Szybkie i skuteczne wdrażanie elastycznych systemów ładowania pojazdów elektrycznych

Trend w kierunku elektromobilności opiera się na oczekiwanej dostępności infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych (EV) na publicznych stacjach, uzupełnionej o odpowiednie systemy ładowania w domach i miejscach pracy użytkowników. Ich podstawowe wymagania projektowe pozostają w dużej mierze spójne, jednak każdy typ systemu ma także własne, co jest komplikacją, którą dodatkowo potęgują regionalne różnice czynników -, od platform komunikacyjnych po wymagania dotyczące zgodności.

Wyzwaniem dla projektantów infrastruktury ładowania jest zatem spełnienie podstawowych wymagań przy wystarczającej elastyczności w ich projektowaniu, aby spełnić możliwie najszerszy zakres wymagań końcowych i regionalnych, przy równoczesnym zrównoważeniu kosztów i czasu wprowadzenia na rynek.

W niniejszym artykule opisano zróżnicowany charakter wymagań projektowych stawianych publicznym stacjom ładowania. Następnie przedstawiona zostanie elastyczna platforma rozwiązań firmy NXP Semiconductors, którą można wykorzystać do uruchomienia projektów przygotowanych w sposób spełniający wspomniane wymagania.

Sprostać różnorodnym wyzwaniom projektowym

Wysiłki na rzecz przyspieszenia przejścia na pojazdy elektryczne wymagają łatwo dostępnych i wydajnych urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE), powszechnie znanych jako systemy ładowania pojazdów elektrycznych (EV). Lokalne potrzeby związane z transportem kołowym można zaspokoić dzięki pokładowym ładowarkom prądu zmiennego-stałego wbudowanym w pojazdy, umożliwiającym ładowanie w domu lub w pracy, jednak te systemy ładowania nie są w stanie rozwiązać problemów związanych z zasięgiem pojazdów elektrycznych, które nadal ograniczają ich stosowanie. Elektromobilność dalekiego zasięgu zależy od dostępności publicznych systemów ładowania prądu stałego, które są w stanie naładować pojazd elektryczny znacznie szybciej niż wbudowane ładowarki prądu zmiennego-stałego. Jednocześnie te różne systemy ładowania pojazdów elektrycznych muszą być zgodne z wieloma normami i przepisami dotyczącymi bezpieczeństwa, zabezpieczeń i prywatności.

Dla deweloperów tworzących rozwiązania systemów ładowania pojazdów elektrycznych potrzeba dostarczania skutecznych rozwiązań dla każdego konkretnego przypadku użycia stanowi zarówno ogromne możliwości, jak i istotne wyzwanie techniczne. Jednym z wyzwań dla deweloperów jest konieczność dostarczenia szerokiego zestawu funkcji w różnych projektach, które są w stanie zapewnić wymagane parametry i sprawność, spełniając jednocześnie wymagania specyficzne dla poszczególnych zastosowań. Zaspokojenie tej potrzeby wymaga dostosowania podstawowej architektury bazowej dla wszystkich projektów systemów ładowania pojazdów elektrycznych (EV).

Dostosowanie podstawowej architektury systemu ładowania pojazdów elektrycznych

Niezależnie od konkretnego przeznaczenia, systemy ładowania pojazdów elektrycznych (EV) składają się z dwóch głównych, odizolowanych od siebie podsystemów: układu front-end dostarczającego zasilanie i kontrolera zapleczowego do zarządzania zasilaniem (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podstawowa architektura systemów ładowania pojazdów elektrycznych (EV) obejmuje oddzielne, odizolowane od siebie podsystemy dla interfejsu gniazda zasilania i sterownika. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

W układzie front-end zwróconym w stronę pojazdu i źródła energii, podsystem interfejsu gniazda zasilania zarządza dostarczaniem zasilania do pojazdu. Po drugiej stronie bariery izolacyjnej znajduje się podsystem sterownika, który dba o bezpieczeństwo, komunikację i inne funkcje wysokiego poziomu. Wdrożenie tych podsystemów zazwyczaj wykorzystuje kilka podstawowych elementów konstrukcyjnych pozwalających spełnić określone wymagania dotyczące metrologii, sterowania, bezpieczeństwa funkcjonalnego, zabezpieczeń i komunikacji powiązane z konkretnym zastosowaniem.

Każdy element konstrukcyjny wnosi do ogólnego projektu systemu ładowania pojazdów elektrycznych określoną krytyczną funkcjonalność. Jednostka metrologiczna musi zapewnić bezpieczny przesył energii, a także dokładny, odporny na nieautoryzowane ingerencje pomiar energii do celów rozliczeniowych. Jednostka sterująca zapewnia niezawodne działanie różnych protokołów wymaganych do przesyłania energii do pojazdu oraz pobierania z niego danych, wykorzystując elementy bezpieczeństwa funkcjonalnego i zabezpieczeń, przy jednoczesnym spełnieniu lokalnych i regionalnych wymagań dotyczących bezpiecznych płatności i protokołów komunikacyjnych używanych do komunikacji z zasobami w chmurze.

