A rugalmas villanyjárműtöltő rendszerek gyors és hatékonyan megvalósításának módja

A villanyjárművek elterjedésének irányába mutató fejlődési folyamat azon alapul, hogy a jövőben várhatóan rendelkezésre áll majd a villanyjárművek (EV) töltésére szolgáló nyilvános töltőállomások infrastruktúrája, amelyet a felhasználók otthonában és munkahelyén található megfelelő töltőrendszerek egészítenek ki. Bár az alapvető tervezési követelményeik nagyrészt egységesek maradnak, az egyes rendszertípusok különleges igényeket támasztanak, amit a kommunikációs platformoktól a megfelelőségi követelményekig terjedő tényezők regionális különbségei tovább bonyolítanak.

A töltőinfrastruktúra tervezői számára ezért az a kihívás, hogy az alapvető követelményeket úgy teljesítsék, hogy a tervezés során kellő rugalmasságot biztosítsanak a végfelhasználás és a regionális igények lehető legszélesebb körének kielégítésére, miközben egyensúlyt teremtenek a költségek és a piacra jutási idő között.

Ez a cikk a nyilvános töltőállomások tervezési követelményeinek változatos jellegét ismerteti. Ezután bemutatja az NXP Semiconductors rugalmas megoldásokat kínáló platformját, amely az említett követelményeknek megfelelően kialakított tervek megvalósítására használható.

Megfelelés a különböző tervezési kihívásoknak

A villanyjárművekre való átállás felgyorsítására irányuló erőfeszítések sikeréhez arra van szükség, hogy használható és hatékony villanyjármű-ellátó berendezések (EVSE), közismertebb nevükön villanyjárműtöltő (vagy más néven elektromosjármű-töltő) rendszerek álljanak rendelkezésre. A helyi közlekedési igények kielégíthetők az otthoni vagy irodai töltéshez a járművekbe épített, váltakozó áramot egyenárammá alakító (AC–DC) töltőkkel, de ezek a töltőrendszerek nem képesek enyhíteni a villanyjárművek hatótávolságával kapcsolatos aggodalmakat, amelyek továbbra is korlátozzák ezen járművek elfogadottságát. A nagy hatótávolságú villanyjárművek az olyan nyilvános egyenáramú töltőrendszerek elérhetőségétől függenek, amelyek képesek sokkal gyorsabban feltölteni a villanyjárműveket, mint az azokba beépített AC–DC töltők. Ugyanakkor ezeknek a különböző villanyjárműtöltő rendszereknek számos szabványnak és előírásnak kell megfelelniük a biztonság, a védelem és a magánélet védelme érdekében.

A különféle villanyjárműtöltő rendszereken dolgozó fejlesztők számára óriási lehetőségeket és jelentős technikai kihívásokat is jelent az az igény, hogy a felhasználók minden konkrét felhasználási esethez hatékony megoldásokat várnak el. A kihívások között szerepel, hogy a fejlesztőknek a képességek széles skáláját kell kínálniuk a szükséges teljesítményt és hatásfokot szavatoló kialakítások kiterjedt tartományában, miközben az egyes alkalmazások egyedi követelményeinek is meg kell felelniük. Ennek az igénynek a kielégítéséhez át kell alakítani az összes villanyjárműtöltő rendszer tervezésének alapjául szolgáló alaparchitektúrát.

A villanyjárműtöltő rendszerek alaparchitektúrájának átalakítása

A villanyjárműtöltő rendszerek a konkrét célterülettől függetlenül két fő alrendszerből állnak – egy áramellátó felhasználói részből és egy a háttérben rejlő energiagazdálkodás-szabályozóból –, amelyeket egy elkülönítő határvonal választ el egymástól (1. ábra).

