כיצד לממש במהירות וביעילות מערכות טעינה גמישות של כלי-רכב חשמלי

המגמה לעבר נידות-חשמלית נסמכת על זמינות צפויה של‏ תשתית טעינת כלי-רכב חשמלי (EV) בתחנות שירות ציבוריות ונתמכת על ידי מערכות טעינה מתאימות בבתי המשתמשים ובמקומות העבודה. למרות שדרישות תכני הליבה שלהן נשארות בגדול זהות, כל סוג של מערכת מביא דרישות מיוחדות, סיבוך המוגדל על ידי הבדלים אזוריים בגורמים החל מפלטפורמות תקשורת ועד דרישות התאמה.

לפיכך, האתגר עבור מתכננים של תשתית טעינה הוא עמידה בדרישות ליבה עם גמישות מספקת בתכן שלהם כדי לעמוד במגוון הרחב ביותר האפשרי של שימוש-סופי ודרישות אזוריות, תוך איזון בין עלות וזמן הגעה לשוק.

מאמר זה מתאר את האופי המגוון של דרישות תכנון תחנת טעינה ציבורית. אחר כך הוא מציג ‏פלטפורמה גמישה של פתרונות מבית NXP Semiconductors שניתנת לשימוש כדי להשיק תכנים המצוידים במאפיינים עבור עמידה בדרישות אלו.

עמידה במגוון אתגרי תכנון

מאמצים להאיץ את המעבר לכלי-רכב חשמליים (EVs) דורשים זמינות מוכנה של ציוד יעיל של אספקת-כוח לכלי-רכב חשמלי (EVSE‏), שידוע בדרך כלל כמערכת טעינה של כלי-רכב חשמלי (EV). צורכי נהיגה מקומית יכולים להסתדר עם מטעני ה-AC-DC‏ הבנויים בכלי-רכב עבור טעינה בבית או במשרד, אך מערכות טעינה אלו אינן מסוגלות להרגיע את החרדה של משתמשי EV שממשיכה להגביל אימוץ EV. נידות חשמלית (e-mobility) לטווחים גדולים תלויה בזמינות של מערכות טעינה EV DC ציבוריות המסוגלות לטעון EV הרבה יותר מהר ממטעני AC-DC‏ מובנים. מצד שני, מערכות טעינת EV שונות אלו חייבות להיות תואמות למספר תקנים ותקנות עבור בטיחות, ביטחון ופרטיות.

עבור מפתחים היוצרים פתרונות מערכת של טעינת EV, הדרישה לספק פתרונות יעילים עבור כל מקרה שימוש ספציפי מהווה הזדמנות יוצאת מן הכלל ואתגרים טכניים משמעותיים. בין שאר האתגרים, מפתחים חייבים לספק סט רחב של יכולות במגוון תכנים המסוגלים לספק ביצועים ויעילות דרושים תוך עמידה בדרישות הספציפיות עבור כל יישום. עמידה בדרישה זו מחייבת התאמת הארכיטקטורה הבסיסית המונחת ביסוד כל תכני מערכות טעינת EV.

התאמת הארכיטקטורה הבסיסית של מערכות טעינת EV

ללא קשר ליישום המטרה הספציפי שלהם, מערכות טעינת EV מורכבות משתי תת-מערכות עיקריות, קצה-קדמי של אספקת-כוח וקצה-אחורי בקר ניהול הספק, ‏מופרדות על ידי ‏גבול בידוד (איור 1‏).

איור 1‏: הארכיטקטורה הבסיסית של מערכות טעינת EV כוללת תת-מערכות נפרדות עבור ממשק שקע הכוח ובקר, מופרדות על ידי גבול בידוד. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

בקצה-הקדמי הפונה אל כלי-הרכב ולמקור האנרגיה, תת-המערכת ממשק שקע אספקת-הכוח‏ מנהלת אספקת-כוח לכלי הרכב. בצידו השני של גבול הבידוד, תת-מערכת הבקר מטפלת בבטיחות, תקשורת ופונקציות רמה-גבוהה אחרות. מימוש של תת-מערכות אלו בדרך כלל תלוי במספר אבני יסוד בסיסיות לעמידה בדרישות ספציפיות עבור מטרולוגיה, בקרה, בטיחות פונקציונלית, ביטחון ותקשורת הקשורות עם כל יישום ספציפי.

