。
电动汽车供电设备 (EVSE) 能让用户安全地为插电混动汽车 (PHEV) 或纯电动汽车 (BEV) 充电，依据充电功率等级进行分类。模式 2 是将电动汽车接入交流供电网络标准插座的充电方式，其是借助具备控制引导 (CP) 功能的交流 EVSE，并设置人身触电保护系统。IC - CPD 的功能是触电防护，通过剩余电流器件 (RCD) 实现，可采用至少为 A 型的剩余电流器件搭配直流检测辅助电路，也可直接使用 B 型 RCD。
图 1 展示了 2 型 IC - CPD 的通用框图，依据此框图衍生设计的电路，能够实现 IEC 61851 - 1 标准中规定的所有强制性功能。根据具体方案的不同，部分模块可能需要增设或省略。
ADI 公司的 2 型 EVSE 包含 ADE9113 3 通道隔离式 Σ - Δ 模数转换器 (ADC)，用于单相电源输入的电压和电流测量，以及继电器电压的测量，以实现焊点接触检测。通过添加 6 mA DC/30 mA rms RCD 确保器件安全运行，还具备过压、欠压、过流、过热检测功能，以及保护接地 (PE) 检测和电动汽车二极管存在性检测功能。集成的隔离设计使与微控制器 (MCU) 的连接更为简便。MAX32655 超低功耗 ArmCortex - M4 处理器负责实现系统控制逻辑，并通过控制引导 (CP) 接口与电动汽车进行通信。该解决方案还包含编程和调试接口，其蓝牙 ? 5.2 接口支持与外部器件的连接。MCU 与 ADE9113 之间通过串行外设接口 (SPI) 实现通信。
EVSE 与 EV 之间实现通信所需的 CP 信号，是通过 MAX32655 处理器和 ADA4523 - 1 低噪声、零漂移运算放大器生成的。该系统由单相 230 V 交流输入供电，采用隔离式交流 - 直流开关模式电源 (SMPS) 为电路板提供 12 V 电压，使用适用于汽车应用的 MAX20457 高效双通道同步降压转换器，将电压降至 5 V 和 3.3 V，为电路板的隔离侧供电。采用反相配置的 LT8330 可生成 CP 信号低侧所需的 - 12 V 电压。ADT75 12 位数字温度传感器负责监测器件温度，并将温度数据发送至 MCU，以实现过热保护。该设计配有开源软件栈和参考应用程序，遵循 IEC 61851 和 IEC 62752 标准。
ADE9113 是一款隔离式 3 通道 Σ - Δ ADC，适用于采用分流电流传感器的多相电能计量应用。数据和电源隔离基于 ADI 公司的 iCoupler? 技术，具有 3 个 ADC。其中一个通道专门测量分流器的电压，多两个额外的通道用于测量电压。在本应用中，一个电压通道用于检测继电器触点是否焊接。这款 ADC 内置了 isoPower? 器件，即集成式隔离型直流 - 直流转换器，为 ADC 的级提供稳定电源，无需外部直流 - 直流隔离模块。iCoupler 芯片级变压器技术用于隔离 ADC 级与第二级之间的逻辑信号，提供小尺寸、完全隔离的解决方案。该器件可连接 ADC 输出、配置和状态寄存器，轻松与微控制器对接，可由晶体振荡器或外部时钟信号提供时钟。要满足 ADE9113 的引脚输入范围，需为分压器电阻和分流电阻选择适当的阻值。
ADE9113 的第二个电压输入通道用于检测继电器焊点接触情况。图 3 展示了连接到 ADE9113 三个输入通道的电路的 LTspice 简化仿真，表 1 列出了在输入电压幅值为 230 V、负载为 23 Ω 的两种情况下的继电器状态值。
表 1. 继电器断开和闭合情况下的 ADE 通道电压及电流通道值
继电器状态V1PV2PIP
断开305 mV0 mV0 mV
闭合305 mV305 mV10 mV
