Slik kan fleksible ladesystemer for elbiler implementeres på en rask og effektiv måte

Trenden mot e-mobilitet er avhengig av forventet tilgjengelighet av en ladeinfrastruktur for elektriske kjøretøy (EV) i form av offentlige servicestasjoner, ytterligere utvidet av egnede ladesystemer i brukernes egne hjem og på arbeidsplasser. Selv om de viktigste konstruksjonskravene stort sett forblir konsistente, bringer hver systemtype spesialiserte krav, en komplikasjon som forsterkes ytterligere av regionale forskjeller i faktorer, som spenner fra kommunikasjonsplattformer til samsvarskrav.

Utfordringen for utviklere av ladeinfrastrukturer omfatter derfor å oppfylle disse viktige kravene med tilstrekkelig konstruksjonsfleksibilitet, slik at de oppfyller det bredest mulige omfanget av sluttbruk-krav og regionale krav, samtidig som kostnadene og tiden det tar å få produktet ut på markedet balanseres.

Denne artikkelen beskriver de varierte konstruksjonskravene til offentlige ladestasjoner. Deretter introduseres en fleksibel løsningsplattform fra NXP Semiconductors som kan brukes til å lansere konstruksjoner som er i stand til å oppfylle disse kravene.

Oppfylle ulike konstruksjonsutfordringer

Innsats for å akselerere overgangen til elbiler krever god tilgjengelig av effektivt elektrisk kjøretøyforsyningsutstyr (EVSE – electric vehicle sourcing equipment), mer kjent som ladesystemer for elbiler. Behov for lokal kjøring krever kun de integrerte AC-DC-laderne som er innebygd i kjøretøyene for lading hjemme eller på kontoret, men disse ladesystemene er ikke i stand til å lindre rekkeviddeangsten som er forbundet med elbiler, noe som begrenser elbilens adopsjon. E-mobilitet over lange avstander avhenger av tilgjengeligheten av offentlige DC-ladesystemer for elbiler som er i stand til å lade et elektrisk kjøretøy mye raskere enn de innebygde AC-DC-laderne. Samtidig må disse forskjellige ladesystemene for elbiler være i samsvar med en rekke standarder og forskrifter for trygghet, sikkerhet og personvern.

For utviklere som lager ladesystemløsninger for elbiler, byr behovet om å levere effektive løsninger for hvert spesifikke brukstilfelle på både enorme muligheter og betydelige tekniske utfordringer. Noen av utfordringene for utviklere innebærer å levere et bredt spekter av funksjoner i en rekke konstruksjoner som er i stand til å levere nødvendig ytelse og effektivitet, samtidig som de oppfyller de bestemte kravene for hver enkelt konstruksjonen. For å kunne dekke dette behovet er det nødvendig å tilpasse den grunnleggende arkitekturen som er grunnlaget i alle elbil-ladesystemer.

Tilpassing av den grunnleggende ladesystemarkitekturen for elbiler

Uavhengig av deres spesifikke målkonstruksjon, består ladesystemer for elbiler av to hoveddelsystemer – en strømforsyning i front (front-end) og en back-end strømstyringsenhet som er atskilt av en isolasjonsgrense (figur 1).

Figur 1: Den grunnleggende arkitekturen for elbil-ladesystemer omfatter separate delsystemer for stikkontaktens tilkobling og styringen som er atskilt av en isolasjonsgrense. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

På fronten som vender mot kjøretøyet og energikilden, styrer delsystemet for strømkontaktkoblingen strømforsyningen til kjøretøyet. På den andre siden av isolasjonsbarrieren håndterer styringsdelsystemet sikkerhet, kommunikasjon og andre funksjoner på høyt nivå. Gjennomføringen av disse delsystemene avhenger vanligvis av noen få grunnsteiner for å møte spesifikke krav til metrologi, styring, funksjonssikkerhet, sikkerhet og kommunikasjon knyttet til hver enkelt konstruksjon.

