Trend v smeri e-mobilnosti je odvisen od pričakovane razpoložljivosti polnilne infrastrukture za električna vozila (EV) z javnimi postajami, ki jo dopolnjujejo ustrezni polnilni sistemi v domovih in na delovnih mestih uporabnikov.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2022-304-12
Čeprav temeljne zahteve glede zasnove sistemov ostajajo pretežno usklajene, vsaka vrsta sistema prinaša posebne zahteve, kar predstavlja težavo, ki jo še poslabšujejo področne razlike pri dejavnikih, ki obsegajo vse od komunikacijskih platform do skladnosti z zahtevami.
Izziv za snovalce polnilne infrastrukture je torej v tem, da izpolnijo temeljne zahteve, njihova zasnova ponuja dovolj prilagodljivosti, da je dosežen najširši možen razpon zahtev glede končne uporabe in področnih zahtev, pri tem pa uravnotežijo stroške in čas do vstopa na trg.
V tem članku je opisana raznolikost zahtev glede zasnove javnih polnilnih postaj. Nato je predstavljena platforma prilagodljivih rešitev podjetja NXP Semiconductors, s katero je mogoče lansirati zasnove, ki so pripravljene tako, da izpolnjujejo te zahteve.
Soočanje z raznolikimi izzivi glede zasnove
Prizadevanja za pospešitev prehoda na električna vozila zahtevajo zadostno razpoložljivost učinkovitih polnilnih postaj (EVSE), bolj znanih pod imenom polnilni sistemi za EV. Potrebe glede lokalne vožnje je mogoče zadovoljiti s polnilniki, ki pretvarjajo izmenično napetost v enosmerno in so vgrajeni v vozila ter so namenjeni polnjenju doma ali na delovnem mestu, vendar ti polnilni sistemi ne zmorejo pomiriti zaskrbljenosti glede dosega EV, ki še naprej omejuje sprejetje EV. E-mobilnost velikega dosega je odvisna od razpoložljivosti javnih enosmernih polnilnih sistemov za EV, ki lahko EV napolnijo mnogo hitreje kot vgrajeni polnilniki, ki pretvarjajo izmenično napetost v enosmerno. Hkrati morajo ti različni polnilni sistemi za EV ustrezati številnim standardom in predpisom glede varnosti, zaščite in zasebnosti.
Za razvijalce, ki ustvarjajo rešitve za polnilne sisteme za EV, potreba po zagotavljanju učinkovitih rešitev za vsak posamezen primer uporabe predstavlja tako izjemne priložnosti kot tudi precejšnje tehnične izzive. Razvijalci morajo poleg drugih izzivov zagotoviti širok nabor zmožnosti v izboru zasnov, ki lahko zagotovijo zahtevano delovanje in učinkovitost, hkrati pa izpolnijo posebne zahteve za posamezen način uporabe. Izpolnjevanje teh potreb zahteva prilagoditev temeljne arhitekture, ki je osnova vseh zasnov polnilnih sistemov za EV.
Prilagajanje osnovne arhitekture polnih sistemov za EV
Ne glede na posamezen ciljni način uporabe polnilne sisteme za EV sestavljata dva glavna podsistema – napajanje v ospredju in krmilnik za upravljanje napajanja v ozadju, ki ju ločuje izolacijska meja (Slika 1).
V ospredju, ki gleda proti vozilu in viru energije, podsistem z vmesnikom z vtičnico upravlja napajanje vozila. Na drugi strani izolacijske pregrade podsistem s krmilnikom skrbi za varnost, komunikacijo in druge funkcije na visoki ravni. Uvedba teh podsistemov je običajno odvisna od nekaj temeljnih gradnikov, ki izpolnjujejo posebne zahteve glede meroslovja, krmiljenja, funkcionalne varnosti, zaščite in komunikacije, ki so povezane s posameznim načinom uporabe.
Vsak gradnik prispeva ključno funkcionalnost k celotni zasnovi polnilnega sistema za EV. Meroslovna enota mora zagotoviti tako varen prenos energije kot tudi natančno merjenje energije za namene obračunavanja, v katerega ni mogoče nedovoljeno posegati. Krmilna enota zagotavlja zanesljivo izvajanje raznih protokolov, ki so zahtevani za prenos energije v eno smer in prenos podatkov v drugo smer, pri čemer gradi na zmožnostih za funkcionalno varnost in zaščito, hkrati pa podpira lokalne in področne zahteve glede protokolov za varno plačevanje in komunikacijo, ki se uporabljajo za komunikacijo z viri v oblaku.
V preteklosti so morali razvijalci prilagoditi zasnovo osnovne polnilne arhitekture za EV svojim zahtevam tako, da so uvedli vsak posamezen potreben gradnik, običajno s prilagojenimi zasnovami, ki so vključevale širok izbor splošnih naprav. Družina rešitev podjetja NXP za polnjenje EV ponuja učinkovito alternativo, ki razvijalcem omogoča združevanje vnaprej pripravljenih gradnikov za hitro ustvarjanje zasnov polnilnih sistemov za EV, ki ustrezajo širokemu izboru ciljnih načinov uporabe.
