Hoe snel en efficiënt flexibele EV-oplaadsystemen implementeren

De trend naar e-mobiliteit berust op de verwachte beschikbaarheid van een infrastructuur voor het opladen van elektrische voertuigen (EV), bestaande uit openbare servicestations, aangevuld met geschikte oplaadsystemen bij de gebruikers thuis en op het werk. Hoewel de belangrijkste ontwerpeisen grotendeels gelijk blijven, stelt elk type systeem specifieke eisen, een complicatie die nog wordt verergerd door regionale verschillen in factoren, variërend van communicatieplatforms tot nalevingsvereisten.

De uitdaging voor ontwerpers van laadinfrastructuur bestaat er dan ook in aan de kerneisen te voldoen met voldoende flexibiliteit in hun ontwerp om aan de grootst mogelijke waaier van eindgebruikerseisen en regionale eisen te voldoen, en tegelijk een evenwicht te vinden tussen kosten en doorlooptijd.

Dit artikel beschrijft de uiteenlopende aard van de ontwerpeisen voor openbare laadstations. Vervolgens wordt een flexibel oplossingenplatform van NXP Semiconductors geïntroduceerd dat kan worden gebruikt om ontwerpen te lanceren die aan deze eisen voldoen.

Diverse ontwerpuitdagingen aangaan

Om de overgang naar EV te versnellen, moet efficiënte apparatuur voor de elektrische voeding van voertuigen (EVSE), beter bekend als EV-oplaadsystemen, beschikbaar zijn. Voor lokale rijbehoeften kan worden volstaan met de ingebouwde AC-DC-laders in auto's om thuis of op kantoor op te laden, maar deze laadsystemen zijn niet in staat om de angst voor de actieradius van EV weg te nemen, waardoor de invoering van EV nog steeds wordt beperkt. E-mobiliteit op lange afstand is afhankelijk van de beschikbaarheid van openbare gelijkstroom-oplaadsystemen waarmee een EV veel sneller kan worden opgeladen dan met de ingebouwde AC-DC-opladers. Tegelijkertijd moeten deze verschillende EV-oplaadsystemen voldoen aan een aantal normen en voorschriften inzake veiligheid, beveiliging en privacy.

Voor ontwikkelaars die oplossingen voor EV-laadsystemen ontwikkelen, houdt de noodzaak om doeltreffende oplossingen te leveren voor elk specifiek gebruiksscenario zowel enorme mogelijkheden als aanzienlijke technische uitdagingen in. Een van de uitdagingen is dat ontwikkelaars een brede reeks mogelijkheden moeten bieden in een reeks ontwerpen die de vereiste prestaties en efficiëntie leveren en tegelijk voldoen aan de specifieke eisen voor elke toepassing. Om aan deze behoefte tegemoet te komen, moet de fundamentele architectuur die aan de basis ligt van alle ontwerpen voor oplaadsystemen voor elektrische voertuigen, worden aangepast.

Aanpassing van de basisarchitectuur van het EV-laadsysteem

Ongeacht de specifieke toepassing waarvoor ze bestemd zijn, bestaan oplaadsystemen voor elektrische voertuigen uit twee grote subsystemen - een front-end voor de stroomvoorziening en een back-end controller voor het stroombeheer - die van elkaar gescheiden zijn door een isolatiegrens (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De basisarchitectuur voor EV-oplaadsystemen omvat afzonderlijke subsystemen voor de interface van de socket en de controller, gescheiden door een isolatiegrens. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Aan de voorzijde, tegenover het voertuig en de energiebron, beheert het subsysteem van de socketinterface de stroomvoorziening aan het voertuig. Aan de andere kant van de isolatiebarrière zorgt het subsysteem besturing voor veiligheid, communicatie en andere functies op hoog niveau. De implementatie van deze subsystemen is doorgaans afhankelijk van enkele fundamentele bouwstenen om te voldoen aan specifieke eisen inzake metrologie, besturing, functionele veiligheid, beveiliging en communicatie voor elke specifieke toepassing.

