Existují dva základní typy nabíjení a to stejnosměrným nebo střídavým proudem. V případě využití střídavého proudu, ze zásuvky nebo z AC nabíjecí stanice, prochází proud nabíjecím kabelem do palubní nabíječky, která změní střídavý proud na stejnosměrný určený přímo pro baterii. Pokud se automobil nabíjí stejnosměrným proudem, proud neprochází palubní nabíječkou, ale směřuje rovnou přes BMS (Battery Management System) do baterie. Nabíjení stejnosměrným proudem má ale vyšší nároky na BMS.

Návrh nabíjecí stanice není jednoduchou záležitostí, a je nutné zvážit několik aspektů, které se liší dle regionu. Velký rozdíl je v návrhu domácí nabíječky, která nabíjí elektromobil několik hodin a veřejnou nabíječkou s velkým výkonem, která baterii elektromobilu dokáže dobít do několika desítek minut.

Tento článek popisuje různorodé požadavky na veřejné nabíjecí stanice. Poté si představíme platformu od NXP Semiconductors, která poskytuje flexibilní řešení pro tuto problematiku.

Základní architektura systému nabíjecí stanice

Nabíjecí stanice elektromobilů se skládají ze dvou hlavních subsystémů. Front-end pro dodávku energie a back-end izolovaná řídící část (obrázek 1).

Obrázek 1: Základní architektura nabíjecích systémů obsahuje dva samostatné subsystémy. Front end pro dodávku energie a back end, která řídí samostatné nabíjení. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Front end se stará o dostatečné množství energie a back end je izolovaný řídící subsystém, který se stará o bezpečnost, komunikaci a další funkce na vyšší úrovni. Implementace těchto subsystémů obvykle závisí na několika stavebních blocích, aby bylo vyhověno všem požadavkům na vnitřní energetickou jednotku, řízení, funkční bezpečnost, zabezpečení a komunikaci související s každou konkrétní aplikací.

Energetická jednotka musí zajistit nejen bezpečný přenos energie, ale také její přesné měření. Řídicí jednotka zajišťuje spolehlivou komunikaci s různými protokoly, které jsou nutné pro funkční bezpečnost, pro bezpečné platby a pro komunikaci s příslušným cloudem. Řešení pro nabíjení elektromobilů od NXP umožňuje kombinovat běžné stavební bloky a rychle vytvářet komplexní systém.

Energetická a měřící část nabíječky

NXP pro nabíjení elektromobilů nabízí řadu procesorů, aby poskytovaly výkon a funkce požadované v náročných aplikacích. Mezi tyto procesory patří řada Kinetis KM3x navržena speciálně tak, aby poskytovala certifikované přesné měření dodávky energie. Procesory řady Kinetis KM3x jsou založené na 32 bitovém jádře Arm Cortex M0+. Mají integrovanou rozsáhlou sadu funkčních bloků pro měření, zabezpečení, komunikaci a systémovou podporu spolu s Flash a SRAM pamětí (obrázek 2).

Obrázek 2: Řada Kinetis KM3x obsahuje kompletní sadu funkčních bloků, které umožňují certifikované přesné měření dodávky energie. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Měřící procesor KM35x obsahuje vysoce přesný sigma-delta analogově-digitální převodník (ADC), vícenásobný postupný aproximační registr (SAR) ADC, čtyři zesilovače s programovatelným ziskem (PGA), vysokorychlostní analogový komparátor (HSCMP), logický blok fázové kompenzace, vysoce přesnou interní napěťovou referenci (VREF) s nízkoteplotním driftem a bezpečnostní funkce pro ochranu vůči neoprávněné manipulaci.

Všechny tyto integrované bloky v kombinaci s externími senzory, relé a dalšími periferiemi, poskytují všechny funkce potřebné k rychlé implementaci sofistikovaného měřícího subsystému (obrázek 3).

Obrázek 3: S MCU Kinetis KM potřebují pouze několik dalších externích komponent. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Výkonná řídící jednotka pro nabíjecí stanici

Nabíjecí stanice potřebuje ke své činnosti kromě dostatku elektrické energie také její přesné řízení a certifikované měření. V neposlední řadě je nutné zabezpečit různé komunikační kanály, které slouží ke vzdálené správě systému a jiných podpůrných funkcí.

K tomuto účelu slouží tzv. Crossover procesory NXP i.MX RT založené na jádře Arm Cortex-M7, které poskytují dostatečný výpočetní výkon. Například i.MX RT1064 s pracovní frekvencí 600 MHz a kompletním počtem periferií je schopen splnit požadavky na odezvu v reálném čase s nízkou latencí. Procesor obsahuje dostatečně velkou paměť, externí paměťový řadič, grafický subsystém a další rozhraní pro připojení (obrázek 4).