כל אבן יסוד תורמת פונקציונליות קריטית לתכן הכולל של מערכת טעינת EV. יחידת המטרולוגיה חייבת להבטיח מעבר אנרגיה בטוח כמו גם מדידת אנרגיה מדויקת, עמידה בפני חבלה, עבור מטרות חיוב. יחידת הבקרה מבטיחה ביצוע אמין של הפרוטוקולים השונים הדרושים עבור מעבר אנרגיה במורד-הזרם ומעבר נתונים במעלה-הזרם, בהסתמך על יכולות בעלות בטיחות פונקציונלית וביטחון, תוך כדי תמיכה בדרישות מקומיות וספציפיות לאזור של תשלום מאובטח ופרוטוקולים של תקשורת המשמשים לתקשר עם משאבים מבוססי ענן.

בעבר, מפתחים נדרשו להתאים את תכן הארכיטקטורה הבסיסי של טעינת EV לדרישות שלהם על ידי מימוש כל אבן יסוד נדרשת, בדרך כלל תוך שימוש בתכנים מותאמים-במיוחד הכוללים מגוון רחב של התקנים לשימוש כללי. משפחת הפתרונות של NXP עבור טעינת EV מציעה‏ חלופה אפקטיבית, שמאפשרת למפתחים לשלב אבני יסוד ישר-מן-המדף כדי ליצור במהירות תכני מערכת של טעינת EV עבור מגוון רחב של יישומי מטרה.

מימוש הקצה-הקדמי של מערכת טעינת EV

פתרונות NXP עבור טעינת EV סובבים סביב מספר משפחות מעבדים המתוכננות במיוחד לספק את הביצועים והפונקציונליות הדרושים ביישומים תובעניים כמו תכני מערכת של טעינת EV.‏ בין משפחות מעבדים אלו, יחידות מיקרו-בקר (MCUs) מסדרת Kinetis KM3x של NXP מתוכננות במיוחד לספק מדידה מדויקת של אספקת-כוח, ניתנת לאישור. מבוססות על ליבת‏ +Arm® 32-bit Cortex® M0, יחידות מיקרו-בקר Kinetis KM3x משלבות סט‏ נרחב של בלוקים פונקציונליים עבור מדידות, ביטחון, תקשורת ותמיכת מערכת, ביחד עם זיכרון Flash‏ וזיכרון גישה אקראית סטטי (SRAM‏) על-השבב (איור 2‏).

איור 2‏: סדרת ה-Kinetis KM3x משלבת‏ סט שלם של בלוקים פונקציונליים הנחוצים למימוש מדידה מדויקת של אספקת-כוח, ניתנת לאישור. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

כדי לפשט מימוש מטרולוגיה, קצה-קדמי מדידה KM35x MCU משלב ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) ‏סיגמא-דלתא מדויק ביותר, ממירי SAR ADC‏ מרובים, עד ארבעה מגברי הגבר ניתן-לתכנות (PGAs), משוון אנלוגי‏ מהירות-גבוהה (HSCMP), ‏בלוק לוגי לקיזוז פאזה ומתח-ייחוס (VREF) דיוק-גבוה פנימי עם סחיפה נמוכה עם טמפרטורה. כדי להגן על שלמות יחידת המטרולוגיה, פונקציונליות הביטחון על-השבב תומכת בגילוי השחתה פסיבי כמו גם אקטיבי עם חותמת זמן. בלוקים אלה על-שבב, כשמשתמשים בהם בשילוב עם חיישנים, ממסרים ורכיבים היקפיים חיצוניים אחרים מספקים את כל הפונקציונליות הדרושה למימוש מהיר של תת-מערכת מטרולוגיה מתוחכמת עבור קצה-קדמי שקע כוח מערכת טעינת EV (איור 3‏).

איור 3‏: עם Kinetis KM MCU, מפתחים זקוקים למספר קטן של רכיבים חיצוניים בלבד כדי לממש תת-מערכת שקע כוח EV. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

מימוש בקר מערכת של טעינת EV

כפי שצוין לעיל, בקר מערכת של טעינת EV מארגן את המגוון הרחב של יכולות פונקציונליות הדרושות בכל מערכת. הדרישות מתת-מערכת זו מכתיבות את השימוש במעבד המסוגל לספק את ביצועי זמן-האמת הדרושים כדי להבטיח בקרה מדויקת של מערכת הטעינה, כמו גם את תפוקת העיבוד הדרושה כדי לתמוך בפרוטוקולים שונים, תוך כדי הקטנה למינימום של חתימת-השטח ועלות התכן .

סדרת i.MX RT של מעבדי Crossover‏ מבית NXP, המבוססת על ליבת ה-ARM Cortex-M7, מספקת את יכולות הזמן-אמת של מיקרו-בקרים משובצים עם ביצועים ברמה של מעבד יישום. עם תדר עבודה של 600 מגה-הרץ (MHz‏) ‏וסט שלם של רכיבים היקפיים, מעבדי i.MX RT כגון ה-i.MX RT1064 מסוגלים לעמוד בדרישות הענות זמן-אמת עם שיהוי-נמוך. בו-זמנית, מאפיינים כמו זיכרון‏ גדול על-השבב ובקר זיכרון חיצוני,‏ תת-מערכת גרפית וממשקי חיבוריות מרובים עומדים בדרישות יישום (איור 4‏).

