Como implementar de forma rápida e eficiente sistemas flexíveis de carregamento EV

A tendência à mobilidade elétrica depende da disponibilidade esperada de uma infraestrutura de carregamento de veículos elétricos (EV) das estações de serviço público, aumentada por sistemas de carregamento adequados nas casas e locais de trabalho dos usuários. Embora suas principais exigências de projeto permaneçam amplamente consistentes, cada tipo de sistema traz exigências especializadas, uma complicação que é agravada por diferenças regionais em fatores que vão desde plataformas de comunicação até exigências de conformidade.

O desafio para os projetistas de infraestrutura de carregamento, portanto, é atender aos requisitos essenciais com flexibilidade suficiente em seu projeto para atender a mais ampla gama possível de uso final e requisitos regionais, equilibrando ao mesmo tempo o custo e o tempo de colocação no mercado.

Este artigo descreve a natureza diversificada dos requisitos de projeto de estações públicas de carregamento. Em seguida, introduz uma plataforma flexível de soluções da NXP Semiconductors que pode ser usada para lançar projetos equipados para atender a essas exigências.

Enfrentando diversos desafios de projeto

Os esforços para acelerar a transição para EV exigem a disponibilidade imediata de equipamentos eficientes de abastecimento de veículos elétricos (EVSE), mais comumente conhecidos como sistemas de carregamento EV. As necessidades de condução local podem ser atendidas com os carregadores CA-CC na placa embutida nos veículos para carregamento em casa ou no escritório, mas esses sistemas de carregamento não conseguem aliviar a ansiedade da faixa do EV que continua a limitar a adoção do EV. A mobilidade elétrica de longo alcance depende da disponibilidade de sistemas públicos de carregamento EV CC capazes de carregar um EV muito mais rapidamente do que os carregadores CA-CC embutidos. Ao mesmo tempo, esses diferentes sistemas de carregamento EV precisam estar em conformidade com uma série de normas e regulamentos de segurança, proteção e privacidade.

Para os desenvolvedores que criam soluções de sistemas de carregamento EV, a necessidade de fornecer soluções eficazes para cada caso de uso específico apresenta tanto tremendas oportunidades quanto desafios técnicos significativos. Entre os desafios, os desenvolvedores precisam oferecer um amplo conjunto de capacidades em uma gama de projetos capazes de proporcionar o desempenho e a eficiência necessários, atendendo aos requisitos específicos para cada aplicação. Para atender a esta necessidade, é necessário adaptar a arquitetura fundamental subjacente a todos os projetos de sistemas de carregamento EV.

Adaptando a arquitetura básica do sistema de carregamento EV

Independentemente de sua aplicação de destino específica, os sistemas de carregamento EV compreendem dois subsistemas principais — um front-end de fornecimento de energia e um controlador back-end de gerenciamento de energia — separados por uma fronteira de isolação (Figura 1).

Figura 1: A arquitetura básica para sistemas de carregamento EV inclui subsistemas separados para a interface da tomada de energia e controlador separados por uma fronteira de isolação. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Com relação à parte do veículo e da fonte de energia, o subsistema de interface da tomada de energia gerencia o fornecimento de energia ao veículo. Do outro lado da barreira de isolação, o subsistema controlador lida com segurança, comunicações e outras funções de alto nível. A implementação desses subsistemas depende tipicamente de alguns blocos de construção fundamentais para atender às exigências específicas de metrologia, controle, segurança funcional, segurança e comunicações associadas a cada aplicação específica.

Cada bloco de construção contribui com uma funcionalidade crítica para o projeto geral do sistema de carregamento EV. A unidade de metrologia precisa garantir uma transferência segura de energia, bem como uma medição de energia precisa e à prova de adulterações para fins de cobrança. A unidade de controle garante a execução confiável dos vários protocolos necessários para a transferência de energia a jusante e transferência de dados a montante, com base nas capacidades de segurança e proteção funcional, ao mesmo tempo em que suporta os requisitos locais e regionais específicos para pagamentos seguros e protocolos de comunicação usados para se comunicar com recursos baseados em nuvem.

No passado, os desenvolvedores precisavam adaptar o projeto básico da arquitetura de carregamento EV às suas exigências, implementando cada bloco de construção necessário, normalmente utilizando projetos personalizados incorporando uma ampla gama de dispositivos de uso geral. A família de soluções NXP para carregamento EV oferece uma alternativa eficaz, permitindo aos desenvolvedores combinar blocos de construção prontos para uso para criar rapidamente projetos de sistemas de carregamento EV para uma ampla gama de aplicações de destino.

Implementação o front-end do sistema de carregamento EV

As soluções da NXP para carregamento EV giram em torno de várias famílias de processadores projetados especificamente para oferecer o desempenho e a funcionalidade necessários em aplicações exigentes como projetos de sistemas de carregamento EV. Entre estas famílias de processadores, os membros dos microcontroladores (MCUs) da série Kinetis KM3x da NXP são projetados especificamente para fornecer uma medição precisa e certificável de fornecimento de energia. Baseado em um núcleo Arm® Cortex® M0+ de 32 bits, os MCUs Kinetis KM3x integram um amplo conjunto de blocos funcionais para medição, segurança, comunicações e suporte de sistema, junto com flash e memória estática de acesso aleatório (SRAM) no chip (Figura 2).