W przeszłości deweloperzy musieli dostosowywać podstawową architekturę ładowania pojazdów elektrycznych do swoich wymagań, wdrażając każdy potrzebny blok konstrukcyjny, zwykle przy użyciu niestandardowych projektów obejmujących szeroką gamę urządzeń ogólnego przeznaczenia. Grupa rozwiązań firmy NXP do ładowania pojazdów elektrycznych stanowi skuteczną alternatywę, umożliwiając deweloperom łączenie gotowych elementów konstrukcyjnych w celu szybkiego tworzenia projektów systemów ładowania pojazdów elektrycznych dla szerokiej gamy zastosowań docelowych.

Wdrażanie układu front-end systemu ładowania pojazdów elektrycznych

Rozwiązania firmy NXP do ładowania pojazdów elektrycznych koncentrują się na kilku grupach procesorów zaprojektowanych specjalnie w celu zapewnienia parametrów działania i funkcjonalności niezbędnych w wymagających zastosowaniach, takich jak projekty systemów ładowania pojazdów elektrycznych. Należąca do tej grupy procesorów seria mikrokontrolerów (MCU) Kinetis KM3x firmy NXP została zaprojektowana specjalnie w celu zapewnienia certyfikowanego dokładnego pomiaru dostarczanej energii. Mikrokontrolery MCU Kinetis KM3x bazują na 32-bitowym rdzeniu Cortex® M0Arm®, łączą w sobie obszerny zestaw bloków funkcjonalnych do pomiarów, bezpieczeństwa, komunikacji i obsługi systemu oraz zawierają wbudowaną pamięć flash i statyczną pamięć o dostępie swobodnym (SRAM) (ilustracja 2).

Ilustracja 2: mikrokontrolery z serii Kinetis KM3x łączą w sobie kompletny zestaw bloków funkcjonalnych potrzebnych do wdrożenia certyfikowanego dokładnego pomiaru dostarczanej energii. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Aby uprościć wdrażanie metrologii, układ front-end mikrokontrolera MCU KM35x posiada zintegrowany bardzo dokładny przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) sigma-delta, przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR ADC), do czterech wzmacniaczy z programowanym wzmocnieniem (PGA), szybki komparator analogowy (HSCMP), blok logiczny kompensacji fazy oraz wewnętrzny wzorzec napięcia (VREF) wysokiej precyzji z niskim dryftem temperaturowym. Dla zabezpieczenia integralności jednostki metrologicznej przewidziano wbudowane funkcje zabezpieczeń z aktywnym, jak i pasywnym wykrywaniem nieautoryzowanych ingerencji ze znacznikami czasu. Używane w połączeniu z zewnętrznymi czujnikami, przekaźnikami i innymi urządzeniami peryferyjnymi bloki te zapewniają pełną funkcjonalność niezbędną do szybkiego wdrożenia zaawansowanego podsystemu metrologicznego dla układu front-end gniazda zasilania systemu ładowania pojazdów elektrycznych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: w przypadku mikrokontrolera MCU Kinetis KM deweloperzy potrzebują tylko kilku dodatkowych komponentów zewnętrznych do wdrożenia podsystemu gniazd zasilania pojazdu elektrycznego. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Wdrożenie kontrolera systemu ładowania pojazdów elektrycznych

Jak wspomniano powyżej, kontroler systemu ładowania pojazdów elektrycznych koordynuje szeroką gamę funkcji potrzebnych w każdym systemie. Wymagania tego podsystemu dyktują użycie procesora zarówno zdolnego do działania w czasie rzeczywistym potrzebnego do zapewnienia precyzyjnej kontroli systemu ładowania, jak i przepustowości przetwarzania potrzebnej do obsługi różnych protokołów przy jednoczesnej minimalizacji powierzchni i kosztów projektu.

Ta oparta na rdzeniu Arm Cortex-M7 seria procesorów crossover i.MX RT firmy NXP oferuje możliwości pracy w trybie rzeczywistym dzięki wbudowanym mikrokontrolerom, przy zachowaniu parametrów działania na poziomie procesorowym. Częstotliwość robocza 600MHz, pełny zestaw urządzeń peryferyjnych oraz procesory i.MX RT, takie jak i.MX RT1064, pozwalają sprostać wymaganiom w zakresie odpowiedzi w czasie rzeczywistym o niskiej latencji. Jednocześnie funkcje, takie jak duża pamięć wbudowana w układ mikroelektroniczny, zewnętrzny kontroler pamięci, podsystem graficzny i wiele interfejsów łączności, spełniają wymagania zastosowania (ilustracja 4).