איור 4‏: מעבד Crossover‏ NXP i.MX RT1064 משלב רכיבים היקפיים וזיכרון עם תת-מערכת מעבד ARM Cortex-M7 המתוכננת לספק הוצאה לפועל בזמן-אמת כמו גם ביצועים ברמה של מעבד יישום. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

מלבד עמידה בדרישות זמן-אמת וביצועים קריטיים, תכני מערכת של טעינת EV חייבים להבטיח ביטחון בחזיתות מרובות כולל גילוי השחתה ותיקוף של חיבורי אספקת-כוח ושיטות תשלום. עבור הגנת נתונים, אתחול (Boot‏) מאובטח וניפוי שגיאות מאובטח, מפתחים יכולים לעשות שימוש במאפייני הביטחון המשולבים של מעבד ה-i.MX RT כולל אתחול (Boot‏) בביטחון גבוה, קריפטוגרפיה של חומרה, קידוד אפיק נתונים, אחסון לא-נדיף בטוח‏ ובקר Joint Test Action Group‏ (JTAG) בטוח.

כדי להקשיח עוד יותר ביטחון בבקר מערכת של טעינת EV, ‏התכנון בדרך כלל ישלים את יכולות הביטחון של מעבד ה-i.MX RT על ידי הכללת אלמנט ביטחון ‏NXP EdgeLock SE050. ה-SE050, שמתוכנן לספק ביטחון מחזור-חיים מקצה-לקצה, מספק מאיצי ביטחון מבוססי חומרה עבור מגוון אלגוריתמים של קריפטוגרפיה נפוצה, ‏פונקציונליות מודול פלטפורמה מהימן (TPM), טרנסאקציות אפיק בטוחות ואחסון בטוח. על ידי שימוש בהתקן זה כדי לספק ‏Root of Trust‏ (RoT) עבור סביבת הביצוע, מפתחים יכולים לאבטח פעולות קריטיות כולל תיקוף, אתחול בטוח, הגנת שלמות ותיקוף שלמות (attestation).

אם משתמשים במעבד i.MX RT ובהתקן EdgeLock SE05x, מפתחים זקוקים למספר קטן של רכיבים נוספים בלבד כדי לממש תת-מערכת בקר המתוכננת להריץ מערכת הפעלה זמן-אמת (RTOS) בעלת ביצועים עיליים‏ (איור 5‏).

איור 5‏: עם הפונקציונליות המשולבת ויכולות הביצוע שלהן, יחידות מיקרו-בקר (MCUs)‏ NXP i.MX RT מפשטות תכנון של תת-מערכות בקר עבור מערכות טעינת EV. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

פתרונות גמישים עבור יישומים מגוונים של מערכת טעינת EV

על ידי שילוב תת-המערכת לאספקת-כוח ותת-מערכות הבקר המוזכרות לעיל עם בלוקים אופציונליים עבור אפשרויות תשלום ותקשורת, מפתחים יכולים לממש במהירות מערכת טעינת EV חד-פאזית המסוגלת לספק עד 7 קילו-וואט (kW‏‏) (איור 6‏).

איור 6‏: שימוש משולב ב-KM3 MCU ובמעבד Crossover‏ ‏i.MX RT מספק בסיס חומרה יעיל עבור מערכות טעינת EV. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

עם שינוים צנועים יחסית לקצה-הקדמי האנלוגי, אותו התכן יכול להיות מורחב כדי לספק מערכת טעינת EV שלוש-פאזות המסוגלת לספק עד ‎22 kW (איור 7‏).

איור 7‏: מפתחים יכולים להתאים במהירות תכן המבוסס על KM3 MCU ומעבד Crossover‏ ‏i.MX RT כדי לתמוך במגוון יישומים. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

למרות ששילוב זה של התקני KM3x ו-i.MX RT יתאים למקרים רבים של שימוש, יישומים אחרים של מערכת טעינת EV עשויים לדרוש ממפתחים למטב היבטים אחרים של התכנים שלהם. לדוגמה, מטענים ביתיים המיועדים לספק זמני טעינה מהירים יותר מהניתן עם מטענים על-לוח ידרשו פתרונות הממטבים עלות וחתימת שטח. עבור יישומים אלה, מפתחים יכולים לממש בקר ברמה בסיסית, זולה יותר, תוך שימוש ב-MCU משתלם יותר כגון ה-NXP LPC55S69.