Hver byggestein bidrar med viktig funksjonalitet for den generelle elbil-ladesystemkonstruksjonen. Metrologienheten må sikre trygg energioverføring samt nøyaktig, manipuleringssikker energimåling for betalingsformål. Styringsenheten sikrer pålitelig utførelse av de ulike protokollene som kreves for nedstrøms energioverføring og oppstrøms dataoverføring, og den bygger på funksjonelle sikkerhetsegenskaper, samtidig som den støtter lokale og regionspesifikke krav til sikre betalings- og kommunikasjonsprotokoller som brukes til å kommunisere med skybaserte ressurser.

Tidligere trengte utviklere å tilpasse den grunnleggende elbil-ladearkitekturen til sine egne krav ved å implementere alle nødvendige byggesteiner, vanligvis ved hjelp av tilpassede konstruksjoner som innlemmer et bredt spekter av enheter for generell bruk. NXP sin familie av løsninger for elbil-lading tilbyr et effektivt alternativ som gjør det mulig for utviklere å kombinere standard byggeklosser, slik at de raskt kan lage konstruksjoner for elbil-lading for et bredt spekter av målbruksområder.

Implementere elbil-ladesystemets front-end

NXP sine løsninger for lading av elbiler dreier seg om en rekke prosessorfamilier som er konstruert spesielt for å levere ytelsen og funksjonaliteten som kreves i krevende konstruksjoner, for eksempel ladesystemer for elbiler. NXP sine mikrokontrollere (MCU-er) i Kinetis KM3x-serien er én av disse prosessorfamiliene, og de er spesialkonstruert for å gi sertifiserbar nøyaktig strømforsyningsmåling. Kinetis KM3x-mikrokontrollere er basert på en Arm® 32-biters Cortex® M0+-kjerne, og de integrerer et omfattende sett med blokkoblinger for måling, sikkerhet, kommunikasjon og systemstøtte, sammen med integrert flashminne og SRAM-minne (static random access memory) (figur 2).

Figur 2: Kinetis KM3x-serien integrerer et komplett sett med blokkoblinger som er nødvendig for å implementere en sertifiserbar nøyaktig strømforsyningsmåling. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

For å forenkle implementeringen av metrologi, integrerer målefronten til KM35x-mikrokontrolleren en svært nøyaktig sigma-delta A-D-omformer (ADC), flere suksessive approksimasjonsregister (SAR)-A-D-omformere, opptil fire programmerbare forsterkere (PGA – programmable gain amplifiers), en høyhastighets analog komparator (HSCMP – high-speed analog comparator), en logikkblokk for fasekompensering og en høypresisjons intern spenningsreferanse (VREF) med lavt temperaturavvik. For å beskytte integriteten til metrologienheten, støtter den integrerte sikkerhetsfunksjonaliteten både aktiv og passiv manipulasjonsdeteksjon med tidsstempling. Disse integrerte blokkene brukes i kombinasjon med eksterne sensorer, reléer og annet periferiutstyr, og leverer all funksjonaliteten som trengs for å raskt implementere et sofistikert metrologidelsystem for strømuttaket til et elbil-ladesystem (figur 3).

Figur 3: Med en Kinetis KM-mikrokontroller trenger utviklere kun noen få ekstra eksterne komponenter for å implementere et delsystem for elbil-strømuttak. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

Implementering av styringer for elbil-ladesystemer

Som nevnt ovenfor, orkestrerer en elbil-ladesystemstyring det brede spekteret av funksjonelle egenskaper som trengs i hvert system. Kravene til dette delsystemet dikterer bruken av en prosessor som er i stand til å levere både sanntidsytelsen som er nødvendig for å sikre nøyaktig styring av ladesystemet, samt prosesseringsgjennomstrømningen som er nødvendig for å støtte ulike protokoller, samtidig som størrelsen til konstruksjonen og kostnadene minimeres.

