Intelligente Ladebedarfe und Lösungen für Elektrofahrzeuge

Da die globale Aufmerksamkeit für Umweltschutz und nachhaltige Entwicklung zunimmt, werden Elektrofahrzeuge (EVs) schnell zur bevorzugten Wahl für die zukünftige Mobilität. Allerdings bringt die weit verbreitete Einführung von Elektrofahrzeugen mehrere Herausforderungen mit sich, wobei eine der bedeutendsten darin besteht, den Ladevorgang effektiv zu verwalten und zu optimieren. Traditionelle Lademethoden können die Anforderungen moderner EV-Nutzer an Ladegeschwindigkeit, Komfort, Sicherheit und Energieeffizienz nicht erfüllen. Um diese Herausforderungen anzugehen, hat sich die intelligente Ladetechnologie etabliert. Intelligentes Laden ist nicht nur ein einfacher Ladevorgang, sondern eine integrierte Lösung, die fortschrittliche Kommunikationstechnologien, Datenanalysen und Energiemanagement kombiniert.

ISO-15118-Standard für intelligente Ladeanwendungen

ISO 15118 ist ein internationaler Standard für die Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen (EVs) und Ladestationen, der den Informationsaustausch für Authentifizierung, Autorisierung, Abrechnung und die flexible Steuerung der Ladeleistung erleichtert. Ziel ist die Unterstützung von intelligenten Ladefunktionen, einschließlich der "Plug and Charge"-Funktion, die eine automatische Authentifizierung und Bezahlung ermöglicht. Mit dieser Funktion muss das Elektrofahrzeug lediglich an die Ladestation angeschlossen werden, um den Ladevorgang automatisch zu starten, wodurch zusätzliche Authentifizierungsschritte entfallen und der Bezahlvorgang vereinfacht wird. Dies erhöht die Benutzerfreundlichkeit erheblich.   Darüber hinaus ermöglicht ISO 15118 eine bidirektionale Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen und Ladestationen, wodurch ein Energietransfer sowohl vom Fahrzeug zur Ladestation als auch umgekehrt möglich wird. Der Standard unterstützt die Anpassung der Ladeleistung und die Zeitplanung für das Laden und integriert sich in intelligente Stromnetze (Smart Grids), sodass Elektrofahrzeuge die Ladeleistung während Spitzenlastzeiten begrenzen oder während Nebenzeiten laden können. Dies hilft, Netzüberlastungen zu verhindern, die Netzlast auszugleichen und die Gesamteffizienz und Stabilität des Stromversorgungssystems zu verbessern.   ISO 15118 gewährleistet außerdem eine starke Verschlüsselung zum Schutz der Datenübertragung während der Kommunikation und sichert so Benutzerinformationen und Transaktionsdaten. Neben der traditionellen kabelgebundenen Kommunikation unterstützt der Standard auch drahtlose Kommunikationstechnologien, was die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit weiter steigert.   Darüber hinaus umfasst ISO 15118 Energiemanagement-Funktionen, die es Elektrofahrzeugen und Ladestationen ermöglichen, die optimale Ladestrategie auszuhandeln, um die Energienutzung zu optimieren und die Kosten des Ladevorgangs zu senken. Diese Eigenschaften machen ISO 15118 zu einem entscheidenden Standard für das intelligente Laden von Elektrofahrzeugen, fördern die tiefe Integration zwischen Elektrofahrzeugen und dem Stromnetz, verbessern die Ladeeffizienz und steigern die Benutzererfahrung.

