Hur man snabbt och effektivt implementerar flexibla laddningssystem för elfordon

Trenden med e-mobilitet bygger på en förväntad tillgång på infrastruktur för laddning av elfordon (EV) i form av offentliga servicestationer, kompletterat med lämpliga laddningssystem i användarnas hem och på deras arbetsplatser. Även om de grundläggande konstruktionskraven i stort sett är desamma, ställer varje typ av system särskilda krav, vilket kompliceras av regionala skillnader i faktorer som sträcker sig från kommunikationsplattformar till krav på efterlevnad.

Utmaningen för konstruktörer av laddningsinfrastruktur är därför att uppfylla de grundläggande kraven, med tillräcklig flexibilitet i utformningen för att uppfylla så många olika regionala krav och krav från slutanvändare som möjligt, samtidigt som man balanserar kostnader och tidsåtgång för nå marknaden.

Artikeln beskriver de olika kraven på utformning av offentliga laddningsstationer. Därefter presenteras en flexibel lösningsplattform från NXP Semiconductors som kan användas för att lansera konstruktioner som uppfyller dessa krav.

Att möta olika designutmaningar

För att påskynda övergången till elfordon krävs det att det finns tillgång till effektiv utrustning för elfordon (EVSE), mer allmänt känt som laddningssystem för elfordon. Lokala körbehov kan tillgodoses med de AC-DC-laddare som finns inbyggda i fordonen för hemma - eller kontorsladdning, men dessa laddningssystem kan inte lindra den oro för räckvidden som fortsätter att begränsa användningen av elfordon. Långväga e-mobilitet är beroende av att det finns tillgång till offentliga DC-laddningssystem för elfordon som kan ladda fordonen mycket snabbare än de inbyggda AC-DC-laddarna. Samtidigt måste dessa olika laddningssystem för elfordon uppfylla ett antal standarder och bestämmelser för säkerhet, trygghet och integritet.

För utvecklare som skapar lösningar för laddningssystem för elfordon innebär behovet av att tillhandahålla effektiva lösningar för varje specifikt användningsfall både enorma möjligheter och betydande tekniska utmaningar. En av utmaningarna är att utvecklarna måste leverera en bred uppsättning funktioner i en mängd konstruktioner som kan ge den prestanda och effektivitet som krävs, samtidigt som de uppfyller de specifika kraven för varje tillämpning. För att tillgodose detta behov krävs en anpassning av den grundläggande arkitektur som ligger till grund för alla laddningssystem för elfordon.

Anpassning av den grundläggande arkitekturen för laddningssystem för elfordon

Oavsett vilken specifik måltillämpning de har, består laddningssystem för elfordon av två stora delsystem - en synlig del för strömleverans och en styrenhet för strömhantering - som är åtskilda av en isoleringsgräns (figur 1).

Figur 1: Den grundläggande arkitekturen för laddningssystem för elfordon omfattar separata delsystem för gränssnittet till eluttaget och styrenheten som är åtskilda av en isoleringsgräns. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

I den synliga delen, som omfattar fordonet och energikällan, hanteras fordonets strömförsörjning av det underliggande gränssnittet för eluttaget. På andra sidan isoleringsbarriären hanterar delsystemet för styrning, säkerhet, kommunikation och andra högnivåfunktioner. Implementeringen av delsystemen är vanligtvis beroende av ett fåtal grundläggande byggstenar för att uppfylla specifika krav på metrologi, styrning, funktionssäkerhet, säkerhet och kommunikation som är kopplade till respektive specifik tillämpning.

Varje byggsten bidrar med viktiga funktioner till den övergripande utformningen av laddningssystemet för elfordon. Metrologienheten måste garantera en säker energiöverföring samt en noggrann, manipulationsskyddad energimätning för fakturering. Styrenheten säkerställer tillförlitlig hantering av de olika protokoll som krävs för energiöverföring nedströms och dataöverföring uppströms, och bygger på funktioner för funktionssäkerhet och säkerhet samtidigt som den har stöd för lokala och regionsspecifika krav för säkra betalnings- och kommunikationsprotokoll som används för att kommunicera med molnbaserade resurser.

Tidigare behövde utvecklarna anpassa den grundläggande laddningsarkitekturen för elfordon till sina krav genom att implementera varje byggsten som behövdes, vanligtvis med hjälp av anpassade konstruktioner som innehåller ett brett utbud av allmängiltiga enheter. NXP:s serie av lösningar för laddning av elfordon erbjuder ett effektivt alternativ som gör det möjligt för utvecklare att kombinera färdiga byggstenar för att snabbt skapa ett laddningssystem för elfordon för ett brett spektrum av måltillämpningar.

Implementering av den synliga delen av ett laddningssystem för elfordon

NXP:s lösningar för laddning av elfordon kretsar kring ett antal processorfamiljer som är särskilt utformade för att leverera den prestanda och funktionalitet som krävs i krävande tillämpningar som laddningssystem för elfordon. Bland dessa processorfamiljer finns NXP:s mikrokontroller (MCU:er) i serien Kinetis KM3x som är särskilt utformade för att ge en certifierbar noggrann mätning av strömförsörjningen. Kinetis KM3x MCU:er bygger på en 32-bitars Arm® Cortex® M0+-kärna och integrerar en omfattande uppsättning funktionsblock för mätning, säkerhet, kommunikation och systemstöd, med flash-minne och statiskt RAM-minne i kretsen (figur 2).

