Implémenter rapidement et efficacement des systèmes de charge de véhicules électriques flexibles

La tendance à l'électromobilité repose sur la disponibilité attendue d'une infrastructure de charge de véhicules électriques (VE) dans les stations-service publiques, renforcée par des systèmes de charge appropriés au domicile et sur le lieu de travail des utilisateurs. Bien que leurs exigences de base en matière de conception restent largement cohérentes, chaque type de système implique des exigences spécifiques, compliquées par des différences régionales concernant des facteurs tels que les plateformes de communications et les exigences de conformité.

Le défi pour les concepteurs d'infrastructures de charge est donc de répondre aux exigences de base tout en étant suffisamment flexibles pour couvrir le plus large éventail possible d'exigences régionales et d'utilisations finales, et en équilibrant les coûts et les délais de commercialisation.

Cet article décrit les multiples exigences en matière de conception de stations de charge publiques. Il présente ensuite une plateforme de solutions flexible de NXP Semiconductors qui peut être utilisée pour lancer des conceptions équipées pour répondre à ces exigences.

Relever les multiples défis de conception

Les efforts visant à accélérer la transition vers les véhicules électriques requièrent la disponibilité immédiate d'équipements d'alimentation de véhicules électriques (EVSE) efficaces, plus connus sous le nom de systèmes de charge de véhicules électriques. Pour les besoins de déplacement locaux, les chargeurs CA/CC embarqués dans les véhicules peuvent suffire pour la charge à domicile ou au bureau, mais ces systèmes de charge ne sont pas en mesure d'atténuer l'appréhension liée à l'autonomie des véhicules électriques qui continue de freiner leur adoption. L'électromobilité longue distance dépend de la disponibilité de systèmes publics de charge CC capables de charger un véhicule électrique beaucoup plus rapidement que les chargeurs CA/CC intégrés. Dans le même temps, ces différents systèmes de charge VE doivent se conformer à un certain nombre de normes et de réglementations en matière de sûreté, de sécurité et de confidentialité.

Pour les développeurs qui créent des solutions de systèmes de charge de véhicules électriques, la nécessité de fournir des solutions efficaces pour chaque cas d'utilisation spécifique présente à la fois d'énormes opportunités et des défis techniques importants. Parmi les défis à relever, les développeurs doivent offrir un large éventail de capacités dans une gamme de conceptions capables de fournir les performances et l'efficacité requises tout en répondant aux exigences spécifiques de chaque application. Pour ce faire, il est nécessaire d'adapter l'architecture fondamentale sur laquelle reposent toutes les conceptions de systèmes de charge de véhicules électriques.

Adapter l'architecture de base des systèmes de charge VE

Indépendamment de leur application cible spécifique, les systèmes de charge de véhicules électriques sont constitués de deux sous-systèmes majeurs — un circuit d'entrée d'alimentation et un contrôleur d'arrière-plan de gestion de l'alimentation — séparés par une barrière d'isolement (Figure 1).

Figure 1 : L'architecture de base pour les systèmes de charge de véhicules électriques inclut des sous-systèmes distincts pour l'interface de prise de courant et le contrôleur, séparés par une barrière d'isolement. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Sur le frontal faisant face au véhicule et à la source d'énergie, le sous-système d'interface de prise de courant gère l'alimentation du véhicule. De l'autre côté de la barrière galvanique, le sous-système de contrôleur gère la sécurité, les communications et d'autres fonctions de haut niveau. La mise en œuvre de ces sous-systèmes dépend généralement de quelques blocs fonctionnels fondamentaux pour répondre aux exigences spécifiques de métrologie, de commande, de sûreté fonctionnelle, de sécurité et de communications, associées à chaque application spécifique.

