Die schnelle und effiziente Implementierung flexibler EF-Ladesysteme

Der Trend zur Elektromobilität beruht auf der erwarteten Verfügbarkeit einer Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge (EF) an öffentlichen Tankstellen, die durch geeignete Ladesysteme am Wohnort und am Arbeitsplatz ergänzt wird. Obwohl die grundlegenden Anforderungen an das Design weitgehend übereinstimmen, bringt jede Art von System spezielle Anforderungen mit sich, was durch regionale Unterschiede in Bezug auf Faktoren wie Kommunikationsplattformen und Compliance-Anforderungen noch erschwert wird.

Die Herausforderung für die Konstrukteure von Ladeinfrastrukturen besteht daher darin, die Kernanforderungen zu erfüllen und dabei so flexibel zu sein, dass ein möglichst breites Spektrum an Endnutzungsanforderungen und regionalen Anforderungen abgedeckt werden kann und gleichzeitig ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Markteinführungszeit besteht.

Dieser Beitrag beschreibt die vielfältigen Anforderungen an die Gestaltung öffentlicher Ladestationen. Anschließend wird eine flexible Lösungsplattform von NXP Semiconductors vorgestellt, mit der Designs auf den Markt gebracht werden können, die diese Anforderungen erfüllen.

Bewältigung vielfältiger Designherausforderungen

Um die Umstellung auf Elektrofahrzeuge zu beschleunigen, müssen effiziente Ladestationen für Elektrofahrzeuge, also EF-Ladesysteme, zur Verfügung stehen. Für den lokalen Bedarf können die in den Fahrzeugen eingebauten AC-zu-DC-Ladegeräte zum Aufladen zu Hause oder im Büro ausreichen, aber diese Ladesysteme sind nicht in der Lage, die Reichweitenangst zu lindern, die die Akzeptanz von E-Fahrzeugen weiterhin behindert. Die Langstrecken-Elektromobilität hängt von der Verfügbarkeit öffentlicher Gleichstrom-Ladesysteme ab, die ein Elektrofahrzeug viel schneller aufladen können als die eingebauten AC-zu-DC-Ladegeräte. Gleichzeitig müssen diese verschiedenen Ladesysteme für Elektrofahrzeuge eine Reihe von Normen und Vorschriften in Bezug auf Sicherheit, Schutz und Privatsphäre erfüllen.

Für Entwickler von EF-Ladesystemen bedeutet die Notwendigkeit, effektive Lösungen für jeden spezifischen Anwendungsfall zu liefern, sowohl enorme Chancen als auch erhebliche technische Herausforderungen. Zu den Herausforderungen gehört, dass die Entwickler ein breites Spektrum an Funktionen in einer Reihe von Designs bereitstellen müssen, die die erforderliche Leistung und Effizienz bieten und gleichzeitig die spezifischen Anforderungen für jede Anwendung erfüllen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, ist eine Anpassung der grundlegenden Architektur erforderlich, die allen EF-Ladesystemen zugrunde liegt.

Anpassung der Grundarchitektur von EF-Ladesystemen

Unabhängig von ihrer spezifischen Zielanwendung bestehen EF-Ladesysteme aus zwei großen Teilsystemen - einem Stromübertragungs-Front-End- und einem Energiemanagement Back-End-Controller, die durch eine Isolationsbarriere getrennt sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die grundlegende Architektur für EF-Ladesysteme umfasst separate Teilsysteme für die Steckdosenschnittstelle und den Controller, die durch eine Isolationsbarriere getrennt sind. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Auf dem Front-End, das dem Fahrzeug und der Energiequelle zugewandt ist, steuert das Teilsystem Steckdosenschnittstelle die Stromversorgung des Fahrzeugs. Auf der anderen Seite der Isolationsbarriere ist das Controller-Teilsystem für die Sicherheit, die Kommunikation und andere hochrangige Funktionen zuständig. Die Implementierung dieser Teilsysteme hängt in der Regel von einigen grundlegenden Bausteinen ab, um die spezifischen Anforderungen an Messtechnik, Steuerung, funktionale Sicherheit, Schutz und Kommunikation zu erfüllen, die mit jeder spezifischen Anwendung verbunden sind.

