Come implementare in modo rapido ed efficiente i sistemi di ricarica flessibile per i veicoli elettrici

La tendenza verso la mobilità elettrica si basa sulla prevista disponibilità di un'infrastruttura di ricarica per veicoli elettrici (EV) composta da stazioni di servizio pubbliche, potenziata da adeguati sistemi di ricarica installati presso le abitazioni private e nei luoghi di lavoro degli utenti. Anche se i loro requisiti di progettazione di base sono più o meno uguali, ogni tipo di sistema comporta esigenze specializzate, una complicazione che è aggravata dalle differenze regionali in fattori che vanno dalle piattaforme di comunicazione ai requisiti di conformità.

La sfida per i progettisti di infrastrutture di ricarica, quindi, è quella di soddisfare i requisiti di base con sufficiente flessibilità nel design per rispondere alla più ampia gamma possibile di usi finali e requisiti regionali, bilanciando i costi e i tempi di commercializzazione.

Questo articolo descrive la diversa natura dei requisiti di progettazione delle stazioni di ricarica pubbliche. Presenta poi una piattaforma di soluzioni flessibili di NXP Semiconductors che può essere utilizzata in progetti attrezzati per soddisfare tali requisiti.

Soddisfare diverse sfide progettuali

Gli sforzi per accelerare la transizione ai veicoli elettrici richiedono la pronta disponibilità di attrezzature efficienti per l'approvvigionamento dei veicoli elettrici (EVSE), più comunemente noti come sistemi di ricarica EV. Le esigenze di guida locali possono cavarsela con i caricabatterie c.a./c.c. a bordo dei veicoli per la ricarica da casa o in ufficio, ma questi sistemi non sono in grado di alleviare l'ansia generata dal raggio di autonomia dei veicoli elettrici che continua a limitarne l'adozione. La mobilità elettrica a lungo raggio dipende dalla disponibilità di sistemi pubblici di ricarica in corrente continua in grado di caricare un veicolo elettrico molto più rapidamente dei caricatori c.a./c.c. integrati. Allo stesso tempo, questi diversi sistemi di ricarica EV devono essere conformi a una serie di standard e normative per la sicurezza, la protezione e la privacy.

Per gli sviluppatori che creano soluzioni di sistemi di ricarica EV, la necessità di fornire soluzioni efficaci per ogni caso d'uso specifico presenta sia enormi opportunità che importanti sfide tecniche. Tra le sfide, gli sviluppatori hanno bisogno di fornire un ampio spettro di capacità in vari design in grado di fornire le prestazioni e l'efficienza richieste, pur soddisfacendo i requisiti specifici di ogni applicazione. Soddisfare questa necessità richiede l'adattamento dell'architettura fondamentale alla base di tutti i progetti di sistemi di ricarica EV.

Adattare l'architettura di base del sistema di ricarica EV

Indipendentemente dalla specifica applicazione finale, i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici comprendono due sottosistemi principali: un front-end di alimentazione e un controller di gestione dell'alimentazione, separati da una soglia di isolamento (Figura 1).

Figura 1: L'architettura di base per i sistemi di ricarica EV include sottosistemi per l'interfaccia della presa di corrente e il controller separati da una soglia di isolamento. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Per quanto riguarda il veicolo e la fonte di energia, il sottosistema di interfaccia della presa di corrente gestisce la fornitura di energia al veicolo. Dall'altro lato della barriera d'isolamento, il sottosistema di controllo gestisce la sicurezza, le comunicazioni e altre funzioni di alto livello. L'implementazione di questi sottosistemi dipende tipicamente da alcuni componenti costitutivi fondamentali per soddisfare i requisiti specifici di metrologia, controllo, sicurezza funzionale, protezione e comunicazione associati a ogni specifica applicazione.