Wichtige Bausteine von Ladestationen für Elektrofahrzeuge

EV-Ladestationen liefern Energie zum Laden von Elektrofahrzeugen (EVs). Eine typische EV-Ladestation besteht aus mindestens einer intelligenten Steuerplatine (Supply Equipment Communication Controller, SECC) und einer Leistungssteckdosenplatine. Der intelligente Controller ist für die Verwaltung der hochrangigen Kommunikation und Funktionalität, der Dienste und der Verbindung zu Remote-Servern verantwortlich, während die Leistungssteckdosenplatine für Sicherheit, niedrigstufige Kommunikation, Energieverteilung und -messung zuständig ist. Um die vielfältigen Anforderungen des EV-Ladens zu erfüllen, muss die Ladeausrüstung nicht nur flexible Optionen für AC- oder DC-Stromversorgung bieten, sondern auch eine Vielzahl von Funktionen bereitstellen.   Aufgrund gesetzlicher Anforderungen in verschiedenen Ländern, die darauf abzielen, die Genauigkeit fairer Zahlungen, die Rückgewinnung von Kraftstoffsteuern sowie die Laststeuerung und Qualitätsanalyse des Stromnetzes zu verbessern, muss die Ladeausrüstung präzise Messungen der Energieübertragung bereitstellen. Zusätzlich muss die Ladeausrüstung wichtige EV-Sicherheitsstandards unterstützen, die in OCPP2.x, ISO 15118 und PKI enthalten sind, sowie die DSGVO, das Eichrecht und Vertraulichkeitsanforderungen einhalten. Ebenso müssen Sicherheitsstandards wie IEC61508 und SIL2 berücksichtigt werden, um die Sicherheit und den Schutz von Edge-Geräten zu erhöhen.   Darüber hinaus muss der Cloud-Service-Zugang für die Ladeausrüstung den Bereitstellungs- und Eigentumsprozess vereinfachen, indem Zero-Touch-Onboarding verwendet wird, um eine hohe Sicherheit und Vertrauen bei der Verbindung zu authentifizierten Geräten zu gewährleisten. Gleichzeitig müssen Vorbereitungen für großflächige Installationen getroffen werden, die kosteneffiziente künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) für Verbrauchsprofile und die Analyse zur Anomalieerkennung integrieren. Zudem sollte die Produktlebensdauer der Ladeausrüstung über 10 oder 15 Jahre hinausgehen, mit einer Nutzungsdauer von 10 bis 20 Jahren, und robust und strapazierfähig sein, um in rauen Umgebungen die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems zu gewährleisten.   Zum Aufbau eines vollständigen EV-Ladesystems sind die folgenden wesentlichen Bausteine erforderlich. Zunächst wird eine Messtechnik benötigt, die den Energiefluss zwischen dem Ladegerät und dem Fahrzeug präzise misst, den Energieverbrauch für die Abrechnung berechnet, das sichere Umschalten und die niedrigstufige Kommunikation der EVs verwaltet und hochpräzise Temperatursensoren für Temperaturüberwachung unterstützt, um Sicherheit und Anomalieerkennung zu gewährleisten. Zusätzlich kann eine NFC-Brücke als isolierter Kommunikationskanal für den Messtechnik-MCU verwendet werden und auch in Fertigungs-, Inbetriebnahme- und Aktualisierungsprozessen eingesetzt werden.   Des Weiteren wird eine Steuerplatine (SECC) benötigt, welche die Hauptfunktionen und -dienste der Stromversorgungseinrichtung verwaltet, einschließlich jeglicher hochrangiger Kommunikation und Protokollstapel wie ISO 15118, OCPP und der Verbindung zum Backend, mit Optionen wie Bare-Metal-Diensten und RTOS. Für Lösungen, die das Linux®-Betriebssystem verwenden, können Bildschirme für Medienwerbung hinzugefügt werden, um weiteren Mehrwert zu schaffen.   Sicherheit ist eine unverzichtbare Funktion der Ladeausrüstung. Dabei ist eine End-to-End-Verifizierung unter Verwendung kryptografischer Schlüssel erforderlich, um Energienutzungs- und Abrechnungsdaten zu schützen, EV-Ladestationen sicher und nahtlos in Backend-Server und Cloud-Dienste für das Remote-Management einzubinden und die Konfiguration, Aktualisierung und Verifizierung von Software und Firmware zu ermöglichen. In Bezug auf externe Kommunikationsfunktionen kann eine flexible Kombination aus Kommunikationstechnologien je nach Standort, Region und Typ der Ladeausrüstung kombiniert werden. Dabei können Kommunikationslösungen für bestimmte Regionen wie Wi-Fi®, PLC, NB-IoT, Sigfox usw. unterstützt werden.