1. ábra: A villanyjárműtöltő rendszerek alapfelépítése külön alrendszereket tartalmaz a hálózati aljzat és a vezérlőegység számára, amelyeket egy elkülönítő határvonal választ el egymástól (kép: NXP Semiconductors)

A jármű és az energiaforrás felé eső felhasználói oldalon a hálózati aljzat alrendszere kezeli a jármű energiaellátását. Az elkülönítő határvonal másik oldalán a vezérlőegység alrendszere kezeli a biztonsági, kommunikációs és egyéb magas szintű funkciókat. Ezeknek az alrendszereknek a megvalósítása jellemzően jó néhány alapvető építőelemtől függ, ezek teszik lehetővé, hogy megfeleljenek az egyes konkrét felhasználási területekhez kapcsolódó méréstechnikai, ellenőrzési, működésbiztonsági, biztonsági és kommunikációs követelményeknek.

Minden egyes építőelem kritikus funkciókkal járul hozzá a teljes villanyjárműtöltő rendszer kialakításához. A mérőegységnek biztosítania kell a biztonságos energiaátvitelt, valamint a számlázási célú, pontos és feltörésbiztos energiamennyiség-mérést. A vezérlőegység a működésbiztonsági és a biztonsági képességekre építve biztosítja a jármű felé irányuló energiaátvitelhez és a töltőegység felé irányuló adatátvitelhez szükséges különböző protokollok megbízható végrehajtását, és egyúttal támogatja a felhőalapú erőforrásokkal való kommunikációhoz használt biztonságos fizetési és kommunikációs protokollokra vonatkozó helyi és régióspecifikus követelményeket.

A múltban a fejlesztőknek a villanyjárműtöltő alaparchitektúra tervezését kellett a saját igényeikhez igazítaniuk az egyes szükséges építőelemek megvalósításával, jellemzően általános célú eszközök széles skáláját tartalmazó egyedi terveket használva. Az NXP villanyjárműtöltési megoldásokat kínáló termékcsaládja hatékony alternatívát kínál, lehetővé téve a fejlesztők számára, hogy a készen kapható építőelemeket kombinálva gyorsan hozzanak létre villanyjárműtöltő rendszerek megvalósítására irányuló terveket a felhasználási célterületek széles köréhez.

A villanyjárműtöltő rendszer felhasználói oldalának megvalósítása

Az NXP villanyjárműtöltési megoldásai számos olyan processzorcsalád köré épülnek, amelyeket kifejezetten az olyan igényes felhasználási területeken szükséges teljesítmény és funkciók biztosítására terveztek, amilyeneket a villanyjárműtöltő rendszerek megkövetelnek. Ezek közül a processzorcsaládok közül az NXP Kinetis KM3x sorozatú mikrovezérlő (MCU) termékcsaládjának tagjait kifejezetten arra tervezték, hogy minősíthető pontosságú energiafogyasztás-mérést tegyenek lehetővé. Az ARM® 32 bites Cortex® M0+ magra épülő Kinetis KM3x mikrovezérlők a mérési, biztonsági, kommunikációs és rendszertámogató funkcionális blokkok széles skáláját tartalmazzák, a lapkán belüli flashmemóriával és statikus véletlen hozzáférésű memóriával (SRAM) együtt (2. ábra).

2. ábra: A Kinetis KM3x sorozat tagjai tartalmazzák a minősíthető pontosságú energiafogyasztás-mérés megvalósításához szükséges összes funkcionális blokkot (kép: NXP Semiconductors)