Ilustracja 4: procesor crossover i.MX RT1064 łączy w sobie urządzenia peryferyjne, pamięć oraz podsystem procesora Arm Cortex-M7, zaprojektowany w celu realizacji zarówno procesów w czasie rzeczywistym, jak i działań na poziomie procesora aplikacji. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Oprócz spełnienia krytycznych wymagań dotyczących czasu rzeczywistego i parametrów działania, projekty systemów ładowania pojazdów elektrycznych muszą zapewniać zabezpieczenia na wielu frontach, w tym wykrywanie nieautoryzowanych ingerencji oraz uwierzytelnianie połączeń zasilania i metod płatności. W celu zapewnienia ochrony danych, bezpiecznego uruchamiania i bezpiecznego debugowania, deweloperzy mogą skorzystać ze zintegrowanych funkcji zabezpieczeń procesora i.MX RT, w tym rozruchu o wysokim stopniu pewności, kryptografii sprzętowej, szyfrowania magistrali, bezpiecznego przechowywania danych w pamięci nieulotnej i bezpiecznego kontrolera JTAG (Joint Test Action Group).

Aby jeszcze bardziej zwiększyć bezpieczeństwo w kontrolerze systemu ładowania pojazdów elektrycznych, projekt zazwyczaj uzupełniają funkcje zabezpieczeń procesora i.MX RT poprzez włączenie bezpiecznego elementu EdgeLock SE050 firmy NXP. Element SE050 zaprojektowano w celu zapewnienia kompleksowego zabezpieczenia w całym cyklu życia. Zapewnia on sprzętowe akceleratory zabezpieczeń dla szeregu popularnych algorytmów kryptograficznych, funkcjonalności modułu zaufanej platformy (TPM), bezpiecznych transakcji magistrali i bezpiecznego przechowywania. Wykorzystanie tego urządzenia do zapewnienia systemu Root of Trust (RoT) dla środowiska wykonawczego pozwala deweloperom zabezpieczyć krytyczne operacje, w tym uwierzytelnianie, bezpieczne wdrażanie, ochronę integralności i atestację.

Korzystając z procesora i.MX RT i urządzenia EdgeLock SE05x, deweloper potrzebuje tylko kilku dodatkowych komponentów, aby wdrożyć podsystem kontrolera zaprojektowany do uruchamiania wysokowydajnego systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS) (ilustracja 5).

Ilustracja 5: dzięki zintegrowanej funkcjonalności i parametrom działania, mikrokontrolery i.MX RT upraszczają projektowanie podsystemów kontrolerów dla systemów ładowania pojazdów elektrycznych. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Elastyczne rozwiązania dla różnorodnych zastosowań w systemach ładowania pojazdów elektrycznych

Łącząc wspomniany powyżej podsystem zasilania i podsystemy kontrolera z opcjonalnymi blokami dla opcji płatności i komunikacji, deweloperzy mogą szybko wdrożyć jednofazowy system ładowania pojazdów elektrycznych o mocy do 7kW (ilustracja 6).

Ilustracja 6: łączne użycie mikrokontrolera MCU KM3 i procesora crossover i.MX RT zapewnia wydajną bazę sprzętową dla systemów ładowania pojazdów elektrycznych. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Dzięki stosunkowo niewielkim modyfikacjom analogowego układu front-end, ten sam projekt można rozbudować tworząc trójfazowy system ładowania pojazdów elektrycznych o mocy do 22kW (ilustracja 7).

Ilustracja 7: deweloperzy mogą szybko dostosować projekt oparty na mikrokontrolerze MCU KM3 i procesorze crossover i.MX RT do obsługi różnorodnych zastosowań. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Pomimo że kombinacja mikrokontrolera MCU KM3x i procesora i.MX RT będzie pasować do wielu zastosowań, niektóre realizacje systemów ładowania pojazdów elektrycznych mogą wymagać od deweloperów optymalizacji innych aspektów ich projektów. Na przykład ładowarki do użytku domowego, które mają zapewniać szybsze ładowanie niż jest to możliwe w przypadku ładowarek wbudowanych, będą wymagały rozwiązań optymalizujących koszty i zajmowaną powierzchnię. W przypadku takich zastosowań deweloperzy mogą wdrożyć tańszy kontroler klasy podstawowej, korzystając z ekonomicznego mikrokontrolera MCU, takiego jak LPC55S69firmy NXP.