Jeder Baustein trägt mit wichtigen Funktionen zum Gesamtdesign des EF-Ladesystems bei. Die Messeinheit muss eine sichere Energieübertragung sowie eine genaue, manipulationssichere Energiemessung zu Abrechnungszwecken gewährleisten. Die Steuereinheit sorgt für die zuverlässige Ausführung der verschiedenen Protokolle, die für die nachgelagerte Energieübertragung und die vorgelagerte Datenübertragung erforderlich sind, und baut dabei auf Funktionen für die funktionale Sicherheit auf, während sie gleichzeitig lokale und regionalspezifische Anforderungen an sichere Zahlungs- und Kommunikationsprotokolle für die Kommunikation mit Cloud-basierten Ressourcen unterstützt.

In der Vergangenheit mussten die Entwickler die Basisarchitektur für das Laden von Elektrofahrzeugen an ihre Anforderungen anpassen, indem sie jeden benötigten Baustein implementierten – typischerweise unter Verwendung von kundenspezifischen Designs, die eine breite Palette von Allzweckkomponenten enthielten. Die Lösungsfamilie von NXP für das Laden von Elektrofahrzeugen bietet eine effektive Alternative, die es Entwicklern ermöglicht, Standard-Bausteine zu kombinieren, um schnell EF-Ladesysteme für eine breite Palette von Zielanwendungen zu entwickeln.

Implementierung des Front-Ends eines EF-Ladesystems

Die Lösungen von NXP für das Laden von Elektrofahrzeugen basieren auf einer Reihe von Prozessorfamilien, die speziell für die Leistung und Funktionalität entwickelt wurden, die in anspruchsvollen Anwendungen wie dem Design von EF-Ladesystemen erforderlich sind. Zu diesen Prozessorfamilien gehören die Mikrocontroller (microcontroller units, MCUs) der Serie Kinetis KM3x von NXP, die speziell für eine zertifizierbare, genaue Leistungsmessung ausgelegt sind. Die Kinetis-KM3x-MCUs basieren auf einem 32-Bit-Arm®-Cortex®-M0+-Kern und enthalten eine Vielzahl von Funktionsblöcken für Messung, Sicherheit, Kommunikation und Systemunterstützung sowie chipeigenen Flash und statischen Direktzugriffsspeicher (static random access memory, SRAM) (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Serie Kinetis KM3x enthält einen kompletten Satz von Funktionsblöcken, die für die Implementierung einer zertifizierbaren, genauen Leistungsmessung erforderlich sind. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Zur Vereinfachung der Messimplementierung enthält das Front-End der KM35x-MCU einen hochgenauen Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler (ADC), mehrere SAR-ADC (successive approximation register - Register für sukzessive Approximation), bis zu vier programmierbare Verstärker (programmable gain amplifiers, PGAs), einen Hochgeschwindigkeits-Analogkomparator (high-speed analog comparator, HSCMP), einen Logikblock zur Phasenkompensation und eine hochpräzise interne Spannungsreferenz (VREF) mit geringer Temperaturdrift. Um die Integrität der Messeinheit zu schützen, unterstützen die chipeigenen Sicherheitsfunktionen sowohl die aktive als auch die passive Manipulationserkennung mit Zeitstempel. In Kombination mit externen Sensoren, Relais und anderen Peripherien bieten diese chipintegrierten Blöcke alle Funktionen, die für die schnelle Implementierung eines hochentwickelten Messteilsystems für ein EF-Ladesystem mit Steckdosen-Front-End erforderlich sind (Abbildung 3).

Abbildung 3: Mit einer Kinetis-KM-MCU benötigen Entwickler nur wenige zusätzliche externe Komponenten, um ein EF-Steckdosen-Subsystem zu implementieren. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Implementierung des EF-Ladesystem-Controllers

Wie bereits erwähnt, koordiniert ein EF-Ladesystem-Controller die große Vielfalt an Funktionen, die in jedem System benötigt werden. Die Anforderungen dieses Teilsystems machen die Nutzung eines Prozessors erforderlich, der sowohl die für eine präzise Steuerung des Ladesystems erforderliche Echtzeitleistung als auch den für die Unterstützung verschiedener Protokolle erforderlichen Verarbeitungsdurchsatz bietet und gleichzeitig den Platzbedarf und die Kosten des Designs minimiert.