Obrázek 4: Crossover procesor i.MX RT1064 poskytuje dostatečný výkon a rychlost pro řízení a komunikaci v reálném čase. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Pro ochranu dat, bezpečné spouštění a bezpečné ladění lze využít integrované bezpečnostní funkce procesoru i.MX RT. Jedná se o spouštění s vysokou jistotou, hardwarovou kryptografii, šifrování sběrnice, bezpečné energeticky nezávislé úložiště a o zabezpečený driver JTAG.

K dalšímu posílení zabezpečení je vhodné využít bezpečnostní prvek EdgeLock SE050. SE050 je navržený tak, aby poskytoval bezpečnostní funkce po celý životní cyklus nabíjecí stanice. Poskytuje hardwarové akcelerátory pro řadu kryptografických algoritmů, TPM modul (trusted platform module) a bezpečné úložiště. Kombinace procesoru i.MX RT a bezpečnostního prvku EdgeLock SE05x k sobě potřebuje jen pouze několik dalších komponent k realizaci velmi výkonného řídicího subsystému pro provoz v reálném čase (RTOS) (obrázek 5).

Obrázek 5: I.MX RT MCU se svými integrovanými funkcemi zjednodušují návrh řídicího subsystému pro nabíjecí stanice. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Flexibilní řešení pro různé typy nabíjecích stanic

Kombinací napájecího subsystému a řídícího subsystému uvedeného výše s jednotkami pro platební transakce lze rychle vytvořit jednofázový nabíjecí systém schopný dodat až 7 kW (obrázek 6).

Obrázek 6: Kombinovaný procesor KM3 a crossover procesor i.MX RT poskytují efektivní hardwarový základ pro nabíjecí systémy. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

S relativně malými úpravami analogové části lze systém rozšířit na třífázový nabíjecí systém schopný dodat až 22 kW (obrázek 7).

Obrázek 7: Rozšíření na třífázový systém. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Pro domácí napájecí stanice lze použít levnější řídící jednotku pomocí procesoru LPC55S69. Pro veřejné napájecí stanice pracujících na úrovních od 400 do 1000 voltů a poskytujících výkon 350 kW a více je vhodné použít procesor i.MX 8M, který je schopen zajistit chod aplikace na bázi Linuxu, ale i rychlou odezvu v reálném čase s podporou RTOS ( Postavení 8).

Obrázek 8: Pro složitější aplikace, jako je ultra rychlé nabíjení lze rozšířit základní architekturu nabíjení pomocí vysoce výkonných procesorů, jako jsou procesory i.MX 8M. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Urychlení vývoje systému pro nabíjecí stanice

Procesory NXP - Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 a i.MX 8M poskytují flexibilní platformu pro nabíjecí systémy elektromobilů. U složitějších systémů může dojít ke zpoždění vývoje díky vyladění hardwarových částí. Aby se tomu předešlo tak NXP nabízí vývojové desky k procesorům, o nichž jsme psali výše.

Například modul NXP TWR-KM34Z75M poskytuje kompletní měřící platformu. Podobně i vývojová deska NXP i.MX RT1064, která obsahuje procesor MIMXRT1064DVL6 s 256 Mbits SDRAM, 512 Mbits Flash, 64 Mbits quad SPI (QSPI) Flash paměť. To vše je umístěno na čtyřvrstvé desce s rozsáhlou sadou periferních konektorů, včetně rozhraní Arduino. Dále deska OM-SE050ARD poskytuje rychlý přístup k bezpečnostnímu prvku EdgeLock SE050 a vývojová deska PNEV5180BM poskytuje technologii NFC. Kombinací desky NXP TWR-KM34Z75M pro měření, i.MX RT1064 pro řídicí funkce a desek OM-SE050ARD a PNEV5180B lze rychle sestavit plně funkční hardwarovou platformu pro nabíjecí systém elektromobilů (obrázek 9).

Obrázek 9: Rychle sestavení hardware pro nabíjecí systémy elektromobilů pomocí desek NXP s dostupnými cloudovými službami, jako je Microsoft Azure. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Závěr

Snadná dostupnost nabíjecích systémů je klíčovým faktorem pro rozšíření e-mobility. Pomocí platformy od NXP lze rychle sestavit systém s dostatečným výkonem a flexibilitou pro přizpůsobení se speciálním požadavkům.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk.