Microchip Technology Inc.
電動出行業(yè)務部高級細分市場經理
Wayne Liang
為了推動電動汽車（EV）的廣泛普及，充電基礎設施中人機界面（HMI）觸摸顯示屏的應用逐漸受到關注。汽車制造商不斷豐富旗下電動汽車車型，這也意味著需要為客戶提供更多易于使用的充電樁。目前常用的充電樁類型包括一級、二級和直流快充，具體取決于其尺寸和容量。然而，盡管充電基礎設施不斷擴展，充電過程對用戶來說仍不夠直觀，因此HMI顯示屏的應用在提升充電樁的可用性和用戶接受度方面發(fā)揮了重要作用。
充電樁等級
一級充電設備通過使用120V或240V電壓為車輛充電，電流最高可達15A。由于電壓和電流較低，一級充電樁為電動汽車電池充電所需時間最長。用戶通�？梢栽�8小時的充電時間內獲得約40英里的續(xù)航。雖然充電速度較慢，但其優(yōu)勢在于體積小巧，可以方便地插入家庭電源插座，而且大多數電動汽車制造商都會隨車提供便攜式一級充電器。
另一方面，二級充電樁通過240V電壓進行充電，工作電流大大提高，可達32A至80A。二級充電樁的輸出功率足以讓電動汽車電池在一夜之間充滿至100%。這類充電樁體積相對較大，多用于室內或辦公場所的停車位。直流快充（DC Fast Charger）或稱三級充電樁，則通過繞過電動汽車的車載充電器（OBC），直接為電池充電。這使得輸出電壓可達到400V至800V，大幅提升充電速度并顯著縮短充電時間。
無論容量和體積如何，這些充電樁在設計中加入人機界面（HMI）都能帶來益處。
充電樁與人機界面（HMI）應用場景
電動汽車充電樁被安裝在各種場所，從家庭車庫（一級/二級）到支持更高充電電流的商業(yè)和公共充電站（二級/三級）均有覆蓋。然而，全球范圍內用戶對充電體驗的滿意度卻呈下降趨勢。除了充電樁的可用性之外，易用性和可靠性也日益成為公眾關注的焦點，全球范圍內多次出現充電失敗的報道。HMI觸摸顯示屏被視為解決部分問題的有前景的方案。
HMI技術的主要優(yōu)勢
• 快速便捷的訪問：典型的充電樁服務商通常要求用戶通過手機上的專屬應用程序來使用充電樁。作為替代方案，用戶還可以通過射頻識別（RFID）會員卡來訪問充電樁。有報告顯示，如果充電樁配備觸控顯示屏，用戶更傾向于直接使用觸屏，而不是下載應用程序。普通用戶平均需要攜帶五張RFID卡或在手機上安裝多達10個應用。觸控顯示屏的可用性（尤其是在手機信號不佳的偏遠地區(qū)）為用戶提供了更高的信心，也讓充電過程的啟動更加快捷。
• 用戶交互：通過HMI顯示屏，充電樁服務商可以與用戶進行雙向交流。他們可以播放充電樁使用的操作視頻，指導用戶選擇合適的電纜或適配器，按照正確的步驟進行操作，以及如何開始和結束充電。這對于新手和老年用戶尤為有幫助。此外，充電失敗或充電過程出現故障時，HMI顯示屏可以向用戶報告具體原因，例如電纜松動或插錯、充電步驟錯誤、賬戶余額不足或充電樁內部故障等。
• 支付方式：HMI顯示屏允許用戶通過熟悉的觸控界面使用信用卡或條形碼等方式進行支付。充電完成后，系統會提示用戶按下“停止充電”按鈕并點擊“發(fā)起支付”。對于信用卡支付，用戶還可以在屏幕上輸入PIN碼以完成支付。
• 電價透明：通過HMI顯示屏，充電網絡運營商可以根據不同情況（如訪客、會員或高級會員）展示使用價格。許多國家都要求各公司在其充電網絡上向用戶透明展示具體的收費標準。
• 語言選擇：不同語言背景的用戶可以通過觸控顯示屏選擇自己偏好的語言，從而使用同一個充電樁。這也使充電樁運營商能夠更方便地覆蓋更廣泛的用戶群體。
• 信息門戶：充電狀態(tài)及各種車輛數據可以在屏幕上顯示。充電樁可以引導用戶開始或停止充電，并告知電池和車輛的健康狀況。
• 收入來源：可以在屏幕上展示廣告，從而獲得收益。
充電樁顯示屏
電動汽車充電站的顯示屏類型差異很大，有些充電樁沒有顯示屏，而有些則配備了小型或大型觸控顯示屏。顯示屏的不一致性可能會對用戶體驗產生負面影響。
一些新型充電樁配備了更大的顯示屏，能夠為用戶提供清晰的充電信息，并提供廣告位，類似于加油站常見的廣告展示。
由于大多數電動汽車充電樁都安裝在戶外，顯示屏必須能夠在極端天氣條件下正常工作，包括強風、沙塵暴、雨雪等。除了要應對惡劣環(huán)境，充電樁的顯示屏還需具備足夠的靈敏度以識別用戶操作。例如，觸控顯示屏需要能夠在低溫、潮濕或用戶佩戴手套的情況下準確識別輸入。
顯示屏特性
薄膜晶體管技術（TFT LCD）被廣泛應用于許多電動汽車充電站的顯示屏。在為充電站選擇顯示屏時，工程師應優(yōu)先考慮通過UL-F1認證的外殼，以及按照UL 746C標準專為戶外使用設計的顯示屏。符合UL 746C標準的產品經過了紫外線照射測試，測試方式包括使用雙封閉式碳弧耐候儀進行720小時測試，或使用氙弧耐候儀進行1000小時測試。