Figura 2: A série Kinetis KM3x integra um conjunto completo de blocos funcionais necessários para implementar uma medição precisa e certificável de fornecimento de energia. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Para simplificar a implementação da metrologia, o front-end MCU de medição KM35x integra um conversor analógico-digital (ADC) sigma-delta de alta precisão, vários ADCs de registradores de aproximação sucessiva (SAR), até quatro amplificadores de ganho programáveis (PGAs), um comparador analógico de alta velocidade (HSCMP), um bloco lógico de compensação de fase e uma referência de tensão interna de alta precisão (VREF) com deriva de baixa temperatura. Para proteger a integridade da unidade de metrologia, a funcionalidade de segurança no chip suporta tanto a detecção ativa quanto passiva de adulterações com carimbo de data/hora. Usados em combinação com sensores externos, relés e outros periféricos, estes blocos no chip fornecem toda a funcionalidade necessária para implementar rapidamente um sofisticado subsistema de metrologia para um front-end da tomada de energia do sistema de carregamento EV (Figura 3).

Figura 3: Com um MCU Kinetis KM, os desenvolvedores precisam apenas de alguns componentes externos adicionais para implementar um subsistema EV de tomadas de energia. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Implementando o controlador do sistema de carregamento EV

Como observado acima, um controlador de sistemas de carregamento EV orquestra a grande variedade de capacidades funcionais necessárias em cada sistema. As exigências deste subsistema ditam o uso de um processador capaz de fornecer tanto o desempenho em tempo real necessário para garantir o controle preciso do sistema de carregamento, quanto a taxa de transferência do processamento necessário para suportar diversos protocolos, minimizando ao mesmo tempo a pegada e o custo do projeto.

Com base no núcleo Arm Cortex-M7, a série i.MX RT da NXP de processadores crossover oferece as capacidades em tempo real de microcontroladores incorporados com desempenho da aplicação em nível de processador. Com uma frequência operacional de 600 megahertz (MHz) e um complemento de periféricos completo, os processadores i.MX RT como o i.MX RT1064 são capazes de atender às demandas de resposta em tempo real de baixa latência. Ao mesmo tempo, características como uma grande memória no chip, um controlador de memória externo, um subsistema gráfico e várias interfaces de conectividade atendem às demandas da aplicação (Figura 4).

Figura 4: O processador crossover i.MX RT1064 combina periféricos e memória com um subsistema de processador Arm Cortex-M7 projetado para oferecer execução em tempo real e desempenho da aplicação em nível de processador. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Além de atender aos requisitos críticos de tempo real e desempenho, os projetos de sistemas de carregamento EV precisam garantir segurança em várias frentes, incluindo detecção de adulteração e autenticação de conexões de energia e formas de pagamento. Para proteção de dados, inicialização segura e depuração segura, os desenvolvedores podem tirar proveito das características de segurança integradas do processador i.MX RT, incluindo inicialização de alta segurança, criptografia de hardware, criptografia de barramento, armazenamento seguro não volátil e um controlador seguro JTAG (Joint Test Action Group).

Para reforçar ainda mais a segurança em um controlador de sistema de carregamento EV, um projeto normalmente complementaria as capacidades de segurança do processador i.MX RT, incluindo um elemento seguro EdgeLock SE050 da NXP. Projetado para fornecer segurança de ponta a ponta no ciclo de vida, o SE050 fornece aceleradores de segurança baseados em hardware para uma gama de algoritmos populares de criptografia, funcionalidade TPM (Trusted Platform Module), transações seguras de barramento e armazenamento seguro. Ao utilizar este dispositivo para fornecer uma raiz de confiança (RoT) para o ambiente de execução, os desenvolvedores podem garantir operações críticas, incluindo autenticação, integração segura, proteção de integridade e atestado.

Usando um processador i.MX RT e um dispositivo EdgeLock SE05x, os desenvolvedores precisam apenas de alguns componentes adicionais para implementar um subsistema controlador projetado para executar um sistema operacional em tempo real (RTOS) de alto desempenho (Figura 5).

Figura 5: Com sua funcionalidade integrada e capacidade de desempenho, os MCUs i.MX RT simplificam o projeto de subsistemas de controladores para sistemas de carregamento EV. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Soluções flexíveis para diversas aplicações de sistemas de carregamento EV

Ao combinar o subsistema de energia e os subsistemas de controladores mencionados acima com blocos opcionais para pagamento e opções de comunicação, os desenvolvedores podem implementar rapidamente um sistema de carregamento EV monofásico capaz de fornecer até 7 quilowatts (kW) (Figura 6).

