线缆内置控制与保护装置（IC‑CPD）的电动汽车供电设备（EVSE）软硬件设计指南

随着全球电动汽车市场份额持续扩大，车辆与市电电网之间的低成本连接必须兼顾安全性与高效性。

电动汽车（EV）市场正呈指数级持续增长，预计到 2030 年全球上路电动汽车数量将达到5 亿辆。从国际能源署（IEA）提供的数据来看，这一数字是合理的：2022–2023 年全球纯电动汽车（BEV）与插电式混合动力汽车（PHEV）总销量增长35%（从 1020 万辆增至 1380 万辆）。IEA 预测，2030 年全球年销量将达到4070 万辆，2035 年达到5650 万辆。

气候变化与人口密集区空气污染是推动高效、零尾气排放交通方式发展的主要动力。在电动汽车数量可预见的增长背景下，市场需要满足相关需求，并提供兼顾经济性、安全性与环境影响的最高效充电解决方案。

多数私人用户日均行驶里程仅约 30 英里，因此低功率充电已足够满足需求。对于家用电动汽车充电站，新车标配的 ** 线缆内置控制与保护装置（IC‑CPD）** 是实用方案，可省去大功率充电桩安装与维护的高昂成本。在当前充电方案日趋复杂的背景下，未来不仅电动汽车市场会增长，充电设备市场同样会扩张。

什么是电动汽车供电设备（EVSE）？应用在何处？

EVSE 是允许用户安全为 PHEV 或 BEV 充电的装置。EVSE 按充电功率等级分类，电动汽车术语中的 “充电等级” 指充电系统的配电类型、标准与最大功率定义，遵循 SAE J1772 标准，并被国际采纳为 IEC 62196‑1。

模式 2（Mode 2）标准功能

模式 2 是将电动汽车连接到交流电网标准插座的方式。该方式使用具备 CP 功能的交流 EVSE，并在标准插头与电动汽车之间配备人员防触电保护系统（IEC 62752:2017 6.2.2）。

IC‑CPD 最重要的功能是防触电保护，通常通过至少 A 型剩余电流装置（RCD）+ 直流检测辅助电路，或直接使用 B 型 RCD 实现。

该功能至关重要，因为充电器可能在户外、公共场所、有水接触风险的环境中使用。保护接地（PE）必须有效，故障发生时必须立即切断供电。

图 1 为 2 型 IC‑CPD 的通用框图。基于该框图可实现 IEC 61851‑1 标准规定的全部强制功能，可根据方案增删模块。

亚德诺（ADI）2 型 EVSE 方案

亚德诺 2 型 EVSE 方案框图（图 2）包含 ADE9113 三通道隔离 Σ‑Δ ADC。该 ADC 测量单相电源输入的电压、电流，以及用于检测继电器触点粘连的继电器电压。

系统安全运行由 6 mA DC / 30 mA RMS RCD 保障，同时支持过压、欠压、过流、过温、保护接地（PE）检测、电动汽车二极管存在检测等功能。

集成式隔离设计简化了与 MCU 的连接。MAX32655 超低功耗 Arm Cortex‑M4 处理器实现系统控制逻辑，并通过 CP 接口与电动汽车通信。方案支持编程调试接口，内置 Bluetooth 5.2 可连接外部设备，MCU 与 ADE9113 通过 SPI 通信。

实现 EVSE 与电动汽车通信所需的 CP 信号由 MAX32655 与 ADA4523‑1 零漂移低噪声运放生成。

系统由单相 230 V 交流供电，隔离式 AC‑DC 开关电源（SMPS）输出 12 V，MAX20457 高效双路同步降压转换器将电压降至 5 V 和 3.3 V，为板载隔离侧供电。反相配置的 LT8330 生成 CP 信号低端所需的‑12 V 电压。

ADT75 12 位数字温度传感器监测设备温度并上报 MCU，实现过热保护。

该设计配套开源软件栈与参考应用，支持基于已验证、符合标准的实现进行定制化软件开发，系统设计满足 IEC 61851 与 IEC 62752 标准。

隔离 ADC（ADE9113）

ADE9113 是用于多相电能计量的三通道隔离 Σ‑Δ ADC，支持分流器电流采样。数据与电源隔离基于 ADI iCoupler 数字隔离技术。芯片内置三个 ADC：

• 一路专用于测量分流电阻电压

• 最多两路用于测量电压（通常通过电阻分压）

本应用中，一路电压通道用于检测继电器触点粘连。

该 ADC 集成 isoPower 片内隔离 DC‑DC，为 ADC 前端提供稳压电源，无需外置隔离电源模块。iCoupler 芯片级变压器技术隔离逻辑信号，实现小体积全隔离方案，方便与单片机对接。

图5 对应图 3，继电器触点闭合时的电压与电流通道数值

电网保护接地（PE）存在检测

设备上电期间通过专用电路检测保护接地是否存在与火零是否接反。若无接地，设备进入故障状态并通过状态 LED 提示；若需检测火零接反，可结合光耦输出与 PE_ERR 信号实现。

软件框架（no‑OS）

no‑OS是亚德诺为裸机系统开发的软件框架，为 GPIO、SPI、I²C、RTC、定时器、中断等外设提供统一 API 接口，可跨单片机平台使用。

目前支持 Intel、Xilinx、ADI 自有 MCU、MAX326xx、STM32、树莓派 Pico 及 mbedOS 设备。用户可快速生成独立参考工程，作为自研开发起点。no‑OS 为开源软件，代码托管于 GitHub。

固件中主要驱动包括：

• MAX32655 单片机

• ADE9113 隔离三通道 Σ‑Δ ADC

• ADT75 温度监测系统

状态机

IC‑CPD 功能由状态机实现（图 7），严格遵循 IEC 61851‑1 规范。

图7 

固件使用三个枚举实现逻辑：

1. charger_state_e：充电状态

2. state_machine_events_e：状态机事件

3. interface_err_status_e：错误状态

测试结果

测试使用 Fluke FEV300 电动汽车充电适配器与不同负载，或通过 2 型线缆连接负载 / 实车进行。

图8

正常工作与 RCD 故障检测

• 图 9：正常充电流程状态机完整波形

• 图 10：充电状态 C 中触发      AC RCD 故障，IC‑CPD 断开继电器并上报错误

CP 错误

CP 信号异常时，IC‑CPD 断开继电器并通过 LED 指示 CP 错误。

保护接地（PE）错误

• 状态 C 中出现 PE 丢失：立即断开继电器并报错

• 状态 A/B 中出现 PE 错误：视为车辆未连接，保持 / 进入状态 A，直到 PE恢复

结论

本文围绕 IC‑CPD 展开，介绍了亚德诺 AD‑ACEVSECRDSET‑SL 参考设计 —— 一套完整的 2 型、3.6 kW EVSE 充电线缆方案，适用于电动汽车充电系统评估与原型开发。

通过使用 ADE9113 隔离 ADC（集成 isoPower 与内部隔离）减少了器件数量；搭载 MAX32655 MCU（集成 BLE 与 ADC）可轻松实现 IEC 61851‑1 规定的状态机；no‑OS 框架与开源代码大幅简化软件开发，为遵循相关 IEC 标准的项目提供了理想起点。