Uvedba ospredja polnilnega sistema za EV
Rešitve podjetja NXP za polnjenje EV temeljijo na številnih družinah procesorjev, ki so zasnovani posebej za zagotavljanje delovanja in funkcionalnosti, ki sta zahtevana v zahtevnih načinih uporabe, kot so zasnove polnilnih sistemov za EV. Med temi družinami procesorjev so mikrokontrolerji serije Kinetis KM3x podjetja NXP zasnovani posebej za zagotavljanje preverljivega natančnega merjenja napajanja. Mikrokontrolerji Kinetis KM3x, ki temeljijo na 32-bitnem jedru ARM Cortex M0+, združujejo obsežen nabor funkcionalnih gradnikov za merjenje, zaščito, komunikacijo in sistemsko podporo ter Flash pomnilnik na čipu in statični pomnilnik (SRAM) (Slika 2).
Ospredje za merjenje z mikrokontrolerjem KM35xza poenostavitev uvedbe meroslovja združuje zelo natančen analogno-digitalni sigma delta (ADC) pretvornik, več analogno-digitalnih pretvornikov z registrom postopnega približevanja (SAR), do štiri ojačevalnike s programirljivim ojačanjem (PGA), hitri analogni primerjalnik (HSCMP), blok z logiko za kompenzacijo faze in zelo natančno notranjo napetostno referenco (VREF) z nizkim temperaturnim odzivom. Za zaščito celovitosti meroslovne enote zaščitna funkcionalnost na čipu podpira tako aktivno kot pasivno zaznavanje nedovoljenega poseganja s časovnimi žigi. Ti bloki na čipu v kombinaciji z zunanjimi tipali, releji in drugimi zunanjimi elementi zagotavljajo vso funkcionalnost, ki je potrebna za hitro uvedbo naprednega meroslovnega podsistema za ospredje z vtičnico polnilnega sistema za EV (Slika 3).
Uvedba krmilnika polnilnega sistema za EV
Kot že omenjeno, krmilnik polnilnih sistemov za EV organizira raznolike funkcionalne zmožnosti, potrebne v vsakem sistemu. Zahteve tega podsistema narekujejo uporabo procesorja, ki lahko zagotovi tako delovanje v realnem času, potrebno za zagotavljanje natančnega krmiljenja polnilnega sistema, kot tudi procesno zmogljivost, potrebno za podpiranje raznolikih protokolov, pri tem pa kar najbolj zmanjša okoljski odtis zasnove in stroške.
Serija i.MX RT procesorjev mešanih signalov podjetja NXP, ki temeljijo na jedru ARM Cortex-M7, zagotavlja zmožnosti v realnem času za ugnezdene mikrokontrolerje z delovanjem aplikacij na ravni procesorja. Procesorji i.MX RT, kot je i.MX RT1064, z delovno frekvenco 600 megahercov (MHz) in popolnim kompletom zunanjih elementov, lahko izpolnijo zahteve glede odziva v realnem času z nizko zakasnitvijo. Obenem funkcije, kot so velik pomnilnik na čipu, zunanji pomnilniški krmilnik, grafični podsistem in več vmesnikov za povezljivost, izpolnjujejo zahteve aplikacij. (Slika 4).
Zasnove polnilnih sistemov za EV morajo poleg izpolnjevanja ključnih zahtev glede realnega časa in delovanja zagotavljati zaščito na več področjih, vključno z zaznavanjem nedovoljenega poseganja ter preverjanjem pristnosti napajalnih povezav in plačilnih metod. Razvijalci lahko za zaščito podatkov, varen zagon in varno odpravljanje napak izkoristijo integrirane varnostne funkcije procesorja i.MX RT, kot so zagon z visoko zanesljivostjo, kriptografija strojne opreme, šifriranje vodil, varno obstojno shranjevanje in varen krmilnik JTAG (Joint Test Action Group).
Za dodatno utrditev zaščite krmilnika polnilnega sistema za EV se varnostne zmožnosti procesorja i.MX RT z zasnovo običajno dopolnijo tako, da se vključi varnostni element EdgeLock SE050 podjetja NXP. Varnostni element SE050, ki je zasnovan za zagotavljanje celovite zaščite življenjskega cikla, zagotavlja pospeševalnike zaščite na osnovi strojne opreme za izbor priljubljenih kriptografskih algoritmov, funkcionalnost modula zaupanja vredne platforme (TPM), varne transakcije vodila in varno shranjevanje. Če razvijalci to napravo uporabljajo za zagotavljanje korena zaupanja (RoT) za izvajalno okolje, lahko zaščitijo ključne operacije, vključno s preverjanjem pristnosti, varnim sprejemanjem, zaščito celovitosti in potrjevanjem.
Če razvijalci uporabljajo procesor i.MX RT in napravo EdgeLock SE05x, za uvedbo krmilnega podsistema, ki je zasnovan za izvajanje visokozmogljivega operacijskega sistema v realnem času (RTOS), potrebujejo le nekaj dodatnih komponent (Slika 5).
