Jak rychle a efektivně implementovat flexibilní systémy nabíjení elektromobilů

Trend směřující k e-mobilitě se opírá o očekávanou dostupnost infrastruktury nabíjení elektrických vozidel (EV) v podobě veřejných čerpacích stanic, doplněné vhodnými nabíjecími systémy v domácnostech a na pracovištích uživatelů. Ačkoli základní požadavky na návrh zůstávají do značné míry konzistentní, každý typ systému přináší specializované požadavky, což je komplikace, která je umocněna regionálními rozdíly ve faktorech od komunikačních platforem až po požadavky na shodu s normami.

Výzvou pro konstruktéry nabíjecí infrastruktury je proto splnit základní požadavky s dostatečnou flexibilitou návrhů, aby vyhovovaly co nejširšímu spektru koncových a regionálních požadavků, a zároveň vyvážit náklady a dobu do uvedení na trh.

V tomto článku je popsána různorodá povaha požadavků na návrh veřejných nabíjecích stanic. Poté je zde představena platforma flexibilních řešení od společnosti NXP Semiconductors, kterou lze použít k uvedení návrhů vybavených tak, aby tyto požadavky splnily.

Splnění různých výzev návrhu

Snahy o urychlení přechodu na EV vyžadují okamžitou dostupnost efektivního vybavení pro nabíjení elektrických vozidel (EVSE), běžněji známého jako nabíjecí systémy EV. Při potřebě místních jízd mohou stačit palubní AC-DC nabíječky zabudované do vozidel pro domácí nebo kancelářské nabíjení, ale tyto nabíjecí systémy nejsou schopny zbavit obav z dojezdu EV, které stále omezují větší přijetí EV. E-mobilita na dlouhé vzdálenosti závisí na dostupnosti veřejných stejnosměrných nabíjecích systémů EV, které jsou schopny nabíjet elektromobil mnohem rychleji než vestavěné AC-DC nabíječky. Tyto různé systémy nabíjení EV musí zároveň splňovat řadu norem a předpisů pro bezpečnost, zabezpečení a soukromí.

Pro vývojáře, kteří vytvářejí řešení nabíjecích systémů EV, představuje potřeba dodávat efektivní řešení pro každý konkrétní případ použití jak obrovské příležitosti, tak významné technické výzvy. Mezi tyto výzvy patří, že vývojáři potřebují poskytnout širokou sadu funkcí v řadě návrhů, které jsou schopny poskytnout požadovaný výkon a efektivitu při splnění specifických požadavků pro jednotlivé aplikace. Splnění této potřeby vyžaduje přizpůsobení základní architektury, která je základem všech návrhů nabíjecích systémů EV.

Přizpůsobení základní architektury nabíjecích systémů EV

Bez ohledu na svou specifickou cílovou aplikaci se nabíjecí systémy EV skládají ze dvou hlavních subsystémů – front-endu pro dodávku energie a back-endového řadiče řízení napájení – oddělených izolací (obrázek 1).

Obrázek 1: Základní architektura nabíjecích systémů EV zahrnuje samostatné subsystémy pro rozhraní elektrické zásuvky a řadič oddělené izolací. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Na front-endové straně směřující k vozidlu a zdroji energie řídí dodávku energie do vozidla subsystém rozhraní napájecí zásuvky. Na druhé straně izolační bariéry se řídicí subsystém stará o bezpečnost, komunikaci a další funkce na vysoké úrovni. Implementace těchto subsystémů závisí obvykle na několika základních stavebních blocích, aby byly splněny specifické požadavky na metrologii, řízení, funkční bezpečnost, zabezpečení a komunikaci související s jednotlivými konkrétními aplikacemi.