NXP sin i.MX RT-serie av crossover-prosessorer er basert på Arm Cortex-M7-kjernen, og de leverer sanntidsegenskapene til integrerte mikrokontrollere med ytelse på bruksprosessornivå. Med en driftsfrekvens på 600 megahertz (MHz) og et komplett utvalg av periferiutstyr, er i.MX RT-prosessorer som i.MX RT1064 i stand til å imøtekomme etterspørselen etter sanntidsrespons med lav latenstid. Samtidig vil egenskaper som et stort integrert minne, en ekstern minnestyring, et grafikkdelsystem og flere tilkoblingsgrensesnitt møte konstruksjonskravene (figur 4).

Figur 4: i.MX RT1064-crossover-prosessoren kombinerer periferiutstyr og minne med et Arm Cortex-M7-prosessor-delsystem som er konstruert for å levere både sanntidskjøring og ytelse på bruksprosessornivå. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

I tillegg til å oppfylle kritiske sanntids- og ytelseskrav, må ladesystemet for elbiler sørge for sikkerhet på flere fronter, deriblant manipulasjonsdeteksjon og autentisering av strømtilkoblinger og betalingsmåter. For datavern, sikker oppstart og sikker feilsøking, kan utviklere dra nytte av i.MX RT-prosessorens integrerte sikkerhetsfunksjoner, som omfatter oppstart med høy sikkerhet, maskinvarekryptering, busskryptering, sikker ikke-flyktig lagring og en sikker JTAG-styring (JTAG – Joint Test Action Group).

For å ytterligere forsterke sikkerheten i en styring for elbil-ladesystemer, suppleres vanligvis en konstruksjon i.MX RT-prosessorens sikkerhetsfunksjoner ved å inkludere et NXP EdgeLock SE050 Secure Element. SE050 er utviklet for å gi ende-til-ende-sikkerhet, og gir maskinvarebaserte sikkerhetsakseleratorer for en rekke populære kryptografialgoritmer, TPM-funksjonalitet (TPM – trusted platform module), sikre busstransaksjoner og sikker lagring. Ved å bruke denne enheten til å gi en RoT (root of trust) for eksekveringsmiljøet, kan utviklere sikre kritiske operasjoner, blant annet autentisering, sikker onboarding, integritetsbeskyttelse og attestering.

Ved hjelp av en i.MX RT-prosessor og EdgeLock SE05x-enhet, trenger utviklere bare noen få ekstra komponenter for å implementere et styringsdelsystem som er konstruert for å kjøre et RTOS (real-time operating system) med høy ytelse (figur 5).

Figur 5: Med de integrerte egenskapene og ytelsesmulighetene til i.MX RT-mikrokontrollerne forenkles konstruksjonen av kontrolldelsystemer for elbil-ladesystemer. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

Fleksible løsninger for ulike elbil-ladesystemer

Ved å kombinere delsystemene for henholdsvis strøm og styring nevnt ovenfor med valgfrie blokker for betalings- og kommunikasjonsalternativer, kan utviklere raskt implementere et enfaset elbil-ladesystem som kan forsyne opptil 7 kilowatt (kW) (figur 6).

Figur 6: Når en KM3-mikrokontroller brukes i kombinasjon med en i.MX RT-crossover-prosessor, er resultatet et effektivt maskinvarefundament for elbil-ladesystemer. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

Med relativt beskjedne modifikasjoner av den analoge fronten (front-end), kan den samme konstruksjonen utvides til å levere et trefaset elbil-ladesystem som kan forsyne opptil 22 kW (figur 7).

Figur 7: Utviklere kan raskt tilpasse en konstruksjon basert på en KM3-mikrokontroller og i.MX RT-crossover-prosessor for å kunne støtte en rekke konstruksjoner. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

Selv om denne kombinasjonen av KM3x- og i.MX RT-enheter vil være egnet for mange bruksområder, kan det hende andre elbil-ladesystemer vil kreve at utviklere optimaliserer andre fasetter av konstruksjonene sine. For eksempel vil ladere i boliger som er ment å levere raskere ladetider enn det som er mulig med integrerte ladere, kreve løsninger som optimaliserer kostnader og størrelse. For disse konstruksjonene kan utviklere implementere en grunnleggende styring som er mer prisgunstig ved å bruke en kostnadseffektiv mikrokontroller, for eksempel NXP LPC55S69.