Ogni componente costitutivo contribuisce con funzionalità critiche al progetto complessivo del sistema di ricarica EV. L'unità metrologica deve garantire il trasferimento sicuro di energia e una misurazione dell'energia accurata e resistente alle manomissioni ai fini della fatturazione. L'unità di controllo assicura l'esecuzione affidabile dei vari protocolli richiesti per il trasferimento di energia a valle e il trasferimento di dati a monte, basandosi sulle capacità per la sicurezza funzionale e la sicurezza, mentre supporta i requisiti locali e regionali specifici per il pagamento sicuro e i protocolli di comunicazione utilizzati per comunicare con le risorse basate sul cloud.

In passato, gli sviluppatori dovevano adattare il progetto di base dell'architettura di ricarica EV alle loro esigenze implementando ogni elemento necessario, in genere con progetti personalizzati che incorporavano una vasta gamma di dispositivi per uso generale. La famiglia di soluzioni di NXP per la ricarica dei veicoli elettrici offre un'alternativa efficace, consentendo agli sviluppatori di combinare componenti costitutivi di serie per creare rapidamente progetti di sistemi di ricarica EV per una vasta gamma di applicazioni finali.

Implementare il front-end del sistema di ricarica EV

Le soluzioni di NXP per la ricarica dei veicoli elettrici vertono attorno a una serie di famiglie di processori progettati specificamente per fornire le prestazioni e le funzionalità richieste in applicazioni esigenti come i progetti di sistemi di ricarica dei veicoli elettrici. Tra queste famiglie di processori, i membri della serie di microcontroller (MCU) Kinetis KM3x di NXP sono progettati appositamente per fornire una misurazione accurata e certificabile della potenza erogata. Basati su un core Arm® Cortex® M0+ a 32 bit, gli MCU Kinetis KM3x integrano un ampio set di blocchi funzionali per la misurazione, la sicurezza, le comunicazioni e il supporto di sistema, insieme a memoria Flash e memoria statica ad accesso casuale (SRAM) su chip (Figura 2).

Figura 2: La serie Kinetis KM3x integra un set completo di blocchi funzionali necessari per implementare la misurazione accurata e certificabile della potenza erogata. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Per semplificare l'implementazione della metrologia, il front-end di misurazione dell'MCU KM35x integra un convertitore analogico/digitale (ADC) sigma-delta altamente accurato, ADC multipli con registro ad approssimazioni successive (SAR), fino a quattro amplificatori di guadagno programmabili (PGA), un comparatore analogico ad alta velocità (HSCMP), un blocco logico di compensazione di fase e un riferimento di tensione interno ad alta precisione (VREF) con deriva a bassa temperatura. Per proteggere l'integrità dell'unità metrologica, la funzionalità di sicurezza su chip supporta il rilevamento delle manomissioni sia attivo che passivo con marcatura temporale. Usati in combinazione con sensori esterni, relè e altre periferiche, questi blocchi su chip forniscono tutte le funzionalità necessarie per implementare rapidamente un sofisticato sottosistema di metrologia per un sistema di ricarica EV con presa di corrente front-end (Figura 3).

Figura 3: Con un MCU Kinetis KM, gli sviluppatori necessitano solo di pochi componenti esterni aggiuntivi per implementare un sottosistema di prese elettriche EV. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Implementazione del controller del sistema di ricarica EV

Come già detto, un controller di sistemi di ricarica EV orchestra l'ampia varietà di capacità funzionali necessarie in ogni sistema. Le esigenze di questo sottosistema dettano l'uso di un processore in grado di fornire sia le prestazioni in tempo reale necessarie per garantire un controllo preciso del sistema di ricarica, sia il throughput di elaborazione necessario per supportare diversi protocolli minimizzando l'ingombro e il costo del progetto.

Basata sul core Arm Cortex-M7, la serie di processori crossover i.MX RT di NXP offre le capacità in tempo reale dei microcontroller embedded con prestazioni a livello di processore applicativo. Con una frequenza operativa di 600 MHz e una serie completa di periferiche, i processori i.MX RT come i.MX RT1064 sono in grado di soddisfare le richieste di risposta in tempo reale a bassa latenza. Allo stesso tempo, caratteristiche come ampia memoria su chip, un controller di memoria esterna, un sottosistema grafico e interfacce di connettività multiple soddisfano le esigenze delle applicazioni (Figura 4).