Elke bouwsteen draagt bij tot de functionaliteit van het algemene ontwerp van het oplaadsysteem voor elektrische voertuigen. De metrologie-eenheid moet zorgen voor een veilige energieoverdracht en voor een nauwkeurige, fraudebestendige energiemeting voor facturatiedoeleinden. De besturingseenheid zorgt voor een betrouwbare uitvoering van de verschillende protocollen die nodig zijn voor de stroomafwaartse energieoverdracht en de stroomopwaartse gegevensoverdracht, waarbij wordt voortgebouwd op de mogelijkheden voor functionele veiligheid en beveiliging en tegelijk lokale en regiospecifieke vereisten worden ondersteund voor beveiligde betaling en communicatieprotocollen die worden gebruikt om te communiceren met cloudgebaseerde bronnen.

In het verleden moesten ontwikkelaars het basisontwerp van de EV-laadarchitectuur aanpassen aan hun eigen vereisten door elke benodigde bouwsteen te implementeren, waarbij meestal gebruik werd gemaakt van aangepaste ontwerpen met een brede waaier van apparaten voor algemeen gebruik. De reeks oplossingen van NXP voor het opladen van EV's biedt een doeltreffend alternatief, waarbij ontwikkelaars kant-en-klare bouwstenen kunnen combineren om snel ontwerpen te maken voor EV-laadsystemen voor een brede waaier van doeltoepassingen.

Implementatie van het front-end van het EV-laadsysteem

De oplossingen van NXP voor het opladen van elektrische voertuigen draaien rond een aantal processorfamilies die speciaal zijn ontworpen om de prestaties en functionaliteit te leveren die vereist zijn in veeleisende toepassingen zoals het ontwerpen van elektrische laadsystemen. Onder deze processorfamilies zijn leden van NXP's Kinetis KM3x serie microcontrollers (MCU's) speciaal ontworpen om een certificeerbare nauwkeurige vermogensmeting te leveren. Gebaseerd op een Arm® 32-bit Cortex® M0+ kern, integreren Kinetis KM3x MCU's een uitgebreide set functionele blokken voor metingen, beveiliging, communicatie en systeemondersteuning, samen met on-chip flash en statisch willekeurig toegankelijk geheugen (SRAM) (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Kinetis KM3x-serie integreert een complete set functionele blokken die nodig zijn om een certificeerbare nauwkeurige vermogensmeting uit te voeren. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Om de uitvoering van metingen te vereenvoudigen, integreert het meetfront-end van de KM35x MCU een uiterst nauwkeurige sigma-delta analoog-digitaal-convertors (ADC), meerdere successieve benaderingsregisters (SAR) ADC's, maximaal vier programmeerbare versterkers (PGA's), een snelle analoge comparator (HSCMP), een logisch blok voor fasecompensatie en een uiterst nauwkeurige interne spanningsreferentie (VREF) met lage temperatuurafwijking. Om de integriteit van de meeteenheid te beschermen, ondersteunt de beveiligingsfunctionaliteit op de chip zowel actieve als passieve sabotagedetectie met tijdstempeling. In combinatie met externe sensoren, relais en andere randapparatuur bieden deze on-chip blokken alle functionaliteit die nodig is om snel een geavanceerd metrologiesubsysteem te implementeren voor het front-end van een EV-laadsysteem (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Met een Kinetis KM MCU hebben ontwikkelaars slechts een paar extra externe componenten nodig om een EV-powersocketsubsysteem te implementeren. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Implementatie van de EV-laadsysteemcontroller

Zoals hierboven vermeld, orkestreert een controller voor EV-laadsystemen de grote verscheidenheid aan functionele mogelijkheden die in elk systeem nodig zijn. De eisen van dit subsysteem dicteren het gebruik van een processor die in staat is zowel de real-time prestaties te leveren die nodig zijn om een nauwkeurige controle van het laadsysteem te verzekeren, als de verwerkingscapaciteit die nodig is om diverse protocollen te ondersteunen, terwijl de ontwerpvoetafdruk en de kosten tot een minimum worden beperkt.