Bereitstellung einer hochwertigen Ladelösung für Elektrofahrzeuge

Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EV) erfordern hohe Effizienz, Genauigkeit, Konnektivität und Sicherheit. Die Lösungen von NXP erfüllen die Anforderungen an präzise Leistungsmesstechniken, Anlagenmanagement und Datensicherheit. Der umfangreiche technische Support von NXP ermöglicht eine schnellere Markteinführung bei gleichzeitiger Reduzierung von Komplexität und Kosten. Das Produktlebenszyklusprogramm von NXP unterstützt zudem längere Produktlebenszyklen.   Um den Anforderungen des Schnellladens für Elektrofahrzeuge gerecht zu werden, hat NXP die EasyEVSE-Lösung vorgestellt, die das volle Potenzial des ISO-15118-Standards ausschöpft. Sie bietet die Bequemlichkeit von Plug-and-Charge, bidirektionale Leistungsübertragung unter Nutzung von EV-Batterien als Energiequellen sowie die Möglichkeit, Fahrzeugenergie für Lastenausgleich oder als Generator während Stromausfällen oder bei hohen Energiekosten zu nutzen.   Die EasyEVSE-Lösung von NXP kombiniert Effizienz und Nachhaltigkeit mit Zuverlässigkeit und Sicherheit. Sie bietet robuste Haltbarkeit für raue Umgebungen und ist kostenoptimiert, um eine Balance zwischen verbesserter Leistung und wirtschaftlichen Anforderungen zu schaffen. Außerdem bietet sie schnellere Upgrade-Möglichkeiten für Produkte, die Wiederverwendung einer gemeinsamen Hardware- und Softwareplattform, sichere Konnektivität, Unterstützung für Zero-Touch-Setup, Sicherheitszertifizierungen der Branche und OTA-Update-Lösungen.   Die EasyEVSE-Entwicklungsplattform für EV-Ladestationen vereinfacht den Prozess des Aufbaus von EV-Ladesystemen, indem sie mehrere Technologiebausteine integriert. Sie unterstützt eine Cloud-Konnektivität, um unterschiedliche Anforderungen beim Aufbau vernetzter EV-Ladestationen zu erfüllen, und bietet Hardware-Konfigurationsanleitungen sowie Beispielsoftware. Ihre modulare und skalierbare Plattform unterstützt die Kommunikation zwischen Gerät und Cloud sowie zwischen Cloud und Gerät, eine genaue Energieabrechnung und eine NFC-Authentifizierung mit nur einem Klick.   Die EasyEVSE-Entwicklungsplattform für EV-Ladestationen verbindet sich über Ethernet oder WLAN mit der Cloud und bietet verifizierte Cloud-Dienste wie Microsoft Azure IoT Central. Sie verbessert die Sicherheit mit dem EdgeLock™ SE050-Sicherheitselement und unterstützt die präzise Energieabrechnung mit dem vorab zertifizierten Kinetis-M-Metrologie-Mikrocontroller. Darüber hinaus verfügt sie über ein leistungsstarkes NFC-Frontend für die Ein-Klick-Authentifizierung und nutzt NXP- sowie Partner-Entwicklungstools, um zusätzliche differenzierende Funktionen auf derselben Plattform umzusetzen. 