Chaque bloc fonctionnel contribue aux fonctionnalités critiques de la conception globale du système de charge VE. L'unité de métrologie doit garantir un transfert d'énergie sûr ainsi qu'une mesure précise et inviolable de l'énergie à des fins de facturation. L'unité de commande assure une exécution fiable des différents protocoles requis pour le transfert d'énergie en aval et le transfert de données en amont, en s'appuyant sur les capacités de sûreté fonctionnelle et de sécurité tout en prenant en charge les exigences locales et régionales en matière de paiement sécurisé et de protocoles de communications utilisés pour communiquer avec les ressources cloud.

Auparavant, les développeurs devaient adapter la conception de base de l'architecture de charge VE à leurs besoins en implémentant chaque bloc fonctionnel constitutif requis, typiquement en utilisant des conceptions personnalisées intégrant un large éventail de dispositifs à usage général. La gamme de solutions de NXP pour la charge de véhicules électriques offre une alternative efficace, permettant aux développeurs de combiner des blocs fonctionnels prêts à l'emploi pour créer rapidement des systèmes de charge VE pour un large éventail d'applications cibles.

Implémenter le circuit d'entrée du système de charge VE

Les solutions de NXP pour la charge de véhicules électriques s'articulent autour d'un certain nombre de familles de processeurs conçues spécifiquement pour offrir les performances et les fonctionnalités requises dans les applications exigeantes comme les systèmes de charge VE. Parmi ces familles de processeurs, les microcontrôleurs (MCU) Kinetis KM3x de NXP sont conçus spécifiquement pour fournir une mesure certifiable et précise de la puissance délivrée. Basés sur un cœur Arm® Cortex®-M0+ 32 bits, les microcontrôleurs Kinetis KM3x intègrent un ensemble complet de blocs fonctionnels pour la mesure, la sécurité, les communications et le support système, ainsi qu'une mémoire Flash et une mémoire vive statique (SRAM) sur puce (Figure 2).

Figure 2 : La série Kinetis KM3x intègre un ensemble complet de blocs fonctionnels nécessaires à la mise en œuvre d'une mesure précise et certifiable de la puissance délivrée. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Pour simplifier la mise en œuvre de la métrologie, le circuit d'entrée de mesure du microcontrôleur KM35x intègre un convertisseur analogique-numérique (CAN) sigma-delta haute précision, plusieurs CAN à registres d'approximations successives (SAR), jusqu'à quatre amplificateurs à gain programmable (PGA), un comparateur analogique haute vitesse (HSCMP), un bloc logique de compensation de phase et une référence de tension interne haute précision (VREF) à faible dérive de température. Pour protéger l'intégrité de l'unité de métrologie, la fonctionnalité de sécurité intégrée prend en charge la détection d'altération active et passive avec horodatage. Utilisés en combinaison avec des capteurs externes, des relais et d'autres périphériques, ces blocs intégrés fournissent toutes les fonctionnalités requises pour la mise en œuvre rapide d'un sous-système de métrologie sophistiqué pour un circuit d'entrée de prise de courant de système de charge VE (Figure 3).

Figure 3 : Avec un microcontrôleur Kinetis KM, les développeurs n'ont besoin que de quelques composants externes supplémentaires pour implémenter un sous-système de prise de courant pour véhicules électriques. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Implémenter le contrôleur du système de charge EV

Comme indiqué précédemment, un contrôleur de systèmes de charge de véhicules électriques orchestre la grande variété de capacités fonctionnelles nécessaires dans chaque système. Les exigences de ce sous-système imposent l'utilisation d'un processeur capable de fournir à la fois les performances en temps réel requises pour garantir le contrôle précis du système de charge, et le débit de traitement nécessaire pour prendre en charge divers protocoles tout en minimisant l'empreinte et le coût de la conception.

Basés sur le cœur Arm Cortex-M7, les processeurs crossover de la série i.MX RT de NXP offrent les capacités en temps réel des microcontrôleurs embarqués avec les performances d'un processeur d'application. Avec une fréquence de fonctionnement de 600 mégahertz (MHz) et un ensemble complet de périphériques, les processeurs i.MX RT tels que l'i.MX RT1064 sont capables de satisfaire aux exigences de réponse en temps réel à faible latence. Dans le même temps, des fonctionnalités telles qu'une importante mémoire sur puce, un contrôleur de mémoire externe, un sous-système graphique et de multiples interfaces de connectivité répondent aux exigences des applications (Figure 4).

