Miten toteuttaa nopeasti ja tehokkaasti joustavia EV-latausjärjestelmiä?

Sähköisen liikkuvuuden lisääntyminen perustuu sähköautojen latausinfrastruktuurin odotettuun käytettävyyteen julkisilla huoltoasemilla, jota täydennetään sopivilla latausjärjestelmillä käyttäjien kodeissa ja työpaikoilla. Vaikka järjestelmien keskeiset suunnitteluvaatimukset ovat pitkälti yhdenmukaisia, kukin järjestelmätyyppi asettaa erityisvaatimuksia. Niitä hankaloittavat vielä alueelliset erot eri tekijöissä viestintäalustoista oikeudellisiin vaatimuksiin.

Latausinfrastruktuurin suunnittelijoiden haasteena on siis täyttää keskeiset vaatimukset niin, että suunnittelussa on riittävästi joustavuutta, jotta mitä erilaisimmat loppukäyttö- ja alueelliset vaatimukset voidaan täyttää ja samalla voidaan löytää tasapaino kustannusten ja markkinoilletuontiajan välillä.

Tässä artikkelissa kuvataan ensin julkisten latausasemien erilaisia suunnitteluvaatimuksia. Sen jälkeen siinä esitellään joustava ratkaisualusta valmistajalta NXP Semiconductors. Alustan avulla markkinoille voidaan tuoda näiden vaatimusten mukaisia ratkaisuja.

Erilaisiin suunnitteluhaasteisiin vastaaminen

Jotta siirtymistä sähköautoihin voidaan nopeuttaa, sähköautojen tehokkaiden latausasemien (EVSE), jotka tunnetaan paremmin nimellä EV-latausjärjestelmät, täytyy olla helposti saatavilla. Paikalliset ajotarpeet voidaan tyydyttää ajoneuvoihin asennetuilla AC-DC-latureilla, jotka on tarkoitettu koti- tai toimistolataukseen, mutta nämä latausjärjestelmät eivät pysty poistamaan sähköautojen kantamaan liittyvää epävarmuutta, joka edelleen rajoittaa sähköautoiluun siirtymistä. Sähköinen liikkuvuus pitkillä etäisyyksillä on riippuvainen sähköautojen julkisten DC-latausjärjestelmien saatavuudesta. Näillä sähköauto voidaan ladata paljon nopeammin kuin sisäänrakennetuilla AC-DC-latureilla. Samaan aikaan näiden erilaisten EV-latausjärjestelmien on oltava useiden turvallisuutta, tietoturvaa ja yksityisyyden suojaa koskevien standardien ja säännösten mukaisia.

Tarve tarjota kuhunkin erityistapaukseen tehokkaita ratkaisuja tarkoittaa EV-latausjärjestelmäratkaisujen suunnittelijoille sekä valtavia mahdollisuuksia että huomattavia teknisiä haasteita. Haasteisiin kuuluu, että kehittäjien on voitava toteuttaa paljon erilaisia ominaisuuksia erilaisissa järjestelmissä tarjotakseen tarvittavan suorituskyvyn ja tehokkuuden sekä täyttämään samalla sovelluskohtaiset erityisvaatimukset. Tämän tarpeen täyttäminen edellyttää kaikkien EV-latausjärjestelmien suunnittelun perustana olevan perusarkkitehtuurin sovittamista sovelluksen mukaan.

EV-latausjärjestelmän perusarkkitehtuurin sovittaminen

EV-latausjärjestelmät koostuvat niiden erityisestä kohdesovelluksesta riippumatta kahdesta tärkeästä alijärjestelmästä – tehonjakelun etupäästä ja tehonhallinnan taustaohjaimesta – jotka on erotettu toisistaan eristysrajalla (kuva 1).

Kuva 1: EV-latausjärjestelmien perusarkkitehtuuri sisältää erilliset alijärjestelmät verkkovirtaliitännälle sekä ohjaimelle. Nämä on erotettu toisistaan eristysrajalla. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Ajoneuvoon ja energialähteeseen kytkettävä etupää sisältää verkkovirtaliitännän alijärjestelmän, joka ohjaa virran syöttöä ajoneuvoon. Eristysrajan toisella puolella sijaitseva ohjausalijärjestelmä huolehtii turvallisuudesta, kommunikaatiosta ja muista korkean tason toiminnoista. Näiden alijärjestelmien toteuttaminen riippuu yleensä muutamista perusmoduuleista, joilla voidaan täyttää kuhunkin sovellukseen liittyvät erityiset metrologiaa, ohjausta, toiminnallista turvallisuutta, tietoturvaa ja kommunikaatiota koskevat vaatimukset.