產品需經過浸水測試，即將被測設備在70°C的水中浸泡七天。顯示屏的可讀性也是一個重要考量因素，因為在陽光充足的環(huán)境下，顯示內容可能難以辨認。因此，顯示屏應具備足夠的亮度，以確保在各種光照條件下都能清晰可讀。
顯示屏還需考慮IP等級和IK等級。IP等級表示設備對水和灰塵侵入的防護能力，而IK等級則反映產品對沖擊的耐受能力。
電動汽車充電樁的人機界面（HMI）要求
電動汽車充電樁的人機界面（HMI）不僅僅是一個硬件面板，更是用戶與充電系統之間的關鍵交互層。直觀且堅固的HMI能夠幫助用戶快速、自信且準確地完成充電操作。此外，公共充電樁還必須具備出色的耐用性和抗沖擊能力，因為這些設備常常會因人為破壞、意外碰撞或惡意篡改而遭受粗暴對待。以下是一些關鍵的設計考量。
公共電動汽車充電樁必須非常耐用。例如，采用強化的大猩猩玻璃（Gorilla Glass）可以有效抵御強烈沖擊，同時減少維護的頻率。前面板采用加固設計，并配有牢固的安裝點，這樣即使受到外力，也能防止內部損壞，確保設備長期穩(wěn)定運行。
戶外充電樁的觸摸屏性能同樣至關重要，尤其是在惡劣環(huán)境下。顯示屏必須能夠應對雨水、高濕度或頻繁使用水和各種清潔劑清洗帶來的濕氣。防誤觸算法和專用傳感器有助于在屏幕表面潮濕時依然保持正常操作。元器件還需具備耐高溫和耐低溫能力，以防止出現開裂或變形等問題。對于多霧或沿海地區(qū)，良好的密封外殼對于防止冷凝水的產生也非常重要。
厚蓋板玻璃和屏幕上的水分對觸摸芯片提出了特殊要求。強烈的陽光和紫外線照射會降低屏幕性能和觸摸傳感器的靈敏度，因此在屏幕上添加紫外線過濾涂層非常有幫助。為了提升可讀性，常常會采用防反射涂層；而防指紋涂層則有助于保持屏幕清潔，這些都是行業(yè)內常見的處理方式。此外，用戶佩戴手套時也需要流暢的觸摸體驗。在電容式觸摸技術中，這些因素都會被視為人手與觸摸傳感器之間的額外層。優(yōu)秀的IC控制器必須能夠在這些層的影響下，依然準確檢測到來自手指的微弱信號。
公共充電樁暴露在灰塵、污染和涂鴉環(huán)境下，維護和清潔是不可避免的。表面必須能夠承受各種導電化學品的頻繁清洗，而不會被腐蝕或變色。觸控芯片還需能夠區(qū)分屏幕上導電化學液體的影響。精心設計的面板或采用玻璃與LCD之間留有空氣間隙的模塊化屏幕，可以在需要時快速更換，從而減少停機時間。觸摸芯片還需具備足夠的靈敏度，以適應顯示屏結構中絕緣空氣層的存在。
最后，軟件和固件同樣非常重要。通過空中（OTA）升級，可以遠程更新HMI功能、安全補丁或支付方式，無需現場維護，大大提升了運維效率。清晰的錯誤提示信息能夠幫助用戶快速定位和解決問題，同時也便于遠程技術支持。對于那些支持用戶個性化或會員積分等高級功能的系統，更需要注重安全性和操作的簡便性，確保用戶體驗和數據安全。
EMC與EMI考量
在處理電氣設備時，必須始終考慮EMC和EMI標準及其性能。電動汽車充電站包含高電壓和大量開關電源電路，會產生高噪聲和強磁場，可能干擾周圍電路，導致意外和異常的行為。
符合EMI/EMC標準的電動汽車充電站意味著充電樁具備對靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）/脈沖干擾以及射頻/電磁場的抗擾能力。
連接
連接方式是電動汽車充電站的重要功能。為了處理支付或查詢充電站的可用信息，充電樁必須能夠進行信息傳遞。出于可擴展性的考慮，無線連接通常是首選方案。
隨著充電站數量的增加，為數十甚至數百個充電站鋪設電纜會變得非常昂貴。無線連接不僅可以讓新站點快速部署，還能免去布線和維護電纜的麻煩。
物聯網（IoT）模塊正逐漸成為一種可行的選擇。目前的IoT模塊易于獲取，并且能夠在較遠距離內穩(wěn)定工作。這些模塊可以讓充電站將計量用量、用戶信息和賬單數據傳輸到云端，同時還具備完善的安全性和加密功能。
總體來看，電動汽車充電基礎設施在元器件選擇上需要充分考慮多方面因素。充電樁必須操作簡便、界面直觀，能夠為用戶提供豐富的信息和反饋，并且實現可靠且安全的信息傳遞。增加HMI觸摸顯示屏已被證明能夠簡化充電樁的使用流程，提升用戶接受度。此外，這些人機界面還必須具備耐用性，能夠在極端天氣條件下可靠運行，并符合各類EMC和EMI標準的設計要求。
Microchip為電動汽車充電樁提供先進的人機界面（HMI）解決方案，包括maXTouch®觸摸芯片，可在惡劣環(huán)境下的堅固屏幕上實現流暢的觸摸體驗，以及具備高級圖形和連接功能的SAMA7D65 MPU系列，幫助開發(fā)者輕松將圖形界面集成到系統中。這些解決方案能夠與充電系統無縫集成，提供強大且直觀的控制，是現代電動汽車基礎設施不可或缺的關鍵技術。 |