Die auf dem Arm-Cortex-M7-Kern basierenden Crossover-Prozessoren der Serie i.MX RT von NXP bieten die Echtzeitfähigkeiten von Embedded-Mikrocontrollern mit der Leistung eines Anwendungsprozessors. Mit einer Betriebsfrequenz von 600 Megahertz (MHz) und einer umfassenden Peripherieausstattung erfüllen i.MX-RT-Prozessoren wie der i.MX RT1064 die Anforderungen hinsichtlich der latenzarmen Echtzeitreaktion. Gleichzeitig decken Funktionen wie ein großer chipeigener Speicher, ein externer Speicher-Controller, ein Grafik-Teilsystem und mehrere Anschlussschnittstellen die Bedarfe der Anwendungen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Crossover-Prozessor i.MX RT1064 kombiniert Peripherien und Speicher mit einem Arm-Cortex-M7-Prozessor-Teilsystem, das sowohl Echtzeitausführung als auch Leistung auf Anwendungsprozessorebene bietet. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Neben der Erfüllung kritischer Echtzeit- und Leistungsanforderungen muss das Design von Ladesystemen für Elektrofahrzeuge in mehrfacher Hinsicht Sicherheit gewährleisten, einschließlich der Erkennung von Manipulationen und der Authentifizierung von Stromanschlüssen und Zahlungsmethoden. Für Datenschutz, sicheres Booten und sicheres Debuggen können Entwickler die integrierten Sicherheitsfunktionen des i.MX-RT-Prozessors nutzen, darunter hochsicheres Booten, Hardware-Kryptografie, Busverschlüsselung, sicherer nichtflüchtiger Speicher und ein sicherer JTAG-Controller (Joint Test Action Group).

Um die Sicherheit in einem EF-Ladesystem-Controller weiter zu erhöhen, werden die Sicherheitsfunktionen des i.MX-RT-Prozessors in der Regel durch ein sicheres Element EdgeLock SE050 von NXP ergänzt. Das SE050 wurde für eine durchgängige Sicherheit über den gesamten Lebenszyklus entwickelt und bietet hardwarebasierte Sicherheitsbeschleuniger für eine Reihe gängiger Kryptographiealgorithmen, TPM-Funktionalität (Trusted Platform Module), sichere Bustransaktionen und sichere Speicherung. Durch den Einsatz dieser Komponente als Root of Trust (RoT) für die Ausführungsumgebung können Entwickler wichtige Vorgänge wie Authentifizierung, sichere Registrierung, Integritätsschutz und Bescheinigung absichern.

Bei Verwendung eines i.MX-RT-Prozessors und eines EdgeLock-SE05x-Bausteins benötigen Entwickler nur wenige zusätzliche Komponenten, um ein Controller-Teilsystem zu implementieren, auf dem ein hochleistungsfähiges Echtzeitbetriebssystem (real-time operating system, RTOS) läuft (Abbildung 5).

Abbildung 5: Mit ihren integrierten Funktionen und Leistungsmerkmalen vereinfachen die i.MX-RT-MCUs die Entwicklung von Controller-Teilsystemen für EF-Ladesysteme. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Flexible Lösungen für verschiedene EF-Ladesystemanwendungen

Durch die Kombination der oben erwähnten Stromversorgungs- und Controller-Teilsysteme mit optionalen Blöcken für Zahlungs- und Kommunikationsmethoden können Entwickler schnell ein einphasiges EF-Ladesystem mit einer Leistung von bis zu 7 Kilowatt (kW) realisieren (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Kombination aus KM3-MCU und i.MX-RT-Crossover-Prozessor bietet eine effiziente Hardwarebasis für EF-Ladesysteme. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Mit relativ bescheidenen Änderungen am Analog-Front-End kann dasselbe Design erweitert werden, um ein dreiphasiges EF-Ladesystem umzusetzen, das bis zu 22 kW liefern kann (Abbildung 7).

Abbildung 7: Entwickler können ein Design, das auf einer KM3-MCU und einem i.MX-RT-Crossover-Prozessor basiert, schnell anpassen, um eine Vielzahl von Anwendungen zu unterstützen. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Obwohl diese Kombination aus KM3x- und i.MX-RT-Bausteinen für viele Anwendungsfälle geeignet ist, müssen Entwickler für andere EV-Ladesystemanwendungen möglicherweise andere Aspekte ihrer Designs optimieren. Ladegeräte für Privathaushalte zum Beispiel, die schnellere Ladezeiten als die bordeigenen Ladegeräte ermöglichen sollen, erfordern Lösungen, die Kosten und Platzbedarf optimieren. Für diese Anwendungen können Entwickler einen kostengünstigen Controller der Einstiegsklasse mit einer erschwinglichen MCU wie der LPC55S69 von NXP implementieren.