De i.MX RT-serie cross-overprocessoren van NXP, die gebaseerd zijn op de Arm Cortex-M7-kern, bieden de realtimemogelijkheden van embedded microcontrollers met prestaties op het niveau van applicatieprocessoren. Met een werkfrequentie van 600 megahertz (MHz) en een volledige aanvulling van randapparatuur kunnen i.MX RT-processoren, zoals de i.MX RT1064, voldoen aan de vraag naar real-time respons met lage latentie. Tegelijkertijd komen kenmerken als een groot geheugen op de chip, een externe geheugencontroller, een grafisch subsysteem en meervoudige aansluitingsinterfaces tegemoet aan de eisen van toepassingen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De i.MX RT1064 crossover-processor combineert randapparatuur en geheugen met een Arm Cortex-M7-processorsubsysteem dat is ontworpen om zowel realtime uitvoering als prestaties op applicatieprocessorniveau te leveren. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Het ontwerp van oplaadsystemen voor elektrische voertuigen moet niet alleen voldoen aan kritieke realtime en prestatie-eisen, maar moet ook de veiligheid op meerdere fronten waarborgen, waaronder sabotagedetectie en authenticatie van stroomaansluitingen en betaalmethoden. Voor gegevensbescherming, veilig opstarten en veilig debuggen kunnen ontwikkelaars hun voordeel doen met de geïntegreerde beveiligingsfuncties van de i.MX RT-processor, waaronder high assurance boot, hardware-cryptografie, busencryptie, veilige niet-vluchtige opslag en een veilige JTAG-controller (Joint Test Action Group).

Om de beveiliging van een besturingseenheid voor een EV-laadsysteem verder te verbeteren, kan een ontwerp de beveiligingsmogelijkheden van de i.MX RT-processor aanvullen met een NXP EdgeLock SE050-beveiligingselement. De SE050 is ontworpen om end-to-end levenscyclusbeveiliging te bieden en biedt hardwaregebaseerde beveiligingsversnellers voor een reeks populaire cryptografie-algoritmen, TPM-functionaliteit (trusted platform module), veilige bustransacties en veilige opslag. Door dit apparaat te gebruiken om een root of trust (RoT) voor de uitvoeringsomgeving te bieden, kunnen ontwikkelaars kritieke bewerkingen beveiligen, waaronder authenticatie, veilige onboarding, integriteitsbescherming en attestatie.

Met een i.MX RT-processor en EdgeLock SE05x-apparaat hebben ontwikkelaars slechts een paar extra componenten nodig om een besturingssubsysteem te implementeren dat is ontworpen om een krachtig realtime besturingssysteem (RTOS) te draaien (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Met hun geïntegreerde functionaliteit en prestatievermogen vereenvoudigen i.MX RT MCU's het ontwerp van besturingssubsystemen voor EV-laadsystemen. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Flexibele oplossingen voor diverse EV-laadsysteemtoepassingen

Door de hierboven vermelde subsystemen voor stroomvoorziening en besturing te combineren met optionele blokken voor betalings- en communicatieopties, kunnen ontwikkelaars snel een enkelfasig EV-oplaadsysteem implementeren dat tot 7 kilowatt (kW) kan leveren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: In combinatie vormen een KM3 MCU en i.MX RT-crossover-processor een efficiënte hardwarebasis voor EV-laadsystemen. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Met relatief bescheiden aanpassingen aan het analoge front-end kan ditzelfde ontwerp worden uitgebreid tot een driefasig oplaadsysteem voor EV's dat tot 22 kW kan leveren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Ontwikkelaars kunnen een ontwerp op basis van een KM3 MCU en i.MX RT-crossover-processor snel aanpassen om een verscheidenheid aan toepassingen te ondersteunen. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Hoewel deze combinatie van KM3x en i.MX RT apparaten geschikt is voor vele toepassingen, zullen ontwikkelaars voor andere toepassingen van EV-laadsystemen wellicht andere facetten van hun ontwerpen moeten optimaliseren. Voor residentiële laders bijvoorbeeld, die snellere oplaadtijden moeten bieden dan mogelijk is met boordladers, zijn oplossingen nodig die de kosten en de voetafdruk optimaliseren. Voor deze toepassingen kunnen ontwikkelaars een goedkopere controller op instapniveau implementeren met behulp van een kosteneffectieve MCU, zoals de NXP LPC55S69.