A KM35x mikrovezérlő mérési felhasználói oldala a méréstechnikai megvalósítás egyszerűsítése érdekében egy nagy pontosságú szigma-delta analóg-digitális átalakítót (ADC), több sorozatos közelítéses regiszterű (SAR) analóg-digitális átalakítót, legfeljebb négy programozható erősítésű erősítőt (PGA), egy nagy sebességű analóg komparátort (HSCMP), egy fáziskiegyenlítéses logikai blokkot és egy nagy pontosságú, kis hőmérsékleti elvándorlású belső feszültségreferenciát (VREF) foglal magában. A mérőegység érintetlenségének védelme érdekében a lapkában lévő biztonsági funkciók támogatják az aktív és passzív feltörésérzékelést időbélyegzéssel. Ezek a lapkában lévő blokkok külső érzékelőkkel, relékkel és egyéb perifériákkal kombinálva lehetővé teszik az összes olyan funkciót, amelyekre egy villanyjárműtöltő rendszer töltőcsatlakozójának felhasználói oldalához kapcsolódó kifinomult méréstechnikai alrendszer gyors megvalósításához szükség van (3. ábra).

3. ábra: A Kinetis KM mikrovezérlőt használva a fejlesztőknek csak néhány további külső alkatrészre van szükségük egy villanyjárműtöltő rendszer töltőcsatlakozójához tartozó alrendszer megvalósításához (kép: NXP Semiconductors)

A villanyjárműtöltő rendszer vezérlőegységének megvalósítása

Amint fentebb említettük, a villanyjárműtöltő rendszerek vezérlőegysége hangolja össze a minden rendszerben szükséges sokféle funkcionális képességet. Ennek az alrendszernek a követelményei olyan processzor használatát teszik szükségessé, amely biztosítani tudja mind a töltőrendszer pontos szabályozásához szükséges valós idejű teljesítményt, mind pedig a különböző protokollok támogatásához szükséges feldolgozási teljesítményt, miközben minimálisra csökkenti a költségeket, és kicsi a helyigénye.

Az NXP cég ARM Cortex-M7 magra épülő, i.MX RT sorozatú hibrid processzorai a beágyazott mikrovezérlők valós idejű képességeit nyújtják az alkalmazásfeldolgozó processzornak megfelelő szintű teljesítmény mellett. A 600 MHz-es üzemi frekvenciájú, a perifériák teljes körével ellátott i.MX RT processzorok, mint például az i.MX RT1064, képesek megfelelni a kis késleltetésű valós idejű válaszadásra irányuló igényeknek. Ugyanakkor az olyan funkciók, mint a lapkán belüli nagyméretű memória, a külső memóriavezérlő, a grafikai alrendszer és a többféle csatlakozó, a felhasználás által támasztott igényeknek tesznek eleget (4. ábra).

4. ábra: Az i.MX RT1064 hibrid processzor a perifériákat és a memóriát egy ARM Cortex-M7 processzoralrendszerrel ötvözi, amelyet úgy terveztek, hogy egyaránt nyújtson valós idejű végrehajtást és az alkalmazásfeldolgozó processzornak megfelelő szintű teljesítményt is (kép: NXP Semiconductors)

A valós idejű végrehajtásra és a teljesítményre vonatkozó kritikus követelmények teljesítése mellett a villanyjárműtöltő rendszerek tervezésénél több fronton is biztosítani kell a biztonságot, beleértve a manipulációfelismerést, valamint az áramcsatlakozók és a fizetési módok hitelesítését. Az adatvédelem, a biztonságos rendszerindítás és a biztonságos hibakeresés érdekében a fejlesztők kihasználhatják az i.MX RT processzor beépített biztonsági funkcióit, beleértve a nagy biztonságú rendszerindítást, a hardveres titkosítást, a síntitkosítást, a biztonságos nem felejtő memóriát és a biztonságos JTAG (Joint Test Action Group, egyesített ellenőrzőművelet-csoport) vezérlőegységet.