Každý stavební blok přispívá kritickými funkcemi k celkovému návrhu nabíjecího systému EV. Metrologická jednotka musí zajistit bezpečný přenos energie a také přesné měření energie odolné proti neoprávněné manipulaci pro účely fakturace. Řídicí jednotka zajišťuje spolehlivé provádění různých protokolů požadovaných pro downstream přenos energie a upstream přenos dat, je založena na funkcích pro funkční bezpečnost a zabezpečení a zároveň podporuje místní a regionální požadavky na bezpečné platby a komunikační protokoly používané ke komunikaci s cloudovými zdroji.

V minulosti potřebovali vývojáři přizpůsobit základní návrh architektury nabíjení EV svým požadavkům implementací každého potřebného stavebního bloku, obvykle pomocí vlastních návrhů zahrnujících širokou škálu univerzálních zařízení. Řada řešení společnosti NXP pro nabíjení EV nabízí efektivní alternativu, která umožňuje vývojářům kombinovat hotové stavební bloky a rychle vytvářet návrhy nabíjecích systémů EV pro širokou škálu cílových aplikací.

Implementace front-endu nabíjecího systému EV

Řešení společnosti NXP pro nabíjení EV se točí kolem několika řad procesorů navržených speciálně tak, aby poskytovaly výkon a funkce požadované v náročných aplikacích, jako jsou návrhy nabíjecích systémů EV. Mezi těmito řadami procesorů jsou členy řady mikrokontrolérů (MCU) Kinetis KM3x společnosti NXP navrženy speciálně tak, aby poskytovaly certifikovatelné přesné měření dodávky energie. Mikrokontroléry Kinetis KM3x jsou založeny na 32bitovém jádru Cortex® M0+ Arm® a integrují v sobě rozsáhlou sadu funkčních bloků pro měření, zabezpečení, komunikaci a systémovou podporu spolu s flash pamětí na čipu a statickou pamětí s náhodným přístupem (SRAM) (obrázek 2).

Obrázek 2: Řada Kinetis KM3x v sobě integruje kompletní sadu funkčních bloků potřebných k implementaci certifikovatelného přesného měření dodávky energie. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Ke zjednodušení implementace metrologie integruje měřicí front-end mikrokontroléru KM35x vysoce přesný sigma-delta analogově-digitální převodník (ADC), několik A/D převodníků s postupnou aproximací (SAR), až čtyři zesilovače s programovatelným zesílením (PGA), vysokorychlostní analogový komparátor (HSCMP), logický blok fázové kompenzace a vysoce přesnou interní napěťovou referenci (VREF) s nízkým teplotním driftem. K ochraně integrity metrologické jednotky podporuje funkce zabezpečení na čipu aktivní i pasivní detekci neoprávněné manipulace s časovým razítkem. Tyto bloky na čipu, které se používají v kombinaci s externími senzory, relé a dalšími periferními zařízeními, poskytují všechny funkce potřebné k rychlé implementaci sofistikovaného metrologického subsystému pro front-end elektrické zásuvky nabíjecího systému EV (obrázek 3).

Obrázek 3: S mikrokontrolérem Kinetis KM potřebují vývojáři k implementaci subsystému elektrické zásuvky pro EV pouze několik dalších externích součástek. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Implementace řadiče nabíjecího systému EV

Jak bylo uvedeno výše, řadič nabíjecích systémů EV organizuje širokou škálu funkčních možností potřebných v každém systému. Požadavky tohoto subsystému diktují použití procesoru schopného poskytovat jak výkon v reálném čase potřebný k zajištění přesného řízení nabíjecího systému, tak i propustnost zpracování potřebnou k podpoře různých protokolů při minimalizaci velikosti a nákladů návrhu.

Řada i.MX RT crossover procesorů společnosti NXP založená na jádru Arm Cortex-M7poskytuje funkce vestavěných mikrokontrolérů v reálném čase s výkonem na úrovni aplikačního procesoru. S provozní frekvencí 600 MHz a plným počtem periferií jsou procesory i.MX RT, jako je např. model i.MX RT1064, schopny splnit požadavky na odezvu v reálném čase s nízkou latencí. Funkce, jako je velká paměť na čipu, externí paměťový řadič, grafický subsystém a několik rozhraní pro připojení splňují požadavky aplikací (obrázek 4).