Kukin moduuli lisää EV-latausjärjestelmän kokonaisrakenteeseen tärkeitä toimintoja. Metrologiayksikön on taattava turvallinen energiansiirto sekä tarkka ja manipuloinnin estävä energianmittaus laskutustarkoituksia varten. Ohjausyksikkö takaa toiminnallisen turvallisuuden ja tietoturvatoimintojen avulla energiansiirtoon alaspäin ja tiedonsiirtoon ylöspäin tarvittavien erilaisten protokollien luotettavan suorittamisen. Se täyttää samalla paikalliset ja aluekohtaiset vaatimukset, jotka koskevat kommunikaatioon pilvipohjaisten resurssien kanssa käytettäviä turvallisia maksu- ja tiedonsiirtoprotokollia.

Aiemmin kehittäjien oli sovitettava EV-latausarkkitehtuurin perusrakenne omiin vaatimuksiinsa toteuttamalla itse kukin tarvittava moduuli – yleensä käyttäen asiakaskohtaisia ratkaisuja ja monenlaisia yleiskäyttöisiä laitteita. NXP:n EV-latausratkaisuperhe tarjoaa tehokkaan vaihtoehdon, jonka avulla kehittäjät voivat yhdistellä valmiita moduuleita ja luoda nopeasti EV-latausjärjestelmäratkaisuja monenlaisiin käyttökohteisiin.

EV-latausjärjestelmän etupään toteuttaminen

NXP:n EV-latausratkaisuissa käytetään useita prosessoriperheitä, joiden suorituskyky ja toiminnot on kehitetty erityisesti vaativia sovelluksia varten, esimerkkinä EV-latausjärjestelmät. Näistä prosessoriperheistä esimerkiksi NXP:n Kinetis KM3x -sarjan mikrokontrollerit (MCU) on suunniteltu erityisesti sertifioitavissa olevaan ja tarkkaan virranmittaukseen. Kinetis KM3x -mikrokontrollerit perustuvat 32-bittiseen Arm® Cortex® M0+ -ytimeen ja sisältävät laajan joukon mittaukseen, tietoturvaan, tiedonsiirtoon ja järjestelmätukeen tarkoitettuja toimilohkoja sekä piirin sisäisen flash-muistin ja SRAM (Static Random Access Memory) -muistin (kuva 2).

Kuva 2: Kinetis KM3x -sarja sisältää kattavan joukon toimilohkoja, jotka tarvitaan sertifioitavissa olevan ja tarkan virranmittauksen toteuttamiseen. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Metrologian toteutuksen yksinkertaistamiseksi Km35x-mikrokontrollerin mittausetuasteeseen on integroitu erittäin tarkka sigma-delta-analogia-digitaalimuunnin (ADC), useita SAR (Successive Approximation Register) -rekisteriä käyttäviä analogia-digitaalimuuntimia (ADC), jopa neljä ohjelmoitavissa olevaa vahvistinta (PGA), huippunopea analoginen komparaattori (HSCMP), logiikkalohko vaiheen kompensointiin ja erittäin tarkka sisäinen jännitereferenssi (VREF) alhaisella lämpötilamuutoksella. Metrologiayksikön eheyttä suojaa piirin oma turvatoiminto, joka tukee aikaleimalla sekä aktiivista että passiivista manipuloinnin tunnistusta. Nämä piirillä sijaitsevat lohkot tarjoavat yhdessä ulkoisten antureiden, releiden ja muiden oheislaitteiden kanssa kaikki toiminnot, jotka tarvitaan kehittyneen metrologia-alijärjestelmän nopeaan toteuttamiseen EV-latausjärjestelmän verkkovirtaetupäätä varten (kuva 3).

Kuva 3: Kinetis KM -mikrokontrollerin ansiosta kehittäjät tarvitsevat vain muutamia ulkoisia lisäkomponentteja EV-verkkovirta-alijärjestelmän toteuttamiseen. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

EV-latausjärjestelmäohjaimen toteuttaminen

Kuten edellä on todettu, EV-latausjärjestelmäohjain koordinoi monia eri toimintoja, joita tarvitaan jokaisessa järjestelmässä. Tämän alijärjestelmän vaatimuksiin tarvitaan prosessori, joka pystyy tarjoamaan sekä latausjärjestelmän tarkkaan ohjaukseen tarvittavan reaaliaikaisen suorituskyvyn että erilaisten protokollien tukemiseen vaaditun prosessointitehon ja samalla minimoimaan ratkaisun tilantarpeen ja kustannukset.

Arm Cortex-M7 -ytimeen perustuvat NXP:n i.MX RT -sarjan sovellusprosessorit tarjoavat sulautettujen mikrokontrollerien reaaliaikaiset ominaisuudet ja sovellusprosessoritason suorituskyvyn. 600 megahertsin (MHz) toimintataajuudella ja kattavalla oheislaitevalikoimalla i.MX RT -prosessorit, kuten i.MX RT1064, täyttävät reaaliaikaisten alhaisen latenssin vasteiden asettamat vaatimukset. Samanaikaisesti sellaiset ominaisuudet kuten suuri kortilla oleva muisti, ulkoinen muistiohjain, grafiikka-alijärjestelmä ja useat liitäntärajapinnat kattavat sovellusvaatimukset (kuva 4).