Im Gegensatz dazu stellen kommerzielle Ladestationen für öffentliche Tankstellen strengere Anforderungen an eine schnelle Anwendungsverarbeitung und Echtzeit-Performance. Diese werden benötigt, um Batteriespeichersysteme, die mit Spannungen von 400 bis 1000 Volt betrieben werden und Ladeleistungen von 350 kW oder mehr erbringen, sicher zu steuern. Hier ist die Fähigkeit, sowohl Software auf Anwendungsebene als auch Echtzeit-Software auszuführen, entscheidend für Leistung und Funktionalität. Die Verwendung eines Prozessors wie des Prozessors i.MX 8M von NXP ermöglicht den Entwicklern bei diesen Systemen die einfachere Implementierung von Ladelösungen: Sie bieten sowohl die Linux-basierte Anwendungsverarbeitung als auch die RTOS-fähige Echtzeitleistung, die in diesen komplexen Designs benötigt wird (Abbildung 8).

Abbildung 8: Für komplexere Anwendungen wie das ultraschnelle Laden von Elektrofahrzeugen können Entwickler die EF-Grundladearchitektur mit Hochleistungsprozessoren wie i.MX-8M-Prozessoren erweitern, um komplexere Controller-Anforderungen zu unterstützen. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Schnelle Implementierung von Cloud-verbundenen EF-Ladesystemen

Die Prozessoren von NXP, darunter Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 und i.MX 8M, bieten eine flexible Plattform, um die spezifischen Anforderungen verschiedener EF-Ladesystemanwendungen zu erfüllen. Bei komplexeren Anwendungen können jedoch Verzögerungen bei der Bereitstellung der Hardware-Basis zu erheblichen Verzögerungen bei der Entwicklung der vollständigen EF-Ladesystemanwendung führen.

Um solche Verzögerungen zu vermeiden, bietet NXP einen schnellen Weg zur Entwicklung mit einer Reihe von Boards und Evaluierungskits, die auf den zuvor besprochenen Bausteinen basieren. Das Modul TWR-KM34Z75M von NXP beispielsweise liefert eine komplette Messplattform, die eine Kinetis-MCU MKM34Z256VLQ7 mit einer Reihe von Hilfskomponenten kombiniert. Das i.MX-RT1064-Evaluierungskit von NXP kombiniert einen Prozessor MIMXRT1064DVL6 mit 256 Megabit (MBit) SDRAM, 512 MBit Flash, 64 MBit Quad-SPI-(QSPI)-Flash – alles auf einem vierlagigen Board, komplett mit einem umfangreichen Satz von Peripherieanschlüssen, einschließlich einer Arduino-Schnittstelle. Darüber hinaus bietet das Board OM-SE050ARD von NXP unmittelbaren Zugang zum EdgeLock SE050, und das Evaluierungsboard PNEV5180BM von NXP stellt ein Drop-in-NFC-Front-End-Entwicklungsboard bereit.

Durch die Kombination der Messplatine TWR-KM34Z75M von NXP, des i.MX RT1064 für die Steuerfunktionen und der Boards OM-SE050ARD und PNEV5180B können Entwickler schnell eine voll funktionsfähige Hardware-Plattform für die Entwicklung von EF-Ladesystemanwendungen implementieren (Abbildung 9).

Abbildung 9: Entwickler können mithilfe der Boards und Evaluierungskits von NXP, die verfügbare Cloud-Diensten wie Microsoft Azure bereits enthalten, schnell komplette EF-Ladelösungen implementieren. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

In Kombination mit den Cloud-Diensten von Microsoft Azure ermöglichen die Board-Lösungen von NXP Entwicklern die schnelle Erstellung eines Prototyps für ein vollständiges EF-Ladesystem und die Nutzung der Plattform als Grundlage für die Entwicklung speziellerer Anwendungen.

Fazit:

Die Verfügbarkeit von Ladesystemen für Elektrofahrzeuge ist eine wichtige Voraussetzung für die Elektromobilität, aber die kosteneffiziente Umsetzung der verschiedenen Lösungen, die in Privathaushalten und Bürokomplexen oder an öffentlichen Tankstellen benötigt werden, bleibt ein Hindernis. Mit einer Plattform aus spezialisierten Bauelementen und Board-Lösungen von NXP Semiconductors können Entwickler schnell Designs implementieren, die die erforderliche Leistung für die gesamte Bandbreite von EF-Ladeanwendungen bieten und sich flexibel an neue Anforderungen anpassen lassen.