Commerciële EVSE-laders die bedoeld zijn voor openbare tankstations zullen daarentegen strengere eisen stellen aan de verwerking van snelle toepassingen en real-time prestaties. Deze zijn nodig voor een veilige regeling van batterijopslagsystemen die werken op niveaus van 400 tot 1000 volt en laadniveaus leveren van 350 kW of meer. Hier is het vermogen om zowel software op toepassingsniveau als realtime software uit te voeren van cruciaal belang voor de prestaties en de functionaliteit. Voor deze systemen stelt het gebruik van een processor zoals de NXP i.MX 8M-processor ontwikkelaars in staat om gemakkelijker laadoplossingen te implementeren die in staat zijn om zowel de op Linux gebaseerde applicatieverwerking als de RTOS-gebaseerde realtime prestaties te leveren die nodig zijn in deze complexe ontwerpen (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Voor complexere toepassingen, zoals ultrasnel opladen van EV's, kunnen ontwikkelaars de basisarchitectuur voor het opladen van EV's uitbreiden met krachtige processors, zoals de i.MX 8M-processors, om te voldoen aan complexere controllervereisten. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Snelle implementatie van cloud-connected EV-oplaadsystemen

NXP-processoren, waaronder de Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 en i.MX 8M, bieden een flexibel platform om te voldoen aan de specifieke vereisten van verschillende EV-laadsysteemtoepassingen. Voor complexere toepassingen kunnen vertragingen bij de invoering van de hardware echter leiden tot aanzienlijke vertragingen bij de ontwikkeling van de volledige toepassing van het oplaadsysteem voor elektrische voertuigen.

Om dergelijke vertragingen te voorkomen, biedt NXP een snelle ontwikkelingsroute met behulp van een reeks printplaten en evaluatiekits die zijn gebaseerd op de eerder besproken apparaten. Zo biedt de NXP TWR-KM34Z75M module een compleet meetplatform dat een Kinetis MKM34Z256VLQ7 metrologie MCU combineert met een volledige aanvulling van ondersteunende componenten. Evenzo combineert de i.MX RT1064-evaluatiekit van NXP een MIMXRT1064DVL6-processor met 256 megabits (Mbits) SDRAM, 512 Mbits flash, 64 Mbits quad SPI (QSPI) flash, dit alles op een vierlaagse kaart, compleet met een uitgebreide reeks aansluitingen voor randapparatuur, waaronder een Arduino-interface. Bovendien biedt de OM-SE050ARD-kaart van NXP gemakkelijke toegang tot de EdgeLock SE050, en de PNEV5180BM-evaluatiekaart van NXP biedt een drop-in NFC front-end ontwikkelingskaart.

Door het combineren van de NXP TWR-KM34Z75M-kaart voor metrologie, de i.MX RT1064 voor besturingsfuncties, en de OM-SE050ARD en PNEV5180B kaarten, kunnen ontwikkelaars snel een volledig functioneel hardware platform implementeren voor het bouwen van EV-laadsysteemtoepassingen (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Ontwikkelaars kunnen snel complete end-to-end EV-laadoplossingen implementeren met behulp van NXP-kaarten en evaluatiekits met beschikbare clouddiensten zoals Microsoft Azure. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Gebruikt in combinatie met Microsoft Azure cloud-diensten, stellen NXP's oplossingen op kaartniveau ontwikkelaars in staat om snel een prototype te maken van een complete end-to-end EV-laadsysteemoplossing en het platform te gebruiken als basis voor het ontwerpen van meer gespecialiseerde toepassingen.

Conclusie

De onmiddellijke beschikbaarheid van oplaadsystemen voor elektrische voertuigen is een belangrijke factor voor e-mobiliteit, maar de kosteneffectieve implementatie van de verschillende oplossingen die nodig zijn in woningen, kantoren en openbare servicestations blijft een hinderpaal. Met behulp van een platform van gespecialiseerde apparaten en kaartoplossingen van NXP Semiconductors kunnen ontwikkelaars snel ontwerpen implementeren met de prestaties die nodig zijn om te voldoen aan het volledige scala van EV-laadtoepassingen en met de flexibiliteit om zich aan te passen aan opkomende vereisten.