Figura 6: Usado em combinação, um MCU KM3 e processador crossover i.MX RT fornecem uma base de hardware eficiente para sistemas de carregamento EV. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Com modificações relativamente modestas no front-end analógico, este mesmo projeto pode ser estendido para fornecer um sistema de carregamento EV trifásico capaz de fornecer até 22 kW (Figura 7).

Figura 7: Os desenvolvedores podem adaptar rapidamente um projeto baseado em um MCU KM3 e processador crossover i.MX RT para suportar uma variedade de aplicações. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Embora esta combinação de dispositivos KM3x e i.MX RT seja adequada para muitos casos de uso, outras aplicações de sistemas de carregamento EV podem exigir que os desenvolvedores otimizem outras facetas de seus projetos. Por exemplo, carregadores residenciais destinados a fornecer tempos de carregamento mais rápidos do que aqueles possíveis com carregadores na placa exigirão soluções que otimizem o custo e a pegada. Para estas aplicações, os desenvolvedores podem implementar um controlador de nível básico de baixo custo usando um MCU econômico como o NXP LPC55S69.

Em contraste, os carregadores EVSE comerciais destinados a estações de serviço público trarão requisitos mais rigorosos em termos de processamento de alta velocidade da aplicação e desempenho em tempo real. Estes são necessários para controlar com segurança os sistemas de armazenamento por baterias, operando em níveis que variam de 400 a 1000 volts e fornecendo níveis de carga a 350 kW ou mais. Aqui, a capacidade de executar tanto software em nível de aplicação quanto software em tempo real é fundamental para o desempenho e a funcionalidade. Para estes sistemas, o uso de um processador como o NXP i.MX 8M permite aos desenvolvedores implementar mais facilmente soluções de carregamento capazes de fornecer tanto o processamento de aplicativos baseados em Linux quanto o desempenho em tempo real permitidos por RTOS, necessário nestes projetos complexos (Figura 8).

Figura 8: Para aplicações mais complexas, como carregamento EV ultra-rápido, os desenvolvedores podem estender a arquitetura básica de carregamento EV usando processadores de alto desempenho, como os processadores i.MX 8M, para suportar requisitos de controladores mais complexos. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Rápida implementação de sistemas de carregamento EV conectados à nuvem

Os processadores NXP incluindo os Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 e i.MX 8M fornecem uma plataforma flexível para atender às exigências específicas de diferentes aplicações de sistemas de carregamento EV. Para aplicações mais complexas, entretanto, atrasos na implantação da base de hardware podem impor atrasos significativos no desenvolvimento da aplicação do sistema de carregamento EV de ponta a ponta.

Para evitar tais atrasos, a NXP oferece um caminho rápido para o desenvolvimento utilizando um conjunto de placas e kits de avaliação com base nos dispositivos discutidos anteriormente. Por exemplo, o módulo NXP TWR-KM34Z75M fornece uma plataforma de metrologia completa que combina um MCU de metrologia Kinetis MKM34Z256VLQ7 com um complemento completo de componentes de suporte. Da mesma forma, o kit de avaliação i.MX RT1064 da NXP combina um processador MIMXRT1064DVL6 com 256 megabits (Mbits) de SDRAM, 512 Mbits de flash, 64 Mbits de flash QSPI, tudo em uma placa de quatro camadas, completo com um extenso conjunto de conectores periféricos, incluindo uma interface Arduino. Além disso, a placa OM-SE050ARD da NXP fornece acesso imediato ao EdgeLock SE050, e a placa de avaliação PNEV5180BM da NXP fornece uma placa de desenvolvimento front-end NFC.

Ao combinar a placa NXP TWR-KM34Z75M para metrologia, a i.MX RT1064 para funções de controle, e as placas OM-SE050ARD e PNEV5180B, os desenvolvedores podem implementar rapidamente uma plataforma de hardware com todas as funções para a construção de aplicações de sistemas de carregamento EV (Figura 9).

Figura 9: Os desenvolvedores podem implementar rapidamente soluções completas de carregamento EV de ponta a ponta, usando placas NXP e kits de avaliação com serviços de nuvem disponíveis como o Microsoft Azure. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

Utilizadas em combinação com os serviços em nuvem da Microsoft Azure, as soluções de nível de placa da NXP permitem que os desenvolvedores façam protótipos rapidamente de uma solução completa de sistema de carregamento EV de ponta a ponta e utilizem a plataforma como base para projetar aplicações mais especializadas.

Conclusão

A disponibilidade imediata de sistemas de carregamento EV é um fator chave para a mobilidade elétrica, mas a implementação econômica das diferentes soluções necessárias em residências, escritórios e estações de serviço público continua sendo uma barreira. Usando uma plataforma de dispositivos especializados e soluções de placas da NXP Semiconductors, os desenvolvedores podem implementar rapidamente projetos com o desempenho necessário para atender a toda a gama de aplicações de carregamento EV e a flexibilidade para se adaptar às exigências emergentes.