Kommersielle EVSE-ladere som er beregnet for offentlige servicestasjoner bringer derimot med seg strengere krav med hensyn til høyhastighets prosessering av flere typer arbeidsbelastninger samtidig og sanntidsytelse. Disse er nødvendige for å oppnå sikker styring av batterilagringssystemer som driftes på nivåer på mellom 400 og 1000 volt og forsyner ladenivåer på 350 kW eller mer. Her er muligheten til å kjøre programvare på både applikasjonsnivå og i sanntid avgjørende for ytelse og funksjonalitet. For disse systemene kan bruken av en prosessor, for eksempel NXP i.MX 8M-prosessoren, gjøre det enklere for utviklere å implementere ladeløsninger som er i stand til å gi både Linux-basert applikasjonsbehandling og RTOS-aktivert sanntidsytelse som trengs i disse komplekse konstruksjonene (figur 8).

Figur 8: For mer komplekse bruksområder som ultrarask lading av elbiler, kan utviklere utvide den grunnleggende elbil-ladingen ved å bruke kraftige prosessorer, for eksempel i.MX 8M-prosessorene, for å støtte mer komplekse styringskrav. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

Rask implementering av skytilkoblede elbil-ladesystemer

NXP-prosessorer, som omfatter Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 og i.MX 8M, gir en fleksibel plattform som møter spesifikke krav til ulike elbil-ladesystemer. For mer komplekse bruksområder kan imidlertid forsinkelser i distribusjonen av maskinvarefundamentet medføre betydelige forsinkelser i utviklingen av det endelige elbil-ladesystemet.

For å unngå slike forsinkelser tilbyr NXP en rask vei til utvikling ved å bruke et sett med kort og evalueringssett basert på enhetene som tidligere er diskutert. For eksempel gir NXP TWR-KM34Z75M-modulen en komplett metrologiplattform som kombinerer en Kinetis MKM34Z256VLQ7 metrologi-mikrokontroller med et komplement av støttekomponenter. På samme måte kombinerer NXP sitt i.MX RT1064-evalueringssett en MIMXRT1064DVL6-prosessor med 256 megabit (Mbit) SDRAM, 512 Mbit flash-minne og 64 Mbit quad SPI (QSPI) flashminne på ett enkelt firelagskort, komplett med et omfattende sett koblinger for periferiutstyr, deriblant et Arduino-grensesnitt. I tillegg gir NXP sitt OM-SE050ARD-kort enkel tilgang til EdgeLock SE050, og NXP sitt PNEV5180BM-evalueringskort leverer et front-end NFC-utviklingskort.

Ved å kombinere NXP TWR-KM34Z75M-kortet for metrologi, i.MX RT1064 for styringsfunksjoner og OM-SE050ARD- og PNEV5180B-kortene, kan utviklere raskt implementere en maskinvareplattform med full funksjonalitet når de skal bygge konstruksjoner for elbil-ladesystemer (Figur 9).

Figur 9: Utviklere kan raskt implementere komplette ende-til-ende-løsninger for elbil-lading ved å bruke NXP-kort og -evalueringssett med tilgjengelige skytjenester som Microsoft Azure. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

NXP-løsninger på kortnivå brukes i kombinasjon med Microsoft Azure-skytjenester, og de gjør det mulig for utviklere å raskt lage prototyper på en komplett ende-til-ende-løsning for elbil-ladesystemer, og de kan bruke plattformen som grunnlag når de skal utvikle mer spesialiserte konstruksjoner.

Konklusjon

Tilgjengeligheten av elbil-ladesystemer er en viktig faktor for e-mobilitet, men det å implementere de ulike løsningene som trengs i boliger, kontorer og offentlige servicestasjoner på en kostnadseffektiv måte, er fortsatt en barriere. Ved å bruke en plattform med spesialiserte enheter og kortløsninger fra NXP Semiconductors, kan utviklere raskt implementere konstruksjoner med ytelsen som trengs for å oppfylle hele spekteret av bruksområder for elbil-lading og fleksibiliteten som skal til for å tilpasse seg nye krav.