Hvordan man hurtigt og effektivt implementerer fleksible EV-ladesystemer

Tendensen til e-mobilitet er afhængig af, at der forventes at være en infrastruktur til opladning af elektriske køretøjer (EV) med offentlige servicestationer, suppleret med passende opladningssystemer i brugernes hjem og på arbejdspladserne. Selv om deres centrale designkrav stort set er ens, stiller hver type system særlige krav, hvilket kompliceres af regionale forskelle i faktorer, der spænder fra kommunikationsplatforme til krav om overholdelse af reglerne.

Udfordringen for designere af infrastrukturer til opladning er derfor at opfylde de centrale krav med tilstrækkelig fleksibilitet i designet til at opfylde den bredest mulige vifte af slutanvendelser og regionale krav, samtidig med at der skal være balance mellem omkostninger og tid til markedsføring.

Denne artikel beskriver de mange forskellige krav til design af offentlige ladestationer. Derefter introduceres en fleksibel løsningsplatform fra NXP Semiconductors, som kan bruges til at lancere designs, der er udstyret til at opfylde disse krav.

Løsning af forskellige designudfordringer

Bestræbelserne på at fremskynde overgangen til elbiler kræver, at der er let adgang til effektivt udstyr til forsyning af elbiler (EVSE), mere almindeligt kendt som EV-ladesystemer. Lokale kørselsbehov kan klare sig med de indbyggede AC/DC-ladere, der er indbygget i køretøjer til opladning i hjemmet eller på kontoret, men disse ladeystemer kan ikke afhjælpe den angst for EV's rækkevidde, som fortsat begrænser udbredelsen af EV'er. Langtrækkende e-mobilitet afhænger af, at der er offentlige DC-ladesystemer til rådighed, som kan oplade et køretøj meget hurtigere end de indbyggede AC/DC-ladere. Samtidig skal disse forskellige EV-ladesystemer overholde en række standarder og regler for sikkerhed, sikring og privatlivets fred.

For udviklere, der skaber løsninger til EV-ladesystemer, er behovet for at levere effektive løsninger til hver enkelt specifik brugssituation både en enorm mulighed og en betydelig teknisk udfordring. Blandt udfordringerne er, at udviklerne skal levere et bredt sæt funktioner i en række forskellige designs, der kan levere den nødvendige ydeevne og effektivitet, samtidig med at de opfylder de specifikke krav til hver enkelt applikation. For at opfylde dette behov er det nødvendigt at tilpasse den grundlæggende arkitektur, der ligger til grund for alle EV-ladesystemer.

Tilpasning af den grundlæggende arkitektur for EV-ladesystemer

Uanset deres specifikke målapplikation består EV-ladesystemer af to store delsystemer, hvilket er en front-end til strømforsyning og en backend-controller til strømstyring, adskilt af en isolationsgrænse (figur 1).

Figur 1: Den grundlæggende arkitektur for EV-ladesystemer omfatter separate sub-systemer til grænsefladen til stikkontakten og controlleren, som er adskilt af en isolationsgrænse. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

I den forreste ende, der vender ud mod køretøjet og energikilden, styrer delsystemet til grænsefladen til stikkontakten strømforsyningen til køretøjet. På den anden side af isolationsbarrieren håndterer delsystemet styringskontrol sikkerhed, kommunikation og andre funktioner på højt niveau. Implementeringen af disse delsystemer afhænger typisk af nogle få grundlæggende byggeblokke for at opfylde specifikke krav til metrologi, kontrol, funktionel sikkerhed, sikkerhed og kommunikation i forbindelse med hver enkelt specifik applikation.

Hver enkelt byggesten bidrager med kritisk funktionalitet til det overordnede design af EV-opladningssystemet. Metrologienheden skal sikre sikker energioverførsel samt nøjagtig, manipulationssikker energimåling med henblik på fakturering. Kontrolenheden sikrer pålidelig udførelse af de forskellige protokoller, der kræves til energioverførsel downstream og dataoverførsel upstream, og bygger på funktionel sikkerhed og funktionel sikkerhed, samtidig med at den understøtter lokale og regioners specifikke krav til sikker betaling og kommunikationsprotokoller, der bruges til at kommunikere med cloud-baserede ressourcer.

Tidligere skulle udviklerne tilpasse det grundlæggende design af opladningsarkitekturen til deres behov ved at implementere hver enkelt nødvendig byggesten, typisk ved hjælp af tilpassede designs med en bred vifte af generelle enheder. NXP's serie af løsninger til opladning af elbiler er et effektivt alternativ, der gør det muligt for udviklere at kombinere standardbyggeklodser til hurtigt at skabe design af EV-ladesystemer til en lang række målapplikationer.