Figur 2: Kinetis serie KM3x integrerar en komplett uppsättning funktionsblock som behövs för att genomföra en certifierbar exakt mätning av strömförsörjningen. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

För att förenkla genomförandet av metrologi integrerar den synliga delen för mätning en KM35x MCU, en mycket noggrann sigma-delta analog-till-digitalomvandlare (ADC), flera ADC:er med successivt approximationsregister (SAR), upp till fyra programmerbara förstärkare (PGA:er), en analog höghastighetskomparator (HSCMP), ett logiskt block för faskompensation och en intern spänningsreferens (VREF) med hög precision och låg temperaturavvikelse. För att skydda metrologienhetens integritet har kretsens säkerhetsfunktioner stöd för både aktiv och passiv manipulationsdetektering med tidsstämpling. I kombination med externa sensorer, reläer och annan kringutrustning, tillhandahåller dessa block i kretsen alla de funktioner som krävs för att snabbt implementera ett sofistikerat metrologiskt delsystem för ett laddningssystem för elfordon (figur 3).

Figur 3: Med en Kinetis KM MCU behöver utvecklare bara några få externa komponenter för att implementera ett delsystem för elfordonets eluttag. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Implementering av en styrenhet för laddningssystem för elfordon

Som nämnts ovan, hanterar en styrenhet för laddningssystem för elfordon de många olika funktioner som krävs i varje system. Kraven på detta delsystem förutsätter en processor som kan leverera både den realtidsprestanda som krävs för att säkerställa exakt kontroll av laddningssystemet, och den bearbetningskapacitet som krävs för att stödja olika protokoll, samtidigt som man minimerar designens utrymmeskrav och kostnaden.

Baserat på kärnan Arm Cortex-M7 innehåller NXP:s serie med crossover-processorer i.MX RT, realtidsfunktionerna hos inbyggda mikrokontroller med en prestanda på processornivå för tillämpningen. Med en driftfrekvens på 600 MHz och ett komplett utbud av kringutrustning kan i.MX RT-processorer som i.MX RT1064 uppfylla kraven på realtidssvar med låg latenstid. Samtidigt uppfyller funktioner som ett stort minne i kretsen, en extern minneskontroller, ett grafiskt delsystem och flera anslutningsgränssnitt kraven på tillämpningar (figur 4).

Figur 4: Crossover-processorn i.MX RT1064 kombinerar kringutrustning och minne med ett underordnat processorsystem i form av Arm Cortex-M7 som är utformat för att ge både realtidsutförande och prestanda på processornivå i tillämpningen. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Förutom att uppfylla kritiska realtids- och prestandakrav måste laddningssystem för elfordon utformas så att de kan garantera säkerhet på flera fronter, bland annat genom att upptäcka manipulering och autentisering av elanslutningar och betalningsmetoder. För dataskydd, säker uppstart och säker felsökning kan utvecklare dra nytta av i.MX RT-processorns integrerade säkerhetsfunktioner, inklusive hög säkerhet vid uppstart, hårdvarukryptografi, busskryptering, säker icke-flyktig lagring och en säker JTAG-styrenhet (Joint Test Action Group).

För att ytterligare öka säkerheten i en styrenhet för laddningssystem för elfordon kompletterar en konstruktion vanligtvis i.MX RT-processorns säkerhetsfunktioner genom att inkludera säkerhetselementet NXP EdgeLock SE050. SE050 är utformad för att ge säkerhet från början till slut under hela livscykeln och tillhandahåller hårdvarubaserade säkerhetsacceleratorer för en mängd populära kryptografialgoritmer, funktionalitet för betrodda plattformsmoduler (TPM), säkra busstransaktioner och säker lagring. Genom att använda denna enhet för att tillhandahålla betrodda säkerhetsfunktioner för exekveringsmiljön kan utvecklare skydda kritiska åtgärder, inklusive autentisering, säker påmönstring, integritetsskydd och attestering.

Med hjälp av en i.MX RT-processor och en EdgeLock SE05x-enhet behöver utvecklare bara några få ytterligare komponenter för att implementera ett delsystem för styrning som är utformat för att köra ett högpresterande RTOS (realtidsoperativsystem) (Figur 5).

Figur 5: Med sin integrerade funktionalitet och prestanda förenklar i.MX RT MCU:er utformningen av delsystemet för styrning i laddningssystem för elfordon. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Flexibla lösningar för olika tillämpningar av laddningssystem för elfordon

Genom att kombinera de delsystemen för strömförsörjning och styrning som nämns ovan med valfria block för betalnings- och kommunikationsalternativ kan utvecklare snabbt implementera ett enfas laddningssystem för elfordon som kan leverera upp till 7 kW (figur 6).

