【導讀】在設計與開發符合國際規範的2型交流充電樁（EVSE）時，工程師不僅需要深入理解IEC 61851-1與IEC 62752等核心標準
，更麵臨著如何高效實現車輛連接
、安全控製與可靠通信的工程挑戰。本文將以ADI（亞德諾半導體）提供的最新參考設計為實踐藍圖，係統闡述充電樁內部線纜控製與保護器件（IC-CPD）的軟硬件設計要點。文章將深入解析電動汽車與充電樁之間進行“對話”的關鍵——控製引導（CP）信號波形及其對應的各種充電狀態
，並結合實測調試信息，為開發者提供一套清晰、實用的設計指南，旨在化繁為簡，助力加速產品合規落地。

摘要

在設計與開發符合國際規範的2型交流充電樁（EVSE）時，工程師不僅需要深入理解IEC 61851-1與IEC 62752等核心標準，更麵臨著如何高效實現車輛連接
、安全控製與可靠通信的工程挑戰。本文將以ADI（亞德諾半導體）提供的最新參考設計為實踐藍圖，係統闡述充電樁內部線纜控製與保護器件（IC-CPD）的軟硬件設計要點。文章將深入解析電動汽車與充電樁之間進行“對話”的關鍵——控製引導（CP）信號波形及其對應的各種充電狀態，並結合實測調試信息
，為開發者提供一套清晰

、實用的設計指南
，旨在化繁為簡，助力加速產品合規落地。

引言

電動汽車(EV)市場正以指數級態勢持續擴張，預計到2030年，道路上的電動汽車保有量將達到約5億輛。國際能源署的數據印證了這一預測的合理性1；例如，2022年至2023年間，純電動汽車(BEV)與插電混動汽車(PHEV)的合計銷量從1020萬輛增至1380萬輛，增幅達35%。國際能源署預計
，2030年全球電動汽車年銷量將達4070萬輛，2035年更將攀升至5650萬輛。氣候變化問題及人口密集居住區的空氣汙染問題
，是推動高效、零尾氣排放交通方式發展的主要動因。2,3 隨著電動汽車數量的可預見增長
，市場不僅要應對激增的需求，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
，多數私家車用戶日均行駛裏程僅約30英裏
，因此較低功率的充電水平已足以滿足日常需求。其中美國的數據來源於Statista5與聯邦公路管理局數據庫6。對於家用電動汽車充電站而言，新車配備的線纜內置控製與保護器件(IC-CPD)可ke謂wei理li想xiang之zhi選xuan
，這zhe類lei器qi件jian能neng省sheng去qu高gao功gong率lv充chong電dian設she施shi在zai安an裝zhuang與yu維wei護hu環huan節jie的de巨ju額e成cheng本ben。鑒jian於yu當dang前qian充chong電dian解jie決jue方fang案an的de考kao量liang日ri趨qu複fu雜za
，未wei來lai不bu僅jin電dian動dong汽qi車che市shi場chang會hui持chi續xu繁fan榮rong
，充chong電dian設she備bei市shi場chang亦yi將jiang迎ying來lai蓬peng勃bo發fa展zhan的de黃huang金jin期qi。

什麼是電動汽車供電設備(EVSE)？有哪些應用場景？

電動汽車供電設備(EVSE)是一種能讓用戶安全地為插電混動汽車(PHEV)或純電動汽車(BEV)充電的設備。這類設備依據充電功率等級進行分類。在電動汽車領域的術語中，“充電等級”指的是SAE J1772標準中定義的充電係統電力分配類型、標準及最大功率，該標準已在國際上通過IEC 62196-1被廣泛采用。

模式2的標準功能

模式2是將電動汽車接入交流供電網絡標準插座的充電方式，其核心在於借助具備控製引導(CP)功能的交流EVSE，並在標準插頭與電動汽車之間設置人身觸電保護係統[IEC 62752:2017 6.2.2]。

線纜內置控製與保護器件(IC-CPD)的核心功能在於觸電防護。這一功能通過剩餘電流器件(RCD)實現：既可以采用至少為A型的剩餘電流器件搭配直流檢測輔助電路
，也可直接使用B型RCD。這一功能至關重要
，因為充電器可能用於戶外
、gonggongquyudengyijiechushuidehuanjing，qiecunzairenyuanwuyihuoyouyichupengdefengxian。zaicileichangjingzhong，baohujiedibixucunzai

