精通IC-CPD設計：線纜內建控制與保護元件的軟硬體基本指南
精通IC-CPD設計：線纜內建控制與保護元件的軟硬體基本指南
作者：ADI 嵌入式系統架構師 Radu Etz
摘要
本文聚焦於 Type 2電動車供電設備(EVSE)的設計。建構EVSE時必須遵循的規則可在IEC 61851-1標準中找到，而針對Type 2EVSE的具體規則，則在補充標準IEC 62752中有明確規定。本文所提供的指南以這些標準為依據，並以ADI的全新參考設計為例進行說明。在充電過程中，電動車(EV)與電動車供電設備(EVSE)之間的通訊是透過控制引導(CP)波形來實現的，文中對CP波形及標準中定義的各類狀態進行了闡述。CP波形與所呈現的檢測資訊，共同印證了指南的合理性，有助於更深入理解電動車充電過程，進而使設計工作事半功倍。
引言
電動車(EV)市場正持續並呈指數級成長，預計到2030年時，全球將有約5億輛電動車在道路上行駛。國際能源署的資料印證了此一預測的合理性1；例如，2022年至2023年間，純電動車(BEV)與插電式混合動力汽車(PHEV)的總銷量從1020萬輛增至1380萬輛，增幅達35%。國際能源署預計，2030年全球電動車年銷量將達4070萬輛，2035年更將攀升至5650萬輛。氣候變遷的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驅動力。2,3 隨著電動車數量的可預見成長，市場不僅要因應激增的需求，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，多數私人車輛使用者日均行駛里程僅約30英里，因此較低功率的充電水準已足以滿足日常需求。其中美國的資料來源於Statista5與聯邦公路管理局資料庫6。對於家用電動車充電站而言，新車配備的線纜內建控制與保護元件(IC-CPD)可謂理想之選，此類元件能省去高功率充電設施在安裝與維護環節的巨額成本。有鑑於目前充電解決方案的考量日趨複雜，未來不僅電動車市場會持續繁榮，充電設備市場亦將迎來蓬勃發展的黃金期。
什麼是電動車供電設備(EVSE)？有哪些應用場景？
電動車供電設備(EVSE)是一種能使用戶安全地為插電式混合動力汽車(PHEV)或純電動車(BEV)充電的設備。此類設備依據充電功率等級進行分類。在電動車領域的術語中，「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認證並被廣泛採用。
Mode 2 的標準功能
Mode 2是將電動車連接交流供電網路標準插座的充電方式，其核心在於借助具備控制引導(CP)功能的交流EVSE，並在標準插頭與電動車之間設定人身觸電保護系統[IEC 62752:2017 6.2.2]。
線纜內建控制與保護元件(IC-CPD)的核心功能在於觸電防護。此一功能透過剩餘電流元件(RCD)實現：既可以採用至少為 type A 的剩餘電流元件搭配直流檢測輔助電路，也可直接使用 type B RCD。此一功能非常重要，因為充電器可能用於戶外、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 type 2 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組可能需要增設，也可能可以省略。例如，若透過電流互感器進行電流感測，那麼在與微控制器單元(MCU)連接時，隔離積體電路便可省去；同理，若採用具備焊接檢測功能的繼電器，焊接檢測電路也可不必設定。
ADI的 Type 2 EVSE
圖2為ADIType 2電動車供電設備(EVSE)的框圖，其中包含ADE91133通道隔離式Σ-Δ類比數位轉換器(ADC)，該轉換器用於單相電源輸入的電壓和電流測量，還用於繼電器電壓的測量，以實現焊點接觸檢測。
透過增加6 mA DC/30 mA rms RCD可確保元件安全運行。此外，該元件還具備過壓、欠壓、過流、過熱檢測功能，以及保護接地(PE)檢測和電動車二極體存在性檢測功能。整合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，並透過控制引導(CP)介面與電動車進行通訊。該解決方案還包含編程和檢測介面。元件的藍牙® 5.2介面支援與外部元件的連接。MCU與ADE9113之間透過串列周邊介面(SPI)實現通訊。
EVSE與EV之間實現通訊所需的CP訊號，是透過MAX32655處理器和ADA4523-1低雜訊、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。系統採用一款隔離式交流-直流開關模式電源(SMPS)為電路板提供12 V電壓，同時使用適用於汽車應用的 MAX20457高效雙通道同步降壓轉換器，將電壓降至5 V和3.3 V可為電路板的隔離側供電。採用反相配置的LT8330 可生成CP訊號低側所需的-12 V電壓。
ADT7512位元數位溫度感測器則負責監測元件溫度，並將溫度資料發送至MCU，以實現過熱保護。
該設計配有開源軟體堆疊和參考應用程式，以便基於經過驗證的成熟建置方案進行客製化軟體的開發，且該方案已通過驗證，並且符合相關標準要求。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，適用於採用分流電流感測器的多相電能計量應用。資料和電源隔離基於ADI的iCoupler®技術。該積體電路(IC)具有3個ADC。其中一個通道在分流器用於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於測量電壓，通常採用電阻分壓器來感測電壓。在本應用中，其中一個電壓通道用於感測繼電器觸點是否焊接。
這款ADC內建了isoPower®元件，即一款整合式隔離型直流-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。該元件無需外部直流-直流隔離模組。iCoupler晶片級變壓器技術還可用於隔離ADC第一級與第二級之間的邏輯訊號。因此可提供精巧尺寸、完全隔離的解決方案。該元件可連接ADC輸出、配置和狀態暫存器，可輕鬆與微控制器對接。其可由晶體振盪器或外部時脈訊號提供時脈。