在器件断电期间，通过图 6 所示的电路，检测电网保护接地 (PE) 的存在性及相线 - 中性线是否接反。若未检测到接地，器件将进入错误状态，且状态 LED 指示灯会显示错误消息。若需检测相线 - 中性线是否接反，需将光耦合器的两个输出与 PE_ERR 信号配合使用。
no - OS 是 ADI 公司推出的一款软件框架，专为无操作系统 (OS) 的系统（即裸机系统）设计。该框架定义了一套通用接口 (API)，用于访问典型的裸机外设，如通用输入输出 (GPIO)、SPI、I2C、RTC、定时器、中断控制器等。借助这套通用 API，开发者能够以统一的方式在多个微控制器平台上完成外设的初始化与控制操作。目前，该框架支持英特尔和赛灵思的微处理器及片内系统 (SoC)，同时兼容 ADI 自家的精密微控制器、多款 MAX32xx 微控制器、意法半导体的 STM32、树莓派的 PICO，以及基于 mbedOS 的器件。通过采用符合自身编码风格的通用驱动 API，no - OS 能够为运行在不同底层硬件上的 ADI 评估板提供参考项目。得益于 no - OS 构建系统，用户可以在短时间内生成独立的参考项目，并以此为基础开展自主开发工作。no - OS 属于开源软件，其代码托管在 GitHub 的 no - OS 存储库。用户只需遵守相关许可协议，即可自由使用和分发 no - OS。固件中使用的 no - OS 主要驱动器涉及 MAX32655 微控制器、ADE9113 隔离式 3 通道 Σ - Δ ADC 及 ADT75 温度监测系统。
测试是通过 Fluke FEV300 电动汽车充电站适配器与不同负载完成的，也可采用 2 型电缆连接器，配合相同负载或直接连接电动汽车进行测试。图 9 呈现了从上电（电动汽车连接断开，本中为阻性负载）到进入充电状态的完整状态机运行过程，各状态在 CP 信号波形上已做标注。图 9 与图 10 的区别在于：在 C 状态期间（电动汽车充电过程中），触发了交流 RCD 中断，此时，IC - CPD 会断开继电器，且 LED 指示灯会显示错误消息。
图 11 中的消息对应图 9 所示的场景，即从上电、充电到电动汽车断开连接的完整充电过程。调试消息还包含输入电压值、设备内部电流与温度，以及特定时刻的活跃状态等内容。当发生 CP 错误时，IC - CPD 会断开继电器，并通过 LED 指示灯显示 CP 错误。若在 C 状态下出现 PE 错误（即 EVSE 与 EV 之间的 PE 缺失），继电器将断开，同时 LED 指示灯会显示错误。若在 A 状态或 B 状态下出现 PE 错误，IC - CPD 会将其判定为电动汽车已断开连接，并保持当前状态或进入 A 状态（具体取决于错误发生时的活跃状态）。在此情况下，CP 信号电平无法达到 C 状态的数值，继电器将保持断开状态，直至 PE 连接恢复。
本文围绕内置控制保护器件 (IC - CPD) 展开，重点介绍了 ADI 公司的 AD - ACEVSECRDSET - SL 参考设计。该参考设计是一套完整的 2 型电动汽车供电设备 (EVSE) 3.6 kW 充电电缆解决方案，专为电动汽车充电系统的评估与原型开发而打造。采用 ADE9113 隔离式模数转换器 (ADC) 时，凭借集成的 isoPower 技术及内部隔离特性，可有效减少元件数量。MAX32655 微控制器 (MCU) 集成了蓝牙低功耗 (BLE) 和模数转换 (ADC) 通道，能够轻松实现符合 IEC 61851 - 1 标准的状态机功能。no - OS 框架的应用及开源代码模式，不仅简化了软件开发流程，更为在软件开发中遵循相关 IEC 标准提供了良好起点。文中提供的流程图、调试信息及借助 FEV300 完成的设计验证，有助于更深入地理解和评估整体设计方案。