W przeciwieństwie do tego, komercyjne ładowarki wchodzące w skład urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) przeznaczonych dla stacji publicznych będą charakteryzować się bardziej rygorystycznymi wymaganiami w zakresie szybkiego przetwarzania i parametrów działania w czasie rzeczywistym. Jest to konieczne z uwagi na potrzebę bezpiecznego sterowania bateryjnymi systemami magazynowania energii o napięciu od 400 do 1000V o mocy ładowania na poziomie 350kW lub wyższym. W tym przypadku możliwość wykonywania programów zarówno na poziomie aplikacji, jak i programów czasu rzeczywistego ma kluczowe znaczenie dla parametrów działania i funkcjonalności. Użycie takiego procesora, jak np. i.MX 8M firmy NXP w takich systemach pozwala deweloperom łatwiej wdrażać rozwiązania do ładowania, które są w stanie zapewnić zarówno przetwarzanie aplikacji opartych na systemie Linux, jak i pracę w czasie rzeczywistym z obsługą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS), potrzebną w tych złożonych projektach (ilustracja 8).

Ilustracja 8: w przypadku bardziej złożonych zastosowań, takich jak ultraszybkie ładowanie pojazdów elektrycznych, deweloperzy mogą rozszerzyć podstawową architekturę ładowania pojazdów elektrycznych za pomocą wysokowydajnych procesorów, takich jak procesory i.MX 8M, w celu obsługi bardziej złożonych wymagań dotyczących kontrolerów. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Szybkie wdrożenie systemów ładowania pojazdów elektrycznych połączonych z chmurą

Procesory firmy NXP, w tym Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 oraz i.MX 8M, stanowią elastyczną platformę spełniającą specyficzne wymagania różnych zastosowań systemów ładowania pojazdów elektrycznych. Jednak w przypadku bardziej złożonych zastosowań opóźnienia we wdrażaniu podstaw sprzętowych mogą powodować znaczne opóźnienia w rozwoju kompleksowego systemu ładowania pojazdów elektrycznych.

Aby uniknąć takich opóźnień, firma NXP oferuje szybką ścieżkę rozwoju przy użyciu zestawu płytek i zestawów ewaluacyjnych opartych na wcześniej omówionych urządzeniach. Na przykład moduł TWR-KM34Z75M firmy NXP stanowi kompletną platformę pomiarową, która łączy metrologiczny mikrokontroler MCU Kinetis MKM34Z256VLQ7 z pełnym zestawem komponentów pomocniczych. Podobnie zestaw ewaluacyjny i.MX RT1064 firmy NXP łączy w sobie procesor MIMXRT1064DVL6 z pamięcią 256Mb SDRAM, 512Mb flash, 64Mb flash quad SPI (QSPI), a wszystko to na czterowarstwowej płytce z rozbudowanym zestawem złączy do urządzeń peryferyjnych, włączając w to interfejs Arduino. Ponadto płytka OM-SE050ARD firmy NXP zapewnia łatwy dostęp do urządzenia EdgeLock SE050, natomiast płytka ewaluacyjna PNEV5180BM firmy NXP jest gotową do użycia płytką rozwojową do układów front-end NFC.

Dzięki połączeniu płytki TWR-KM34Z75M firmy NXP do zadań metrologicznych, i.MX RT1064 do zadań sterowniczych oraz płytek OM-SE050ARD i PNEV5180B, deweloperzy mogą szybko wdrożyć w pełni funkcjonalną platformę sprzętową do tworzenia systemów ładowania pojazdów elektrycznych (ilustracja 9).

Ilustracja 9: deweloperzy mogą szybko wdrożyć kompletne, kompleksowe rozwiązania do ładowania pojazdów elektrycznych wykorzystując płytki i zestawy ewaluacyjne firmy NXP z dostępnymi usługami chmurowymi, takimi jak Microsoft Azure. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Rozwiązania płytkowe firmy NXP stosowane w połączeniu z usługami chmurowymi Microsoft Azure umożliwiają deweloperom szybkie prototypowanie kompletnych, kompleksowych rozwiązań systemów ładowania pojazdów elektrycznych i wykorzystanie platformy jako podstawy do projektowania bardziej wyspecjalizowanych rozwiązań.

Podsumowanie

Dobra dostępność systemów ładowania pojazdów elektrycznych jest kluczowym czynnikiem rozwojowym elektromobilności, ale opłacalność wdrażania różnych rozwiązań potrzebnych w domach, biurach i na ogólnodostępnych stacjach wciąż stanowi pewną barierę. Korzystając z platformy wyspecjalizowanych urządzeń i płytek firmy NXP Semiconductors, deweloperzy mogą szybko wdrażać projekty o parametrach działania potrzebnych do realizacji pełnego zakresu zastosowań związanych z ładowaniem pojazdów elektrycznych oraz elastyczności umożliwiającej spełnienie pojawiających się wymagań.