Prilagodljive rešitve za raznolike načine uporabe polnilnih sistemov za EV
Razvijalci lahko z združevanjem prej omenjenega napajalnega podsistema in krmilnih podsistemov z izbirnimi gradniki za možnosti plačevanja in komunikacije hitro uvedejo enofazni polnilni sistem za EV, ki lahko zagotavlja do 7 kilovatov (kW) (Slika 6).
Z relativno preprostimi prilagoditvami analognega ospredja je to isto zasnovo mogoče razširiti tako, da zagotavlja trofazni polnilni sistem za EV, ki lahko zagotavlja do 22 kW (Slika 7).
Čeprav ta kombinacija naprav KM3x in i.MX RT ustreza mnogim primerom uporabe, drugi načini uporabe polnilnih sistemov za EV morda zahtevajo, da razvijalci optimizirajo druge vidike svojih zasnov. Rezidenčni polnilniki, ki so namenjeni zagotavljanju hitrejšega polnjenja od tistega, ki je možno z vgrajenimi polnilniki, na primer zahtevajo rešitve, ki optimizirajo stroške in okoljski odtis. Razvijalci lahko za te načine uporabe uvedejo cenejši krmilnik na osnovi ravni, ki uporablja stroškovno učinkovit mikrokontroler, kot je mikrokontroler LPC55S69 podjetja NXP.
Nasprotno imajo polnilniki komercialnih polnilnih postaj, ki so namenjeni javnim postajam, strožje zahteve glede hitre obdelave aplikacij in delovanja v realnem času. Te so potrebne za varno krmiljenje sistemov za shranjevanje baterij, ki delujejo na ravneh od 400 do 1000 voltov in zagotavljajo ravni polnjenja pri 350 kW ali več. V tem primeru je zmožnost izvajanja programske opreme na ravni aplikacije in programske opreme v realnem času ključna za delovanje in funkcionalnost. Pri teh sistemih uporaba procesorja, kot je procesor i.MX 8M podjetja NXP, razvijalcem omogoča lažjo uvedbo rešitev za polnjenje, ki lahko zagotavljajo obdelavo aplikacij na osnovi sistema Linux in delovanje v realnem času z omogočenim operacijskim sistemom v realnem času, ki sta potrebna v teh zapletenih zasnovah (Slika 8).
Hitra uvedba polnilnih sistemov za EV, povezanih z oblakom
Procesorji podjetja NXP, ki vključujejo Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 in i.MX 8M, zagotavljajo prilagodljivo platformo za izpolnjevanje posebnih zahtev različnih načinov uporabe polnilnih sistemov za EV. Pri zapletenejših načinih uporabe pa lahko zamude pri postavitvi temeljne strojne opreme povzročijo precejšnje zamude pri razvoju celovitega načina uporabe polnilnega sistema za EV.
Podjetje NXP v izogib takšnim zamudam ponuja hitro pot do razvoja z naborom plošč in razvojnih kompletov na osnovi prej predstavljenih naprav. Modul TWR-KM34Z75M podjetja NXP na primer zagotavlja celotno meroslovno platformo, ki združuje meroslovni mikrokontroler Kinetis MKM34Z256VLQ7 s celotnim kompletom podpornih komponent. Podobno razvojni komplet i.MX RT1064 podjetja NXP združuje procesor MIMXRT1064DVL6 z 256 Mb (megabit) pomnilnika SDRAM, 512 Mb bliskovnega pomnilnika in 64 Mb Flash pomnilnika QSPI, vse to na štirislojni plošči, skupaj z obsežnim naborom zunanjih priključkov, vključno z vmesnikom Arduino. Poleg tega plošča OM-SE050ARD podjetja NXP zagotavlja takojšen dostop do naprave EdgeLock SE050, razvojna plošča PNEV5180BM podjetja NXP pa zagotavlja natično razvojno ploščo NFC za ospredje.
Razvijalci lahko z združevanjem plošče TWR-KM34Z75M podjetja NXP za meroslovje, procesorja i.MX RT1064 za krmilne funkcije ter plošč OM-SE050ARD in PNEV5180B hitro uvedejo platformo strojne opreme z vsemi funkcijami za sestavljanje načinov uporabe polnilnih sistemov za EV (Slika 9).
Rešitve na ravni plošč podjetja NXP v kombinaciji s storitvami v oblaku Microsoft Azure razvijalcem omogočajo hitro pripravo prototipa celovite rešitve za polnilni sistem za EV ter uporabo platforme kot osnovo za snovanje bolj specializiranih načinov uporabe.
Zaključek
Zadostna razpoložljivost polnilnih sistemov za EV je ključna za omogočanje e-mobilnosti, vendar stroškovno učinkovita uvedba različnih rešitev, ki so potrebne doma, v službi in na javnih postajah, ostaja ovira. Razvijalci lahko s platformo specializiranih naprav in rešitev s ploščami podjetja NXP Semiconductors hitro uvedejo zasnove z delovanjem, ki je potrebno za izpolnjevanje celotnega izbora načinov uporabe polnjenja EV, in prilagodljivostjo za odzivanje na nastajajoče zahteve.
https://www.digikey.com