Annak érdekében, hogy a villanyjárműtöltő rendszer vezérlőegységének biztonságát tovább javítsák, a tervezés során az i.MX RT processzor biztonsági képességeit jellemzően megnövelik egy NXP EdgeLock SE050 biztonsági elem hozzáadásával. A teljes körű életciklus-biztonság megvalósítására tervezett SE050 hardveralapú biztonsági gyorsítókkal rendelkezik számos népszerű titkosítóalgoritmushoz, a megbízhatóplatformmodul- (TPM-) funkciókhoz, a biztonságos síntranzakciókhoz és a biztonságos tároláshoz. Azzal, hogy ezt az eszközt használják a végrehajtási környezet megbízhatósági alappontjaként (RoT, root of trust), a fejlesztők biztonságossá tehetik a kritikus műveleteket, többek közt a hitelesítést, a biztonságos beléptetést, az érintetlenségvédelmet és az igazolást.

Az i.MX RT processzor és az EdgeLock SE05x eszköz együttes használatával a fejlesztőknek csak néhány további alkatrészre van szükségük a nagy teljesítményű, valós idejű operációs rendszer (RTOS) futtatására tervezett vezérlő alrendszer megvalósításához (5. ábra).

5. ábra: Az i.MX RT mikrovezérlők beépített funkcióikkal és teljesítményükkel egyszerűsítik a villanyjárműtöltő rendszerek vezérlő alrendszereinek tervezését (kép: NXP Semiconductors)

Rugalmas megoldások a villanyjárműtöltő rendszerek különféle felhasználási területeire

A fent említett áramszolgáltató alrendszer és vezérlő alrendszerek ötvözésével, valamint a fizetési és kommunikációs lehetőségek tetszőlegesen választható blokkjaival a fejlesztők gyorsan kialakíthatnak egy egyfázisú, akár 7 kW teljesítmény leadására képes villanyjárműtöltő rendszert (6. ábra).

6. ábra: A KM3 mikrovezérlő és az i.MX RT hibrid processzor együttesen hatékony hardveralapot biztosít villanyjárműtöltő rendszerekhez (kép: NXP Semiconductors)

Az analóg felhasználói oldal viszonylag szerény módosításával ugyanez a kialakítás háromfázisú villanyjárműtöltő rendszerré bővíthető, amely akár 22 kW teljesítmény leadására is képes (7. ábra).

7. ábra: A fejlesztők a KM3 mikrovezérlőn és az i.MX RT hibrid processzoron alapuló tervet gyorsan hozzáigazíthatják a különböző felhasználási területek támasztotta igényekhez (kép: NXP Semiconductors)

Bár a KM3x mikrovezérlőnek és az i.MX RT hibrid processzornak ez a kombinációja számos felhasználási esetnek megfelel, a villanyjárműtöltő rendszerek egyéb felhasználási területei esetében a fejlesztőknek esetleg más szempontok szerint kell optimalizálniuk a terveiket. Például a fedélzeti töltőknél gyorsabb töltési időt kínáló lakossági töltők olyan megoldásokat igényelnek, amelyek optimalizálják a költségeket és a helyigényt. Ezekhez a megoldásokhoz a fejlesztők valamilyen költségtakarékos mikrovezérlőt, például az NXP LPC55S69 jelű eszközt használva kialakíthatnak valamiféle olcsóbb, belépő szintű vezérlőegységet.

Ezzel szemben a nyilvános töltőállomásokra szánt kereskedelmi EVSE töltők szigorúbb követelményeket támasztanak a gyors alkalmazásfeldolgozás és a valós idejű teljesítmény elérése érdekében. A 400 V és 1000 V közötti feszültségszinteken működő, 350 kW vagy annál nagyobb töltési szintű akkumulátoros tárolórendszerek biztonságos vezérléséhez ilyenekre van szükség. Itt az alkalmazásszintű és a valós idejű szoftverek futtatásának képessége egyaránt kritikus a teljesítmény és a funkciók szempontjából. Ezekben a rendszerekben egy olyan processzor használata, amilyen az NXP i.MX 8M, lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy könnyebben megvalósíthassák azokat a töltési megoldásokat, amelyek képesek mind a Linux-alapú alkalmazásfeldolgozást, mind az RTOS-alapú valós idejű teljesítményt biztosítani, amelyekre ezekben az összetett berendezésekben szükség van (8. ábra).