Obrázek 4: Crossover procesor i.MX RT1064 kombinuje periferní zařízení a paměť s procesorovým subsystémem Arm Cortex-M7 navrženým tak, aby poskytoval jak provádění v reálném čase, tak výkon na úrovni aplikačního procesoru. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Kromě splnění kritických požadavků v reálném čase a výkonu musí návrhy nabíjecích systémů pro EV zajistit bezpečnost na více frontách, včetně detekce neoprávněné manipulace a ověřování připojení k napájení a způsobů platby. K ochraně dat, bezpečnému spouštění a bezpečnému ladění mohou vývojáři využít integrovaných bezpečnostních funkcí procesoru i.MX RT včetně spouštění s vysokou jistotou, hardwarové kryptografie, šifrování sběrnice, bezpečného energeticky nezávislého úložiště a zabezpečeného řadiče Joint Test Action Group (JTAG).

K dalšímu posílení zabezpečení v řadiči nabíjecího systému EV by návrh typicky doplňoval bezpečnostní možnosti procesoru i.MX RT zahrnutím bezpečnostního prvku EdgeLock SE050 společnosti NXP. Prvek SE050, navržený tak, aby poskytoval zabezpečení po celou životnost, poskytuje hardwarové akcelerátory zabezpečení pro řadu oblíbených kryptografických algoritmů, funkce TPM (Trusted Platform Module), zabezpečené sběrnicové transakce a zabezpečené úložiště. Použitím tohoto zařízení k poskytování služeb Root of Trust (RoT) pro spouštěcí prostředí mohou vývojáři zabezpečit kritické operace včetně ověřování, bezpečného onboardingu, ochrany integrity a atestace.

Při použití procesoru i.MX RT a zařízení EdgeLock SE05x potřebují vývojáři k implementaci podsystému řadiče navrženého pro provoz vysoce výkonného operačního systému v reálném čase (RTOS) jen několik dalších součástek (obrázek 5).

Obrázek 5: Mikrokontroléry i.MX RT se svými integrovanými funkcemi a možnostmi výkonu zjednodušují návrh řídicích subsystémů pro nabíjecí systémy EV. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Flexibilní řešení pro různé aplikace nabíjecích systémů EV

Kombinací napájecího subsystému a řídicích subsystémů zmíněných výše s volitelnými bloky pro platební a komunikační možnosti mohou vývojáři rychle implementovat jednofázový nabíjecí systém EV schopný dodat až 7 kW (obrázek 6).

Obrázek 6: Mikrokontrolér KM3 a crossover procesor i.MX RT poskytují ve vzájemné kombinaci efektivní hardwarový základ pro nabíjecí systémy EV. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

S relativně skromnými úpravami analogového front-endu lze stejný návrh rozšířit tak, aby poskytoval třífázový nabíjecí systém EV schopný dodat až 22 kW (obrázek 7).

Obrázek 7: Vývojáři mohou pro podporu různých aplikací rychle přizpůsobit návrh založený na mikrokontroléru KM3 a crossover procesoru i.MX RT. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Přestože tato kombinace zařízení KM3x a i.MX RT bude vyhovovat mnoha případům použití, jiné aplikace nabíjecího systému EV mohou vyžadovat, aby vývojáři optimalizovali další aspekty návrhů. Například domácí nabíječky určené k poskytování rychlejší doby nabíjení, než je možné u palubních nabíječek, budou vyžadovat řešení, která optimalizují náklady a velikost. Pro tyto aplikace mohou vývojáři implementovat levnější základní řadič pomocí cenově efektivního mikrokontroléru, jako je model LPC55S69 společnosti NXP.