Eine umfassende Produktlinie, die die Anforderungen von Ladestationen für Elektrofahrzeuge erfüllt

Die Entwicklung des EasyEVSE MPU EV-Ladestations-Plattform von NXP integriert eine vollständige Palette von Produkten von NXP. Dazu gehören die i.MX 9x-Serie der Anwendungsprozessoren von NXP, die hochleistungsfähigere Anwendungsprozessor-Kerne, einen unabhängigen Echtzeitbereich im MCUs-Stil, die Energy Flex-Architektur, modernste Sicherheit durch die EdgeLock® Sicherheits-Enklave sowie speziell für die Verarbeitung von multimodalen Daten ausgelegte Engines (Grafik, Bildgebung, Anzeige, Audio und Sprache) bieten.   Darüber hinaus nutzt NXP's EasyEVSE MCU EV die Mikrocontroller der i.MX RTx-Serie, die verschiedene leistungsstarke Arm® Cortex®-M und DSP-Kerne integrieren. Durch die Integration von PXP, 2D-GPU und PowerQuad DSP-Coprozessor vereinen sie Benutzerfreundlichkeit mit hochleistungsfähiger Verarbeitung und bieten beispiellose Zuverlässigkeit, ein hohes Maß an Integration und Sicherheit.   NXP's KM-Serie basiert auf den Arm® Cortex®-M0+-Kern-Metrologie-Mikrocontrollern. Die stromsparende Arm Cortex-M0+-MCU-Serie ist für die Unterstützung von Einchip-Lösungen für Ein-, Zwei- und Dreiphasen-Stromzähler, Durchflussmesser und andere Präzisions-Messanwendungen ausgelegt.   Die MCX N-Serie basiert auf der Arm® Cortex®-M33-MCU-Serie und nutzt kosteneffektive 40-nm-NVM-Prozesstechnologie. Sie bietet bedeutende Leistungsverbesserungen, Hardware-DSP, On-Chip-RAM mit Parität oder ECC, erweiterte Crypto-Sicherheitsfunktionen, präzise analoge Zusatzfunktionen sowie Arm® TrustZone®-M für Segmentierungs- und Zugriffssteuerungs-Isolation für zertifizierte Software und Ressourcen.   Die IW61x-Serie von NXP unterstützt Wi-Fi® 6/Bluetooth® 5.4/802.15.1 Tri-Band-Radio, einschließlich eines umfassend ausgestatteten Wi-Fi-Subsystems, das durch NXP's 802.11ax (Wi-Fi 6)-Technologie unterstützt wird. Im Vergleich zum vorherigen Wi-Fi-Standard bietet sie eine höhere Datenrate, bessere Netzwerk-Effizienz, geringere Latenz und einen erweiterten Abdeckungsbereich.   Die PN7160-Serie ist ein NFC-Controller mit Plug-and-Play-Funktionalität und integrierter Firmware. Die eingebettete NFC-Firmware reduziert den Bedarf an Host-Interaktionen und minimiert die Code-Größe, was das Einbinden in Designs erleichtert. Sie unterstützt alle NFC-Forum-Betriebsmodi, bietet Treiber für Android und Linux und unterstützt Anwendungen ohne Betriebssystem sowie mit RTOS.   Die SE051-Serie von NXP ist eine IoT-Sicherheitslösung, die Erweiterbarkeit und kundenspezifische Applets unterstützt. Sie ermöglicht Applet-Updates im Feld und bietet bewährte Sicherheit nach CC EAL 6+-Zertifizierung mit Unterstützung für AVA_VAN.5 bis auf die Betriebssystemebene.

Fazit

Die Popularisierung von Elektrofahrzeugen (EVs) ist zweifellos ein unvermeidlicher Trend in der zukünftigen Entwicklung des Transports, doch um dieses Ziel wirklich zu erreichen, sind die Anwendung und Weiterentwicklung intelligenter Ladetechnologien entscheidend. Die Einführung internationaler Standards wie ISO 15118 hat die Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen und der Ladeinfrastruktur interoperabler, effizienter und sicherer gemacht. Die in diesem Artikel vorgestellte NXP-Plattform für intelligentes Laden und die dazugehörigen Lösungen können die Entwicklung von Anwendungen für das Laden von Elektrofahrzeugen beschleunigen und verdienen eine eingehendere Erforschung und Adoption.