Kuva 4: i.MX RT1064 -sovellusprosessori yhdistää oheislaitteet ja muistin Arm Cortex-M7 -prosessorialijärjestelmään, mikä tarjoaa sekä reaaliaikaisen suorituksen että sovellusprosessoritason suorituskyvyn. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Kriittisten reaaliaika- ja suorituskykyvaatimusten täyttämisen ohella EV-latausjärjestelmien suunnittelussa on varmistettava tietoturva monella eri osa-alueella, joihin kuuluvat esimerkiksi manipuloinnin tunnistus sekä virtaliitäntöjen ja maksutapojen todennus. Tietosuojaa, suojattua käynnistystä ja turvallista debuggausta varten kehittäjät voivat hyödyntää i.MX RT -prosessorin integroituja tietoturvaominaisuuksia, kuten HAB (High Assurance Boot) -käynnistystä, laitteistokryptografiaa, väylän salausta, suojattua haihtumatonta muistia ja suojattua JTAG (Joint Test Action Group) -ohjainta.

EV-latausjärjestelmäohjaimen turvallisuutta voidaan vahvistaa entisestään täydentämällä i.MX RT -prosessorin tietoturvaominaisuuksia tyypillisesti NXP EdgeLock SE050 -turvaelementillä. SE050 on suunniteltu elinkaaren päästä päähän kattavaan suojaukseen, ja se tarjoaa laitteistopohjaiset tietoturvakiihdyttimet useille suosituille salausalgoritmeille, TPM (Trusted Platform Module) -toiminnoille, suojatuille väylätapahtumille ja suojatulle muistille. Käyttämällä tätä laitetta suoritusympäristön luottamuksen perustana (RoT) kehittäjät voivat turvata kriittiset toiminnot, kuten tunnistautumisen, turvallisen rekisteröitymisen, eheyden suojauksen ja todennuksen.

i.MX RT -prosessorin ja EdgeLock SE05x -laitteen ansiosta kehittäjät tarvitsevat vain muutamia lisäkomponentteja ohjainalijärjestelmän toteutukseen, jossa huipputehokas reaaliaikainen käyttöjärjestelmä (RTOS) toimii (kuva 5).

Kuva 5: i.MX RT -mikrokontrollerit helpottavat EV-latausjärjestelmien ohjainalijärjestelmien suunnittelua integroitujen toimintojensa ja suorituskykyominaisuuksiensa ansiosta. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Joustavia ratkaisuja erilaisiin EV-latausjärjestelmäsovelluksiin

Kun kehittäjät yhdistävät edellä mainitun tehoalijärjestelmän ja ohjainalijärjestelmät sekä maksu- ja tiedonsiirtovaihtoehtojen valinnaiset lohkot, he voivat toteuttaa nopeasti yksivaiheisen EV-latausjärjestelmän, joka pystyy tarjoamaan jopa 7 kilowattia (kW) (kuva 6).

Kuva 6: KM3-mikrokontrolleri ja i.MX RT -sovellusprosessori tarjoavat yhdessä tehokkaan laitteistoalustan EV-latausjärjestelmille. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Analogiseen etupäähän tehtävillä suhteellisen pienillä muutoksilla tätä samaa ratkaisua voidaan laajentaa kolmivaiheiseksi EV-latausjärjestelmäksi, joka pystyy tuottamaan jopa 22 kW:n tehon (kuva 7).

Kuva 7: Kehittäjät voivat mukauttaa nopeasti KM3-mikrokontrolleriin ja i.MX RT -sovellusprosessoriin perustuvan ratkaisun tukemaan erilaisia sovelluksia. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Vaikka tämä KM3x- ja i.MX RT -laitteiden yhdistelmä sopii moniin käyttötapauksiin, on EV-latausjärjestelmäsovelluksia, joissa kehittäjien täytyy optimoida ratkaisun muita puolia. Esimerkiksi kotilaturit, joiden tarkoituksena on mahdollistaa ajoneuvolatureita nopeammat latausajat, vaativat ratkaisuja, joilla optimoidaan kustannukset ja tilantarve. Kehittäjät voivat toteuttaa tällaisia sovelluksia varten edullisemman lähtötason ohjaimen käyttämällä kustannustehokasta mikrokontrolleria, kuten NXP LPC55S69.