8. ábra: Az összetettebb felhasználási területekhez, például az ultragyors villanyjárműtöltéshez a fejlesztők nagy teljesítményű processzorokkal, például i.MX 8M processzorokkal bővíthetik a villanyjárműtöltő alaparchitektúrát, hogy támogassák a több feladatra képes vezérlőkkel kapcsolatos igényeket (kép: NXP Semiconductors)

Felhőbe kapcsolt villanyjárműtöltő rendszerek gyors megvalósítása

Az NXP processzorai, köztük a Kinetis KM3x, az i.MX RT, az LPC55S69 és az i.MX 8M rugalmas platformot biztosítanak a villanyjárműtöltő rendszerek különböző felhasználási területei által támasztott egyedi követelmények teljesítéséhez. Az összetettebb felhasználási módok esetében azonban a hardveralapok kiépítésének késedelme jelentősen késleltetheti a teljes körű villanyjárműtöltő rendszerek berendezéseinek fejlesztését.

Az ilyen késedelmek elkerülése érdekében az NXP gyors fejlesztési lehetőséget kínál a korábban tárgyalt eszközökön alapuló különféle kártyák és fejlesztőkészletek révén. Az NXP TWR-KM34Z75M modul például egy teljes méréstechnikai platformot kínál, amely a Kinetis MKM34Z256VLQ7 méréstechnikai mikrovezérlőt és az összes szükséges támogató alkatrészt is tartalmazza. Ehhez hasonlóan az NXP i.MX RT1064 fejlesztőkészlet egy MIMXRT1064DVL6 processzort ötvöz 256 MB SDRAM memóriával, 512 MB flashmemóriával és 64 MB QSPI (négy adatcsatornás soros perifériaillesztő) flashmemóriával, mindezt egy négyrétegű áramköri lapon, sokféle perifériacsatlakozóval, beleértve az Arduino csatlakozót is. Ezenkívül az NXP OM-SE050ARD kártya kész hozzáférést biztosít az EdgeLock SE050-hez, az NXP PNEV5180BM pedig egy beágyazható felhasználóoldali NFC-fejlesztőkártya.

Az NXP TWR-KM34Z75M méréstechnikai célú kártyát, a vezérlési funkciókat ellátó i.MX RT1064 kártyát, valamint az OM-SE050ARD és PNEV5180B kártyát kombinálva a fejlesztők gyorsan alakíthatnak ki villanyjárműtöltő rendszerek berendezéseinek megvalósítására szolgáló teljes funkcionalitású hardverplatformot (9. ábra).

9. ábra: A fejlesztők az NXP által kínált kártyákat és fejlesztőkészleteket használva gyorsan valósíthatnak meg villanyjárművek töltésére szolgáló teljes körű megoldásokat az elérhető felhőszolgáltatások, például a Microsoft Azure segítségével (kép: NXP Semiconductors)

Az NXP kártyaszintű megoldásai a Microsoft Azure felhőszolgáltatásokkal kombinálva lehetővé teszik a fejlesztők számára, hogy gyorsan készítsék el teljes körű villanyjárműtöltő rendszerek prototípusait, és alapként használják a platformot célirányosabb berendezések tervezéséhez.

Összegzés

A villanyjárművek elterjedésének egyik legfontosabb feltétele a villanyjárműtöltő rendszerek könnyű elérhetősége, de továbbra is akadályt jelent, hogy az otthonokban, irodákban és nyilvános töltőállomásokon szükséges különböző megoldásokat költségtakarékosan kellene megvalósítani. Az NXP Semiconductors célirányos eszközei és kártyái jelentette platformot használva a fejlesztők gyorsan készíthetnek olyan terveket, amelyek kielégítik a villanyjárműtöltő berendezések teljes skálája által megkövetelt teljesítményt, és rugalmasan alkalmazkodnak a felmerülő követelményekhez.