，yidanfashengguzhang，gongdianbixulijiqieduan。

圖1展示了2型IC-CPD的通用框圖。依據此框圖衍生設計的電路

，能夠實現IEC 61851-1biaozhunzhongguidingdesuoyouqiangzhixinggongneng。genjujutifangandebutong
，tongyongkuangtuzhongdebufenmokuaikenengxuyaozengshe
，yekenengkeyishenglve。liru，ruotongguodianliuhuganqijinxingdianliujiance
，namezaiyuweikongzhiqidanyuan(MCU)連接時
，隔離集成電路便可省去；同理
，若采用具備焊接檢測功能的繼電器，焊接檢測電路也可不必設置。

圖1.2型EVSE的的通用框圖。

ADI公司的2型EVSE

圖2為ADI公司2型電動汽車供電設備(EVSE)的框圖
，其中包含ADE9113 3通道隔離式Σ-Δ模數轉換器(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。

通過添加6 mA DC/30 mA rms RCD可確保器件安全運行。此外
，該器件還具備過壓、欠壓、過流、過熱檢測功能，以及保護接地(PE)檢測和電動汽車二極管存在性檢測功能。集成的隔離設計使與微控製器(MCU)的連接更為簡便。MAX32655超低功耗Arm® Cortex®-M4處理器負責實現係統控製邏輯，並通過控製引導(CP)接口與電動汽車進行通信。該解決方案還包含編程和調試接口。器件的藍牙® 5.2接口支持與外部器件的連接。MCU與ADE9113之間通過串行外設接口(SPI)實現通信。

圖2.ADI公司2型EVSE解決方案AD-ACEVSECRDSET-SL簡化方框圖。

EVSE與EV之間實現通信所需的CP信號，是通過MAX32655處理器和ADA4523-1低噪聲、零漂移運算放大器生成的。

該係統由單相230 V交流輸入供電。係統采用一款隔離式交流-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，為電路板的隔離側供電。采用反相配置的LT8330可生成CP信號低側所需的-12 V電壓。

ADT75 12位數字溫度傳感器負責監測器件溫度
，並將溫度數據發送至MCU，以實現過熱保護。

該(gai)設(she)計(ji)配(pei)有(you)開(kai)源(yuan)軟(ruan)件(jian)棧(zhan)和(he)參(can)考(kao)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)，以(yi)便(bian)基(ji)於(yu)經(jing)過(guo)驗(yan)證(zheng)的(de)成(cheng)熟(shu)實(shi)施(shi)方(fang)案(an)進(jin)行(xing)定(ding)製(zhi)軟(ruan)件(jian)的(de)開(kai)發(fa)


，且(qie)該(gai)方(fang)案(an)已(yi)通(tong)過(guo)驗(yan)證(zheng)
，符(fu)合(he)相(xiang)關(guan)標(biao)準(zhun)要(yao)求(qiu)。該(gai)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)遵(zun)循(xun)IEC 61851和IEC 62752標準。

隔離式ADC

ADE9113是一款隔離式3通道Σ-Δ ADC
，適用於采用分流電流傳感器的多相電能計量應用。數據和電源隔離基於ADI公司的iCoupler®技術。該集成電路(IC)具有3個ADC。其qi中zhong一yi個ge通tong道dao在zai分fen流liu器qi用yong於yu電dian流liu感gan應ying時shi專zhuan門men用yong來lai測ce量liang該gai分fen流liu器qi的de電dian壓ya。最zui多duo兩liang個ge額e外wai的de通tong道dao專zhuan用yong於yu測ce量liang電dian壓ya，通tong常chang采cai用yong電dian阻zu分fen壓ya器qi來lai檢jian測ce電dian壓ya。在zai本ben應ying用yong中zhong，其qi中zhong一yi個ge電dian壓ya通tong道dao用yong於yu檢jian測ce繼ji電dian器qi觸chu點dian是shi否fou焊han接jie。

這款ADC內置了isoPower®器件，即一款集成式隔離型直流-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。該器件無需外部直流-直流隔離模塊。iCoupler芯片級變壓器技術還用於隔離ADC第一級與第二級之間的邏輯信號。因此可提供小尺寸、完全隔離的解決方案。該器件可連接ADC輸出、配置和狀態寄存器
，可輕鬆與微控製器對接。它可由晶體振蕩器或外部時鍾信號提供時鍾。

要滿足ADE9113的引腳輸入範圍，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引腳和VxM引腳連接至AGND引腳（11號引腳）時，為使ADC產生滿量程響應而必須施加的峰峰值偽差模電壓。IM引腳和VxM引腳通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®簡化仿真，其中：

R_contact為繼電器接觸電阻值（取決於仿真情況，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。