Implementering af EV-ladesystemets front-end

NXP's løsninger til opladning af elbiler er baseret på en række processorfamilier, der er designet specielt til at levere den ydeevne og funktionalitet, der kræves i krævende applikationer som design af EV-ladesystemer. Blandt disse processorfamilier er medlemmer af NXP's mikrocontrollere (MCU'er) i Kinetis KM3x-serien designet specielt til at levere en certificerbar nøjagtig måling af strømforsyningen. Kinetis KM3x MCU'er, der er baseret på en Arm® 32-bit Cortex® M0+-kerne, integrerer et omfattende sæt funktionelle blokke til måling, sikkerhed, kommunikation og systemunderstøttelse sammen med on-chip flash og statisk random access memory (SRAM) (figur 2).

Figur 2: Kinetis KM3x-serien integrerer et komplet sæt funktionelle blokke, der er nødvendige for at implementere en certificerbar nøjagtig måling af strømforsyning. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

For at forenkle implementeringen af metrologi integrerer KM35x MCU-målefrontenden en meget nøjagtig sigma-delta analog-til-digital-konverter (ADC), flere ADC'er med successivt tilnærmelsesregister (SAR), op til fire programmerbare forstærkere (PGA'er), en analog højhastighedskomparator (HSCMP), en logikblok til fasekompensation og en intern spændingsreference (VREF) med høj præcision og lav temperaturdrift. For at beskytte metrologienhedens integritet understøtter on-chip sikkerhedsfunktionaliteten både aktiv og passiv detektion af manipulation med tidsstempling. I kombination med eksterne sensorer, relæer og andre perifere enheder giver disse on-chip-blokke alle de funktioner, der er nødvendige for hurtigt at implementere et sofistikeret metrologisk undersystem til et EV-ladesystem med strømudtag foran en stikkontakt (figur 3).

Figur 3: Med en Kinetis KM MCU behøver udviklere kun få ekstra eksterne komponenter for at implementere et EV-stikdåse subsystem. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Implementering af controlleren for et EV-opladningssystem

Som nævnt ovenfor styrer en styring af EV-ladesystemer de mange forskellige funktionelle funktioner, der er nødvendige i hvert system. Kravene til dette delsystem kræver en processor, der kan levere både den realtidspræstation, der er nødvendig for at sikre præcis styring af opladningssystemet, og den behandlingshastighed, der er nødvendig for at understøtte forskellige protokoller, samtidig med at designaftrykket og omkostningerne minimeres.

NXP's i.MX RT-serie af crossover-processorer, der er baseret på Arm Cortex-M7-kernen, leverer realtids-kapaciteterne fra embedded mikrocontrollere med ydeevne på applikations-processorniveau. Med en driftsfrekvens på 600 megahertz (MHz) og et komplet supplement af perifer udstyr er en i.MX RT-processorer som i.MX RT1064 i stand til at opfylde kravene til realtids-respons med lav responstid. Samtidig opfylder funktioner som en stor on-chip-hukommelse, en ekstern hukommelsescontroller, et grafisk undersystem og flere forbindelsesgrænseflader kravene til applikationer (figur 4).

Figur 4: i.MX RT1064 crossover-processoren kombinerer perifer udstyr og hukommelse med et Arm Cortex-M7-processor subsystem, der er designet til at levere både udførelse i realtid og ydeevne på applikationsprocessor niveau. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Ud over at opfylde kritiske krav til realtid og ydeevne skal design af EV-ladesystemer også sikre sikkerhed på flere fronter, herunder registrering af manipulationer og autentificering af strømforbindelser og betalingsmetoder. Med hensyn til databeskyttelse, sikker opstart og sikker fejlfinding kan udviklere drage fordel af i.MX RT-processorens integrerede sikkerhedsfunktioner, herunder høj sikkerhed ved opstart, hardwarekryptografi, buskryptering, sikker ikke-flygtig lagring og en sikker JTAG-controller (Joint Test Action Group).

For yderligere at skærpe sikkerheden i en controller til et EV-ladesystem vil et design typisk supplere i.MX RT-processorens sikkerhedsfunktioner ved at inkludere et NXP EdgeLock SE050-sikkerhedselement. SE050 er designet til at levere sikkerhed gennem hele livscyklusen og indeholder hardware-baserede sikkerhedsacceleratorer til en række populære kryptografiske algoritmer, TPM-funktionalitet (Trusted Platform Module), sikre bus-transaktioner og sikker lagring. Ved at bruge denne enhed til at levere en root of trust (RoT) for eksekveringsmiljøet kan udviklere sikre kritiske operationer, herunder autentificering, sikker onboarding, integritetsbeskyttelse og attestering.

Ved hjælp af en i.MX RT-processor og EdgeLock SE05x-enhed behøver udviklere kun få ekstra komponenter til at implementere et controllersubsystem, der er designet til at køre et højtydende realtidsoperativsystem (RTOS) (Figur 5).

Figur 5: Med deres integrerede funktionalitet og ydeevne forenkler i.MX RT MCU'er designet af styre subsystemer til EV-ladesystemer. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Fleksible løsninger til forskellige anvendelser af EV-ladesystemer

Ved at kombinere ovenstående subsystemer til strøm og styring med valgfrie blokke til betalings- og kommunikationsmuligheder kan udviklere hurtigt implementere et enfaset EV-ladesystem, der kan levere op til 7 kilowatt (kW) (Figur 6).