Naproti tomu komerční nabíječky EVSE určené pro veřejné čerpací stanice přinesou přísnější požadavky na vysokorychlostní zpracování aplikací a výkon v reálném čase. Ty jsou potřebné k bezpečnému řízení bateriových úložných systémů pracujících na úrovních od 400 do 1 000 V a poskytujících úrovně nabíjení 350 kW nebo více. Pro výkon a funkčnost je zde rozhodující schopnost spouštět software na aplikační úrovni i software v reálném čase. Pro tyto systémy umožňuje použití procesoru, jako je model i.MX 8M společnosti NXP, vývojářům snadněji implementovat řešení nabíjení, která jsou schopna zajistit jak zpracování aplikací na bázi Linuxu, tak výkon v reálném čase s podporou RTOS potřebný v těchto komplexních návrzích (obrázek 8).

Obrázek 8: Pro složitější aplikace, jako je ultra rychlé nabíjení EV, mohou vývojáři rozšířit základní architekturu nabíjení EV pomocí vysoce výkonných procesorů, jako jsou procesory i.MX 8M, aby podpořili složitější požadavky na řadiče. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Rychlá implementace cloudových nabíjecích systémů pro EV

Procesory společnosti NXP včetně Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 a i.MX 8M poskytují flexibilní platformu pro splnění specifických požadavků různých aplikací nabíjecích systémů EV. U složitějších aplikací však může zpoždění v nasazení hardwarového základu způsobit značná zpoždění ve vývoji aplikace end-to-end nabíjecího systému EV.

Společnost NXP nabízí rychlou cestu k vývoji pomocí sady desek a vyhodnocovacích sad založených na zařízeních, o nichž jsme hovořili dříve, aby se takovýmto zpožděním předešlo. Například modul TWR-KM34Z75M společnosti NXP poskytuje kompletní metrologickou platformu, která kombinuje metrologický MCU Kinetis MKM34Z256VLQ7 s plnou výbavou podpůrných součástek. Podobně vyhodnocovací sada i.MX RT1064 společnosti NXP kombinuje procesor MIMXRT1064DVL6 s 256 Mbit SDRAM, 512 Mbit flash paměti, 64 Mbit quad SPI (QSPI) flash paměti, to vše na čtyřvrstvé desce doplněné o rozsáhlou sadu periferních konektorů včetně rozhraní Arduino. Navíc deska OM-SE050ARD společnosti NXP poskytuje snadný přístup k prvku EdgeLock SE050 a vyhodnocovací deska PNEV5180BM společnosti NXP poskytuje miniaturní front-end vývojovou desku NFC.

Kombinací desky TWR-KM34Z75M pro metrologii, procesoru i.MX RT1064 pro řídicí funkce a desek OM-SE050ARD a PNEV5180B společnosti NXP mohou vývojáři rychle implementovat plně funkční hardwarovou platformu pro budování aplikací nabíjecích systémů EV (obrázek 9).

Obrázek 9: Vývojáři mohou rychle implementovat kompletní end-to-end řešení nabíjení EV pomocí desek a vyhodnocovacích sad společnosti NXP s dostupnými cloudovými službami, jako je Microsoft Azure. (Zdroj obrázku: společnost NXP Semiconductors)

Řešení společnosti NXP na úrovni desek, která se používají v kombinaci s cloudovými službami Microsoft Azure, umožňují vývojářům rychle vytvořit prototyp kompletního řešení nabíjecího systému EV a použít platformu jako základ pro navrhování specializovanějších aplikací.

Závěr

Snadná dostupnost nabíjecích systémů EV je klíčovým faktorem pro e-mobilitu, ale cenově efektivní implementace různých řešení potřebných v domácnostech, kancelářích a veřejných čerpacích stanicích zůstává překážkou. Pomocí platformy specializovaných zařízení a řešení desek od společnosti NXP Semiconductors mohou vývojáři rychle implementovat návrhy s výkonem potřebným pro splnění celé řady aplikací pro nabíjení EV a flexibility pro přizpůsobení nově se objevujícím požadavkům.