要滿足ADE9113的接腳輸入範圍，需為分壓器電阻和分流電阻選擇適當的阻值。該範圍指的是，當IM接腳和VxM接腳連接至AGND接腳（11號接腳）時，為使ADC產生滿量程響應而必須施加的峰對峰值偽差模電壓。IM接腳和VxM接腳透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於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®簡化模擬，其中：
R_contact為繼電器接觸電阻值（取決於模擬情況，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。/p>
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
| 繼電器狀態 | V1P | V2P | IP |
| 斷開 | 305 mV | 0 mV | 0 mV |
| 閉合 | 305 mV | 305 mV | 10 mV |
電網保護接地存在性測試
在裝置斷電期間，透過圖6所示的電路可感測電網保護接地(PE)的存在性及相線-中性線是否接反。若未偵測到接地，裝置將進入錯誤狀態，且狀態LED指示燈會顯示錯誤訊息。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訊號配合使用。
軟體框架
no-OS是ADI推出的一款軟體框架，專為無作業系統(OS)的系統（即裸機系統）設計。該框架定義了一套通用介面(API)，用於存取典型的裸機週邊裝置，如通用輸入輸出(GPIO)、SPI、I2C、RTC、計時器、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台上完成週邊裝置的初始化與控制操作。目前，該框架支援英特爾(Intel)和賽靈思(Xilinx)的微處理器及系統單晶片(SoC)，同時相容ADI自家的精密微控制器、多款MAX32xx微控制器、意法半導體(STMicroelectronics)的STM32、樹莓派的PICO，以及基於mbedOS的元件。
透過採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體上的ADI評估板提供參考專案。得益於no-OS構建系統，使用者可以在短時間內生成獨立的參考專案，並以此為基礎開展自主開發工作。
no-OS屬於開源軟體，其官方代碼託管在GitHub的no-OS儲存庫。用戶只需遵守相關授權合約，即可自由使用和分發no-OS。韌體中使用的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標準規範。
韌體透過三個列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列舉類型涵蓋了所有可能觸發的事件，這些事件用於狀態邏輯的實現。interface_err_status_e列舉類型則可用於錯誤解析。
測試結果
測試是透過Fluke FEV300電動車充電站轉接器與不同負載（見圖8）完成的，也可採用 Type 2 纜線連接器，配合相同負載或直接連接電動車進行測試。
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中的測試台進行的兩項測量所得到的波形。
圖9呈現了從上電（電動車連接斷開，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訊號波形上已做標註。
圖9與圖10的區別在於：在C狀態期間（電動車充電過程中），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11中的訊息對應圖9所示的場景，即從上電、充電到電動車斷開連接的完整充電過程。
偵測訊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。
CP錯誤
當發生CP錯誤時，IC-CPD會斷開繼電器，並透過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會將其判定為電動車已斷開連接，並保持當前狀態或進入A狀態（具體取決於錯誤發生時的活躍狀態）。在此情況下，CP訊號位準無法達到C狀態的數值，而繼電器則將保持斷開狀態，直至PE連接恢復為止。
結語
本文圍繞內建控制保護元件(IC-CPD)展開，重點介紹了ADI的AD-ACEVSECRDSET-SL參考設計。該參考設計是一套完整的 Type 2 電動車供電設備(EVSE) 3.6 kW充電電纜解決方案，專為電動車充電系統的評估與原型開發而打造。採用ADE9113隔離式類比數位轉換器(ADC)時，憑藉整合的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)整合了藍牙低功耗(BLE)和類比數位轉換(ADC)通道，能夠輕鬆實現符合IEC 61851-1標準的狀態機功能。no-OS框架的應用及開放原始碼模式，不僅簡化了軟體發展流程，更為在軟體發展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、偵測資訊及借助FEV300完成的設計驗證，將能有助於更深入地理解和評估整體設計方案。
如需瞭解該參考設計的更多資訊，請瀏覽：
- AD-ACEVSECRDSET-SL使用者指南
- AD-ACEVSECRDSET-SL 硬體使用者指南
- AD-ACEVSECRDSET-SL軟體使用者指南
參考文獻
1Global EV Data Explorer，國際能源署。
2Fayez Alanazi，“Electric Vehicles: Benefits, Challenges, and Potential Solutions for Widespread Adaptation”，Applied Sciences，第13卷，2023年。
3 Luis Sarmiento、Nicole Wägner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。
6National Household Travel Survey，美國交通部聯邦公路管理局。
ADI Type2 EVSE，GitHub。
no-OS API ，ADI。
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。