Figure 4 : Le processeur crossover i.MX RT1064 combine périphériques et mémoire avec un sous-système de processeur Arm Cortex-M7 conçu pour offrir à la fois une exécution en temps réel et les performances d'un processeur d'application. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

En plus de répondre aux exigences de performances et en temps réel critiques, les systèmes de charge de véhicules électriques doivent garantir la sécurité sur plusieurs fronts, notamment la détection d'altération et l'authentification des connexions d'alimentation et des méthodes de paiement. Pour la protection des données, l'amorçage sécurisé et le débogage sécurisé, les développeurs peuvent tirer parti des fonctions de sécurité intégrées du processeur i.MX RT, notamment l'amorçage à haute assurance, la cryptographie matérielle, le cryptage de bus, le stockage non volatil sécurisé et un contrôleur JTAG (Joint Test Action Group) sécurisé.

Pour renforcer la sécurité dans un contrôleur de système de charge VE, les capacités de sécurité du processeur i.MX RT sont généralement complétées par un élément sécurisé EdgeLock SE050 de NXP. Conçu pour assurer une sécurité de bout en bout tout au long du cycle de vie, le SE050 fournit des accélérateurs de sécurité basés sur le matériel pour une gamme d'algorithmes de cryptographie populaires, une fonctionnalité de module de plateforme de confiance (TPM), des transactions de bus sécurisées et un stockage sécurisé. En utilisant ce dispositif pour fournir une racine de confiance (RoT) pour l'environnement d'exécution, les développeurs peuvent sécuriser les opérations critiques telles que l'authentification, l'intégration sécurisée, la protection de l'intégrité et la certification.

En utilisant un processeur i.MX RT et un dispositif EdgeLock SE05x, les développeurs n'ont besoin que de quelques composants supplémentaires pour mettre en œuvre un sous-système de contrôleur exécutant un système d'exploitation en temps réel (RTOS) hautes performances (Figure 5).

Figure 5 : Grâce à leurs fonctionnalités intégrées et à leurs performances, les microcontrôleurs i.MX RT simplifient la conception des sous-systèmes de contrôleur pour les systèmes de charge de véhicules électriques. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Solutions flexibles pour diverses applications de systèmes de charge VE

En combinant le sous-système d'alimentation et les sous-systèmes de contrôleur mentionnés ci-dessus avec des blocs optionnels pour les options de paiement et de communications, les développeurs peuvent rapidement mettre en œuvre un système de charge VE à une phase capable de fournir jusqu'à 7 kilowatts (kW) (Figure 6).

Figure 6 : Utilisés conjointement, un microcontrôleur KM3 et un processeur crossover i.MX RT fournissent une base matérielle efficace pour les systèmes de charge de véhicules électriques. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Avec des modifications relativement modestes du circuit d'entrée analogique, cette même conception peut être étendue pour fournir un système de charge VE à trois phases capable de fournir jusqu'à 22 kW (Figure 7).

Figure 7 : Les développeurs peuvent rapidement adapter une conception basée sur un microcontrôleur KM3 et un processeur crossover i.MX RT pour prendre en charge une variété d'applications. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Bien que cette combinaison de dispositifs KM3x et i.MX RT convienne à de nombreux cas d'utilisation, les développeurs peuvent avoir besoin d'optimiser d'autres aspects de leurs conceptions pour d'autres applications de systèmes de charge VE. Par exemple, les chargeurs résidentiels destinés à offrir des temps de charge plus rapides que ceux des chargeurs embarqués nécessitent des solutions qui optimisent le coût et l'encombrement. Pour ces applications, les développeurs peuvent implémenter un contrôleur d'entrée de gamme à moindre coût en utilisant un microcontrôleur économique tel que le LPC55S69 de NXP.