Figur 6: En KM3 MCU och en i.MX RT crossover-processor i kombination ger en effektiv hårdvarubas för laddningssystem för elbilar. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Med relativt blygsamma ändringar av den analoga synliga delen kan samma konstruktion utökas för att leverera ett trefas laddningssystem för elfordon som kan leverera upp till 22 kW (figur 7).

Figur 7: Utvecklare kan snabbt anpassa en konstruktion baserad på en KM3 MCU och i.MX RT crossover-processor för att stödja en mängd olika tillämpningar. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Även om den här kombinationen av enheterna KM3x och i.MX RT passar många användarfall kan andra laddningssystem för elfordon kräva att utvecklarna optimerar andra aspekter av sina konstruktioner. Laddare för bostäder som är avsedda att ge kortare laddningstider än vad som är möjligt med laddare i bilen kommer exempelvis att kräva lösningar som optimerar kostnaden och storleken. För dessa tillämpningar kan utvecklare implementera en billigare styrenhet på instegsnivå med hjälp av en kostnadseffektiv MCU som NXP LPC55S69.

Kommersiella EVSE-laddare avsedda för offentliga serviceanläggningar kommer däremot att medföra strängare krav när det gäller höghastighetsbehandling av tillämpningar och realtidsprestanda. Dessa behövs för att på ett säkert sätt styra batterilagringssystem som arbetar på nivåer mellan 400 och 1 000 V och levererar laddningsnivåer på 350 kW eller mer. Här är förmågan att köra både programvara på tillämpningsnivå och programvara i realtid avgörande för prestanda och funktionalitet. I dessa system kan utvecklare med hjälp av en processor som i.MX 8M från NXP lättare implementera laddningslösningar som kan tillhandahålla både Linux-baserad programhantering och RTOS-aktiverad realtidsprestanda som behövs i dessa komplicerade konstruktioner (figur 8).

Figur 8: För mer komplicerade tillämpningar, t.ex. extremt snabb laddning av elfordon, kan utvecklare utöka den grundläggande arkitekturen för laddning av elfordon med högeffektiva processorer, som t.ex. processorerna i.MX 8M, för att stödja mer komplexa styrningskrav. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Snabb implementering av molnanslutna laddningssystem för elfordon

Processorer från NXP, inklusive Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 och i.MX 8M, utgör en flexibel plattform för att uppfylla specifika krav i olika tillämpningar för laddningssystem för elfordon. För mer komplicerade tillämpningar kan dock förseningar i distributionen av hårdvarubasen leda till betydande förseningar i utvecklingen av den fullständiga tillämpningen av laddningssystem för elfordon.

För att undvika sådana förseningar erbjuder NXP en snabb väg till utveckling med hjälp av en uppsättning kort och utvärderingssatser baserade på de enheter som diskuterats tidigare. Modulen TWR-KM34Z75M från NXP är exempelvis en komplett metrologiplattform som kombinerar en Kinetis MKM34Z256VLQ7 MCU för metrologi med ett komplett utbud av kringkomponenter. Utvärderingssatsen i.MX RT1064 från NXP kombinerar en MIMXRT1064DVL6-processor med 256 Mb SDRAM, 512 Mb flash-minne, 64 Mb quad SPI-flashminne (QSPI), allt på ett fyrlagerskort, komplett med en omfattande uppsättning anslutningar för kringutrustning, inklusive ett gränssnitt för Arduino. Kortet ger dessutom OM-SE050ARD från NXP tillgång till EdgeLock SE050, och utvärderingskortet PNEV5180BM från NXP tillhandahåller ett kort för utveckling av en NFC-frontend som kan användas direkt.

Genom att kombinera NXP:s kort TWR-KM34Z75M för metrologi, i.MX RT1064 för styrfunktioner och korten OM-SE050ARD samt PNEV5180B kan utvecklare snabbt implementera en hårdvaruplattform med fullständiga funktioner för att bygga tillämpningar för laddningssystem för elfordon (figur 9).

Figur 9: Utvecklare kan snabbt implementera kompletta slutanvändarlösningar för laddning av elfordon med hjälp av kort och utvärderingssatser från NXP med tillgängliga molntjänster som Microsoft Azure. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

I kombination med molntjänsten Microsoft Azure gör NXP:s lösningar på kretskortsnivå det möjligt för utvecklare att snabbt ta fram en prototyp för en komplett lösning för laddningssystem för elbilar, och använda plattformen som grund för att utforma mer specialiserade tillämpningar.

Sammanfattning

Att laddningssystem för elfordon är enkelt tillgängliga är en mycket viktig förutsättning för e-mobilitet, men det är fortfarande ett hinder att genomföra de olika lösningar som behövs i hem, på kontor och på offentliga serviceanläggningar på ett kostnadseffektivt sätt. Med hjälp av en plattform med specialiserade enheter och kretskortslösningar från NXP Semiconductors kan utvecklare snabbt implementera konstruktioner med den prestanda som krävs för att uppfylla alla laddningstillämpningar för elbilar och med den flexibilitet som krävs för att anpassa sig till nya krav.