לעומת זאת, מטעני EVSE המיועדים עבור תחנות שירות ציבוריות יביאו דרישות מחמירות יותר מבחינת עיבוד יישום מהירות-גבוהה וביצועי זמן-אמת. דרישות אלו נחוצות כדי לבקר בבטחה מערכות אחסון סוללה שעובדות ברמות בתחום מ-400 עד 1000 וולט ומספקות רמות טעינה של ‎350 kW או יותר. כאן, היכולת להוציא לפועל תוכנה ברמת-יישום כמו גם תוכנת זמן-אמת היא קריטית לביצועים ולפונקציונליות. עבור מערכות אלו תשתמש במעבד כמו מעבד ה-NXP i.MX 8M, שמאפשר למפתחים לממש ביתר קלות פתרונות טעינה המסוגלים לספק את עיבוד היישום המבוסס-Linux כמו גם את ביצועי הזמן-אמת המאופשרים-RTOS הדרושים בתכנים מורכבים אלה (איור 8‏).

איור 8‏: עבור יישומים מורכבים יותר כמו טעינת EV אולטרה-מהירה, מפתחים יכולים להרחיב את הארכיטקטורה של טעינת EV תוך שימוש במעבדים עם ביצועים-עיליים כגון מעבדי i.MX 8M כדי לתמוך בדרישות בקר מורכבות יותר. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

מימוש מהיר של מערכות טעינת EV מחוברות לענן

מעבדי NXP‏ כולל ה-Kinetis KM3x,‏ i.MX RT,‏ LPC55S69, ו-i.MX 8M מספקים פלטפורמה גמישה עבור עמידה בדרישות ספציפיות של יישומים שונים של מערכת טעינת EV. עם זאת, עבור יישומים מורכבים יותר, עיכובים בפריסת בסיס החומרה יכולים לגרום לעיכובים משמעותיים בפיתוח של היישום של מערכת טעינת EV מקצה-לקצה.

כדי למנוע עיכובים כאלה, NXP‏ מציעה נתיב‏ מהיר לפיתוח תוך שימוש בסט לוחות וערכות הערכה המבוסס ‏על ההתקנים שדנו בהם קודם. לדוגמה, מודול ה-NXP TWR-KM34Z75M מספק פלטפורמת מטרולוגיה שלמה המשלבת MCU מטרולוגיה ‏Kinetis MKM34Z256VLQ7 עם מספר שלם של רכיבי תמיכה. באופן דומה, ערכת ההערכה i.MX RT1064 של NXP משלבת מעבד‏ MIMXRT1064DVL6 עם 256 מגה-ביט (Mbits‏) של SDRAM,‏ 512‎ Mbits‏ של Flash‏, 64‎ Mbits‏ של quad SPI (QSPI) flash, הכול על לוח ארבע-שכבות, שלם עם סט נרחב של מחברים היקפיים, כולל ממשק ‏Arduino. נוסף לכך, לוח ה-OM-SE050ARD של NXP מספק גישה מוכנה ל-EdgeLock SE050, ולוח ההערכה PNEV5180BM של NXP מספק לוח פיתוח קצה-קדמי NFC ‏נתקע.

על ידי שילוב לוח ה-NXP TWR-KM34Z75M עבור מטרולוגיה, ה-i.MX RT1064 עבור פונקציות בקרה ולוחות ה-OM-SE050ARD ו-PNEV5180B, מפתחים יכולים לממש במהירות פלטפורמת חומרה פונקציה-מלאה עבור בניית יישומים של מערכת טעינת EV (איור 9‏).

איור 9‏: מפתחים יכולים לממש במהירות פתרונות שלמים של טעינת EV מקצה-לקצה תוך שימוש בלוחות וערכות הערכה NXP‏ עם שירותי ענן זמינים כמו Microsoft Azure. (מקור תמונה: NXP Semiconductors)

שימוש בפתרונות ברמת-לוח של NXP בשילוב עם שירותי ענן Microsoft Azure מאפשר למפתחים לבנות מהר אב-טיפוס של פתרון שלם של מערכת טעינת EV, מקצה-לקצה, ולהשתמש בפלטפורמה כבסיס עבור תכנון יישומים ייחודיים יותר.

מסקנה

הזמינות המוכנה של מערכות טעינת EV היא מאפשר עיקרי עבור ניידות חשמלית, אבל מימוש משתלם של הפתרונות השונים בבתים, משרדים ותחנות שירות ציבוריות נשאר להיות מחסום. תוך שימוש בפלטפורמה של התקנים מיוחדים ופתרונות לוח מבית NXP Semiconductors, מפתחים יכולים לממש במהירות תכנים עם הביצועים הדרושים כדי לעמוד במגוון השלם של יישומי טעינת EV והגמישות להתאמה לדרישות חדשות שעולות.