Figura 4: Il processore crossover i.MX RT1064 combina periferiche e memoria con un sottosistema di processore Arm Cortex-M7 progettato per fornire sia l'esecuzione in tempo reale che prestazioni a livello di processore applicativo. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Oltre a soddisfare i requisiti critici in tempo reale e le prestazioni, i progetti dei sistemi di ricarica EV devono garantire la sicurezza su più fronti, compreso il rilevamento delle manomissioni e l'autenticazione delle connessioni elettriche e dei metodi di pagamento. Per la protezione dei dati, l'avvio e il debug sicuri, gli sviluppatori possono sfruttare le caratteristiche di sicurezza integrate del processore i.MX RT, tra cui l'avvio ad alta sicurezza, la crittografia hardware, la crittografia del bus, la memoria non volatile sicura e un controller JTAG (Joint Test Action Group) sicuro.

Per rafforzare ulteriormente la sicurezza in un controller di un sistema di ricarica EV, un progetto dovrebbe in genere integrare le capacità di sicurezza del processore i.MX RT includendo un Secure Element EdgeLock SE050 di NXP. Progettato per fornire sicurezza all'intero ciclo di vita, SE050 fornisce acceleratori di sicurezza basati su hardware per una gamma di algoritmi di crittografia popolari, funzionalità Trusted Platform Module (TPM), transazioni bus sicure e storage sicuro. Utilizzando questo dispositivo per fornire una radice di attendibilità (RoT) per l'ambiente di esecuzione, gli sviluppatori possono proteggere le operazioni critiche tra cui l'autenticazione, l'onboarding sicuro, la protezione dell'integrità e l'attestazione.

Utilizzando un processore i.MX RT e un dispositivo EdgeLock SE05x, gli sviluppatori hanno bisogno di pochi componenti aggiuntivi per implementare un sottosistema di controllo progettato per eseguire un sistema operativo in tempo reale (RTOS) ad alte prestazioni (Figura 5).

Figura 5: Con funzionalità integrate e capacità prestazionali, gli MCU i.MX RT semplificano la progettazione di sottosistemi di controllo per i sistemi di ricarica EV. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Soluzioni flessibili per diverse applicazioni di sistemi di ricarica EV

Combinando il sottosistema di alimentazione e i sottosistemi di controllo menzionati sopra con blocchi opzionali per le opzioni di pagamento e di comunicazione, gli sviluppatori possono implementare rapidamente un sistema di ricarica EV monofase in grado di fornire fino a 7 kW (Figura 6).

Figura 6: Usati in combinazione, un MCU KM3 e un processore crossover i.MX RT sono una base hardware efficiente per i sistemi di ricarica EV. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Con modifiche relativamente modeste al front-end analogico, questo stesso progetto può essere esteso per fornire un sistema di ricarica EV trifase in grado di erogare fino a 22 kW (Figura 7).

Figura 7: Gli sviluppatori possono adattare rapidamente un progetto basato su un MCU KM3 e un processore crossover i.MX RT per supportare svariate applicazioni. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Anche se questa combinazione di dispositivi KM3x e i.MX RT si adatta a molti casi d'uso, altre applicazioni di sistemi di ricarica EV possono necessitare dell'ottimizzazione di altri aspetti progettuali. Ad esempio, i caricatori residenziali destinati a fornire tempi di ricarica più veloci di quelli dei caricatori di bordo richiederanno soluzioni che ottimizzino i costi e l'ingombro. Per queste applicazioni, gli sviluppatori possono implementare un controller entry-level a basso costo utilizzando un MCU economico come LPC55S69 di NXP.

Per contro, i caricatori commerciali EVSE destinati alle stazioni di servizio pubblico avranno requisiti più rigorosi in termini di elaborazione delle applicazioni ad alta velocità e prestazioni in tempo reale. Questi sono necessari per controllare in modo sicuro i sistemi di storage delle batterie che funzionano a livelli compresi tra 400 e 1000 V e che forniscono livelli di carica a 350 kW o più. Qui, la capacità di eseguire sia software a livello di applicazione che software in tempo reale è fondamentale per le prestazioni e la funzionalità. Per questi sistemi, l'uso di un processore come i.MX 8M di NXP permette agli sviluppatori di implementare più facilmente soluzioni di ricarica in grado di fornire sia l'elaborazione delle applicazioni basata su Linux che le prestazioni in tempo reale abilitate dall'RTOS necessarie in questi progetti complessi (Figura 8).

Figura 8: Per applicazioni più complesse come la ricarica ultraveloce dei veicoli elettrici, gli sviluppatori possono estendere l'architettura di base della ricarica dei veicoli elettrici utilizzando processori ad alte prestazioni come i processori i.MX 8M per supportare i requisiti dei controller più complessi. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Rapida implementazione di sistemi di ricarica EV connessi al cloud

I processori di NXP tra cui Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 e i.MX 8M sono una piattaforma flessibile per soddisfare i requisiti specifici delle diverse applicazioni dei sistemi di ricarica EV. Per le applicazioni più complesse, tuttavia, i ritardi nella distribuzione della base hardware possono comportare ritardi significativi nello sviluppo dell'applicazione del sistema di ricarica EV end-to-end.

Per evitare tali ritardi, NXP offre un percorso di sviluppo veloce utilizzando una serie di schede e kit di valutazione basati sui dispositivi discussi in precedenza. Ad esempio, il modulo TWR-KM34Z75M di NXP è una piattaforma metrologica completa che combina un MCU metrologico Kinetis MKM34Z256VLQ7 con una serie completa di componenti di supporto. Parimenti, il kit di valutazione i.MX RT1064 di NXP combina un processore MIMXRT1064DVL6 con 256 Mb di SDRAM, 512 Mb di Flash, 64 Mb di Flash QSPI, il tutto su una scheda a quattro strati, completa di un ampio set di connettori periferici, compresa un'interfaccia Arduino. Inoltre, la scheda OM-SE050ARD di NXP assicura il pronto accesso a EdgeLock SE050 e la scheda di valutazione PNEV5180BM di NXP fornisce una scheda di sviluppo front-end NFC drop-in.

Combinando la scheda TWR-KM34Z75M di NXP per la metrologia, i.MX RT1064 per le funzioni di controllo e le schede OM-SE050ARD e PNEV5180B, gli sviluppatori possono implementare rapidamente una piattaforma hardware completa per creare applicazioni di sistemi di ricarica EV (Figura 9).

Figura 9: Gli sviluppatori possono implementare rapidamente soluzioni di ricarica EV complete end-to-end utilizzando le schede e i kit di valutazione di NXP con i servizi cloud disponibili come Microsoft Azure. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Utilizzate in combinazione con i servizi cloud Microsoft Azure, le soluzioni a livello di scheda di NXP consentono agli sviluppatori di prototipare rapidamente una soluzione completa di sistema di ricarica EV end-to-end e di utilizzare la piattaforma come base per la progettazione di applicazioni più specializzate.

Conclusione

La pronta disponibilità dei sistemi di ricarica per veicoli elettrici è un fattore chiave per la mobilità elettrica, ma l'implementazione economica delle diverse soluzioni necessarie nelle case, negli uffici e nelle stazioni di servizio pubbliche rimane un ostacolo alla rapida adozione. Utilizzando una piattaforma di dispositivi specializzati e soluzioni di schede di NXP Semiconductors, gli sviluppatori possono implementare rapidamente progetti con le prestazioni necessarie per soddisfare l'intera gamma di applicazioni di ricarica EV e la flessibilità per adattarsi ai requisiti emergenti.