Julkisille huoltoasemille tarkoitetut kaupalliset EVSE-laturit asettavat sitä vastoin tiukempia vaatimuksia huippunopealle sovellusprosessoinnille ja reaaliaikaiselle suorituskyvylle. Niitä tarvitaan 400–1000 voltin jännitetasoilla toimivien ja vähintään 350 kW:n lataustasoja käyttävien akkuvarastointijärjestelmien turvalliseen ohjaukseen. Tällöin suorituskyvyn ja toimintojen kannalta on ratkaisevaa, että voidaan suorittaa sekä sovellustason ohjelmistoja että reaaliaikaisia ohjelmistoja. NXP i.MX 8M -tyyppisen prosessorin käyttö tällaisissa järjestelmissä mahdollistaa sen, että kehittäjät voivat toteuttaa helpommin latausratkaisuja, jotka tarjoavat sekä Linux-pohjaisen sovellusprosessoinnin että RTOS-pohjaisen reaaliaikaisen suorituskyvyn, joita tällaisissa kompleksisissa ratkaisuissa tarvitaan (kuva 8).

Kuva 8: Kompleksisempia sovelluksia, kuten ultranopea EV-lataus, varten kehittäjät voivat laajentaa sähköautojen lataamisen perusarkkitehtuuria huipputehokkailla prosessoreilla, kuten i.MX 8M, kompleksisempien ohjainvaatimusten tukemiseksi. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Pilveen yhdistettävien EV-latausjärjestelmien nopea toteutus

NXP:n prosessorit, kuten Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 ja i.MX 8M, tarjoavat joustavan alustan erilaisten EV-latausjärjestelmäsovellusten erityisvaatimuksiin. Kompleksisemmissa sovelluksissa laitteistoalustan käyttöönoton viivästykset voivat kuitenkin hidastaa merkittävästi EV-latausjärjestelmän päästä-päähän-sovelluksen kehittämistä.

Tällaisten viivytysten välttämiseksi NXP tarjoaa nopean kehitysmenetelmän, jossa käytetään aiemmin käsiteltyihin laitteisiin perustuvia kortteja ja arviointisarjoja. Esimerkiksi NXP:n TWR-KM34Z75M -moduuli tarjoaa kattavan metrologia-alustan, jossa yhdistyvät Kinetis-mikrokontrolleri MKM34Z256VLQ7 sekä kattava joukko tukikomponentteja. Vastaavasti NXP:n i.MX RT1064 -arviointisarja yhdistää MIMXRT1064DVL6-prosessorin sekä 256 megabittiä (Mbit) SDRAM-muistia, 512 megabittiä flash-muistia ja 64 megabittiä Quad-SPI (QSPI) flash -muistia. Kaikki nämä on sijoitettu nelikerroksiseen piirikorttiin, joka tarjoaa myös kattavan joukon oheislaiteliittimiä, mm. Arduino-liitännän. Lisäksi NXP:n OM-SE050ARD-kortti antaa käyttöön EdgeLock SE05 -turvaelementin, ja NXP:n PNEV5180BM-evaluointikortti tarjoaa valmiin NFC-etuasteen kehitysalustan.

Kun kehittäjät yhdistävät NXP:n TWR-KM34Z75M-metrologiakortin, ohjaustoiminnoille tarkoitetun i.MX RT1064 -arviointisarjan sekä OM-SE050ARD- ja PNEV5180B-kortit, he voivat toteuttaa nopeasti täysin toimintakykyisen laitteistoalustan EV-latausjärjestelmäsovellusten suunnittelua varten (kuva 9).

Kuva 9: Kehittäjät voivat toteuttaa nopeasti kokonaisia EV-lataussovelluksia käyttämällä NXP:n kehityskortteja ja arviointisarjoja sekä niihin saatavia pilvipalveluita, kuten Microsoft Azure. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Kun kehittäjät käyttävät Microsoft Azure -pilvipalveluita yhdessä NXP:n kehityskorttitason ratkaisujen kanssa, he voivat luoda nopeasti prototyypin kokonaiselle päästä-päähän EV-latausjärjestelmäratkaisulle ja käyttää alustaa perustana sovellusten jatkokehityksessä.

Yhteenveto

EV-latausjärjestelmien helppo saatavuus on tärkeä edellytys sähköiselle liikkuvuudelle, mutta esteenä on edelleen kodeissa, toimistoissa ja julkisilla huoltoasemilla tarvittavien erilaisten ratkaisujen kustannustehokas toteuttaminen. Kehittäjät voivat mm. laitteita ja kehityskortteja sisältävää NXP Semiconductors -yrityksen sovelluskohtaista ratkaisualustaa käyttämällä toteuttaa nopeasti ratkaisuja, jotka tarjoavat riittävän suorituskyvyn EV-lataussovellusten koko kirjoa varten ja jotka voidaan sovittaa joustavasti uusiin vaatimuksiin.