Figur 6: En KM3 MCU og en i.MX RT crossover-processor i kombination giver et effektivt hardwaregrundlag for EV-ladesystemer. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Med relativt beskedne ændringer af den analoge front-end kan det samme design udvides til at levere et 3-faset EV-ladesystem, der kan levere op til 22 kW (figur 7).

Figur 7: Udviklere kan hurtigt tilpasse et design baseret på en KM3 MCU og en i.MX RT crossover-processor til at understøtte en række forskellige applikationer. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Selv om denne kombination af KM3x- og i.MX RT-enheder vil passe til mange anvendelsestilfælde, kan andre applikationer EV-ladesystemer kræve, at udviklerne optimerer andre aspekter af deres design. F.eks. vil opladere til husholdninger, der skal levere hurtigere ladetider end det er muligt med opladere om bord, kræve løsninger, der optimerer omkostningerne og fodaftrykket. Til disse applikationer kan udviklere implementere en billigere controller på begynderniveau ved hjælp af en omkostningseffektiv MCU som f.eks. NXP LPC55S69.

I modsætning hertil vil kommercielle EVSE-ladere, der er beregnet til offentlige servicestationer, stille strengere krav til højhastighedsbehandling af applikationer og realtids-præstationerne. Disse er nødvendige for at kunne styre batterilagringssystemer, der fungerer på niveauer fra 400 til 1000 volt og leverer oplade-niveauer på 350 kW eller mere. Her er evnen til at afvikle både software på applikationsniveau og realtidssoftware afgørende for ydeevne og funktionalitet. I disse systemer giver brugen af en processor som NXP i.MX 8M-processoren udviklere mulighed for lettere at implementere løsninger til opladning, der kan levere både Linux-baseret applikationsbehandling og RTOS-aktiveret realtidspræstation, som er nødvendig i disse komplekse designs (Figur 8).

Figur 8: Til mere komplekse applikationer som f.eks. ultrahurtig opladning af elbiler kan udviklere udvide den grundlæggende arkitektur til opladning af elbiler ved hjælp af højtydende processorer som f.eks. i.MX 8M-processorer til at understøtte mere komplekse krav til controllere. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Hurtig implementering af cloud-tilsluttede EV-ladesystemer

NXP-processorer, herunder Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 og i.MX 8M, udgør en fleksibel platform til at opfylde de specifikke krav til forskellige applikationer til EV-ladesystemer. For mere komplekse applikationer kan forsinkelser i forbindelse med implementeringen af hardwaregrundlaget imidlertid medføre betydelige forsinkelser i udviklingen af den samlede applikation til EV-ladesystemer.

For at undgå sådanne forsinkelser tilbyder NXP en hurtig vej til udvikling ved hjælp af et sæt kort og evalueringskit baseret på de enheder, der tidligere er blevet diskuteret. For eksempel giver NXP TWR-KM34Z75M-modulet en komplet metrologi platform, der kombinerer en Kinetis MKM34Z256VLQ7 metrologisk MCU med et komplet supplement af støttekomponenter. Tilsvarende kombinerer NXP's i.MX RT1064 evalueringskit en MIMXRT1064DVL6-processor med 256 megabit (Mbits) SDRAM, 512 Mbits flash, 64 Mbits quad SPI (QSPI) flash, alt sammen på et fire-lags kort, komplet med et omfattende sæt perife stik, herunder et Arduino-interface. Derudover giver NXP's OM-SE050ARD-kort let adgang til EdgeLock SE050, og NXP's PNEV5180BM evalueringskort giver et drop-in NFC front-end udviklingskort.

Ved at kombinere NXP TWR-KM34Z75M-kortet til metrologi, i.MX RT1064 til kontrolfunktioner og OM-SE050ARD- og PNEV5180B-kortene kan udviklere hurtigt implementere en hardwareplatform med alle funktioner til opbygning af applikationer til EV-ladesystemer (figur 9).

Figur 9: Udviklere kan hurtigt implementere komplette end-to-end-løsninger til opladning af elbiler ved hjælp af NXP-kort og evalueringskit med tilgængelige cloud-tjenester som Microsoft Azure. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

I kombination med Microsoft Azure cloud-tjenester gør NXP's løsninger på kort-niveau det muligt for udviklere hurtigt at lave prototyper af en komplet end-to-end løsning til EV-ladesystemer og bruge platformen som grundlag for at designe mere specialiserede applikationer.

Konklusion

Den lette tilgængelighed af EV-ladesystemer er en vigtig forudsætning for e-mobilitet, men det er stadig en hindring at gennemføre de forskellige løsninger, der er nødvendige i hjem, på kontorer og offentlige servicestationer, på en omkostningseffektiv måde. Ved hjælp af en platform af specialiserede enheder og kort-løsninger fra NXP Semiconductors kan udviklere hurtigt implementere designs med den nødvendige ydeevne til at opfylde alle EV-oplade applikationer og fleksibilitet til at tilpasse sig nye krav.