圖3.與ADE9113輸入通道相連的電路的LTspice簡化原理圖。

圖4.對應圖3中繼電器觸點斷開時的電壓和電流通道值。

圖5.對應圖3中繼電器觸點閉合時的電壓和電流通道值。

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

電網保護接地存在性測試

在器件斷電期間

，通過圖6所示的電路

，檢測電網保護接地(PE)的存在性及相線-中性線是否接反。若未檢測到接地
，器件將進入錯誤狀態


，且狀態LED指示燈會顯示錯誤消息。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信號配合使用。

圖6.PE電網存在性檢測電路。

軟件框架

no-OS是ADI公司推出的一款軟件框架，專為無操作係統(OS)的係統（即裸機係統）設計。該框架定義了一套通用接口(API)，用於訪問典型的裸機外設，如通用輸入輸出(GPIO)

、SPI
、I2C、RTC、定時器
、中斷控製器等。借助這套通用API
，開(kai)發(fa)者(zhe)能(neng)夠(gou)以(yi)統(tong)一(yi)的(de)方(fang)式(shi)在(zai)多(duo)個(ge)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)平(ping)台(tai)上(shang)完(wan)成(cheng)外(wai)設(she)的(de)初(chu)始(shi)化(hua)與(yu)控(kong)製(zhi)操(cao)作(zuo)。目(mu)前(qian)
，該(gai)框(kuang)架(jia)支(zhi)持(chi)英(ying)特(te)爾(er)和(he)賽(sai)靈(ling)思(si)的(de)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)及(ji)片(pian)內(nei)係(xi)統(tong)(SoC)
，同時兼容ADI自家的精密微控製器、多款MAX32xx微控製器、意法半導體的STM32、樹莓派的PICO
，以及基於mbedOS的器件。

通過采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件上的ADI評估板提供參考項目。得益於no-OS構建係統

，用戶可以在短時間內生成獨立的參考項目，並以此為基礎開展自主開發工作。

no-OS屬於開源軟件，其官方代碼托管在GitHub的no-OS存儲庫。用戶隻需遵守相關許可協議，即可自由使用和分發no-OS。固件中使用的no-OS主要驅動器涉及MAX32655微控製器、ADE9113隔離式3通道Σ-Δ ADC及ADT75溫度監測係統。

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。

固件通過三個枚舉類型實現邏輯控製：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枚舉類型涵蓋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枚舉類型則用於錯誤解析。

圖7.狀態機。

測試結果

測試是通過Fluke FEV300電動汽車充電站適配器與不同負載（見圖8）完成的
，也可采用2型電纜連接器，配合相同負載或直接連接電動汽車進行測試。

圖8.采用Fluke FEV300的測試設置。

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（電動汽車連接斷開
，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信號波形上已做標注。

圖9與圖10的區別在於：在C狀態期間（電動汽車充電過程中）
，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9.正常工作狀態

，標注有EVSE-EV狀態。

圖10.C狀態（無通風條件下充電）的充電過程中檢測到RCD交流錯誤。

圖11中的消息對應圖9所示的場景，即從上電
、充電到電動汽車斷開連接的完整充電過程。

圖11.通過串行接口接收的完整充電序列調試消息

調試消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。

當發生CP錯誤時
，IC-CPD會斷開繼電器，並通過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會將其判定為電動汽車已斷開連接

，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信號電平無法達到C狀態的數值


，繼電器將保持斷開狀態
，直至PE連接恢複。

結語

本文圍繞內置控製保護器件(IC-CPD)展開

，重點介紹了ADI公司的AD-ACEVSECRDSET-SL參考設計。該參考設計是一套完整的2型電動汽車供電設備(EVSE) 3.6 kW充電電纜解決方案，專為電動汽車充電係統的評估與原型開發而打造。采用ADE9113隔離式模數轉換器(ADC)時，憑借集成的isoPower技術及內部隔離特性
，可有效減少元件數量。MAX32655微控製器(MCU)集成了藍牙低功耗(BLE)和模數轉換(ADC)通道，能夠輕鬆實現符合IEC 61851-1標準的狀態機功能。no-OS框架的應用及開源代碼模式，不僅簡化了軟件開發流程

，更為在軟件開發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、調試信息及借助FEV300完成的設計驗證，有助於更深入地理解和評估整體設計方案。

參考文獻

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2 Fayez Alanazi，“Electric Vehicles:Benefits, Challenges, and Potential Solutions for Widespread Adaptation”，Applied Sciences
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，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。

6 National Household Travel Survey
，美國交通部聯邦公路管理局。

ADI Type2 EVSE，GitHub。

no-OS API，ADI公司。

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公司。

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