En revanche, les chargeurs EVSE commerciaux destinés aux stations-service publiques imposent des exigences plus strictes en matière de traitement des applications haute vitesse et de performances en temps réel. Cela est nécessaire pour contrôler en toute sécurité les systèmes de stockage batterie fonctionnant de 400 volts (V) à 1000 V et fournissant des niveaux de charge de 350 kW ou plus. Dans ce cas, la capacité d'exécuter à la fois des logiciels au niveau de l'application et des logiciels en temps réel est essentielle pour les performances et les fonctionnalités. Pour ces systèmes, l'utilisation d'un processeur tel que l'i.MX 8M de NXP permet aux développeurs de mettre en œuvre plus facilement des solutions de charge capables de fournir à la fois le traitement des applications basées Linux et les performances en temps réel compatibles RTOS nécessaires dans ces conceptions complexes (Figure 8).

Figure 8 : Pour les applications plus complexes telles que la charge ultra-rapide de véhicules électriques, les développeurs peuvent étendre l'architecture de charge VE de base avec des processeurs hautes performances tels que l'i.MX 8M pour prendre en charge des exigences de contrôleur plus complexes. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Implémentation rapide de systèmes de charge VE connectés au cloud

Les processeurs de NXP, y compris les dispositifs Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 et i.MX 8M, fournissent une plateforme flexible permettant de répondre aux exigences spécifiques des différentes applications de systèmes de charge de véhicules électriques. Pour les applications plus complexes, cependant, les retards dans le déploiement de la base matérielle peuvent imposer des retards importants dans le développement de l'application de système de charge VE de bout en bout.

Pour éviter de tels retards, NXP propose un chemin de développement rapide avec un ensemble de cartes et de kits d'évaluation basés sur les dispositifs mentionnés précédemment. Par exemple, le module TWR-KM34Z75M de NXP fournit une plateforme de métrologie complète associant un microcontrôleur de métrologie Kinetis MKM34Z256VLQ7 à un ensemble complet de composants de support. De la même façon, le kit d'évaluation i.MX RT1064 de NXP combine un processeur MIMXRT1064DVL6 avec 256 mégabits (Mb) de SDRAM, 512 Mb de Flash, 64 Mb de Flash QSPI, et ce, sur une carte à quatre couches, avec un jeu complet de connecteurs périphériques, y compris une interface Arduino. De plus, la carte OM-SE050ARD de NXP permet d'accéder facilement à l'EdgeLock SE050, et la carte d'évaluation PNEV5180BM de NXP fournit une carte de développement de circuit d'entrée NFC prête à l'emploi.

En combinant la carte TWR-KM34Z75M de NXP pour la métrologie, la carte i.MX RT1064 pour les fonctions de commande et les cartes OM-SE050ARD et PNEV5180B, les développeurs peuvent implémenter rapidement une plateforme matérielle entièrement fonctionnelle pour développer des applications de systèmes de charge de véhicules électriques (Figure 9).

Figure 9 : Les développeurs peuvent rapidement mettre en œuvre des solutions complètes de charge VE de bout en bout à l'aide des cartes et des kits d'évaluation de NXP et des services cloud disponibles tels que Microsoft Azure. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Utilisées en combinaison avec les services cloud Microsoft Azure, les solutions niveau carte de NXP permettent aux développeurs de prototyper rapidement une solution de système de charge VE de bout en bout et d'utiliser la plateforme comme base pour la conception d'applications plus spécialisées.

Conclusion

La disponibilité immédiate de systèmes de charge de véhicules électriques est un élément clé de l'électromobilité, mais l'implémentation rentable des différentes solutions requises à domicile, sur le lieu de travail et dans les stations-service publiques reste un obstacle. Grâce à une plateforme de dispositifs spécialisés et de solutions de cartes de NXP Semiconductors, les développeurs peuvent rapidement mettre en œuvre des conceptions offrant les performances requises pour répondre à toutes les applications de charge de véhicules électriques, et la flexibilité nécessaire pour s'adapter aux exigences émergentes.