Esigenze e soluzioni di ricarica intelligente per veicoli elettrici

Con l'aumento dell'attenzione globale alla protezione ambientale e allo sviluppo sostenibile, i veicoli elettrici (EV) stanno rapidamente diventando la scelta principale per il trasporto del futuro. Tuttavia, l'adozione diffusa degli EV comporta diverse sfide, una delle più significative è come gestire e ottimizzare efficacemente il processo di ricarica. I metodi di ricarica tradizionali faticano a soddisfare le moderne esigenze degli utenti di EV in termini di velocità di ricarica, comodità, sicurezza ed efficienza energetica. Per affrontare queste sfide, la tecnologia di ricarica intelligente è emersa. La ricarica intelligente non riguarda solo un semplice processo di ricarica; è una soluzione integrata che combina tecnologie di comunicazione avanzate, analisi dei dati e gestione dell'energia.

Standard ISO 15118 per applicazioni di ricarica intelligente

ISO 15118 è uno standard internazionale per la comunicazione tra veicoli elettrici (EV) e stazioni di ricarica, che facilita lo scambio di informazioni per autenticazione, autorizzazione, fatturazione e controllo del carico flessibile. Questo standard ha l'obiettivo di supportare le funzioni di ricarica intelligente, incluso il sistema "Plug and Charge", che consente l'autenticazione e il pagamento automatico. Con questa funzione, basta semplicemente collegare il veicolo elettrico alla stazione di ricarica per avviare automaticamente il processo di ricarica, eliminando passaggi aggiuntivi per l'autenticazione dell'utente e semplificando il processo di pagamento, migliorando significativamente la comodità per l'utente.   Inoltre, ISO 15118 consente una comunicazione bidirezionale tra i veicoli elettrici e le stazioni di ricarica, permettendo il trasferimento di energia sia dal veicolo alla stazione di ricarica sia viceversa. Lo standard supporta l'adeguamento della potenza e la programmazione della ricarica, integrandosi con le reti elettriche intelligenti per consentire ai veicoli di limitare la potenza di ricarica durante i periodi di alta domanda o di ricaricarsi durante i periodi di minor consumo. Questo aiuta a prevenire il sovraccarico della rete, a bilanciare il carico e a migliorare l'efficienza e la stabilità complessiva del sistema elettrico.   ISO 15118 garantisce anche una protezione robusta tramite crittografia per la trasmissione dei dati durante la comunicazione, salvaguardando le informazioni dell'utente e i dati delle transazioni. Oltre alla tradizionale comunicazione cablata, lo standard supporta tecnologie di comunicazione wireless, aumentando ulteriormente la flessibilità e l'adattabilità.   In aggiunta, ISO 15118 include funzionalità di gestione energetica che permettono ai veicoli elettrici e alle stazioni di ricarica di negoziare la strategia di ricarica ottimale, ottimizzando l'uso dell'energia e riducendo i costi di ricarica. Queste caratteristiche rendono ISO 15118 uno standard fondamentale per la ricarica intelligente dei veicoli elettrici, promuovendo una profonda integrazione tra i veicoli elettrici e la rete, migliorando l'efficienza della ricarica e arricchendo l'esperienza dell'utente.

Elementi fondamentali delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici

Le stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV) forniscono energia per la ricarica degli EV. Una tipica stazione di ricarica per EV è costituita almeno da una scheda di controllo intelligente (Supply Equipment Communication Controller, SECC) e una scheda per le prese di alimentazione. Il controller intelligente è responsabile della gestione delle comunicazioni e funzionalità di alto livello, dei servizi e della connessione ai server remoti, mentre la scheda delle prese di alimentazione è responsabile della sicurezza, della comunicazione a basso livello, della distribuzione e della misurazione dell'energia. Per soddisfare le diverse esigenze della ricarica EV, le apparecchiature di ricarica non solo devono offrire opzioni flessibili per l'alimentazione in AC o DC, ma devono anche fornire una varietà di funzionalità.   A causa dei requisiti legislativi in vari paesi volti a migliorare l'accuratezza dei pagamenti equi, il recupero delle tasse sul carburante e a fornire un bilanciamento del carico della rete elettrica e un'analisi della qualità, le apparecchiature di ricarica devono fornire una misurazione precisa della trasmissione di energia. Inoltre, le apparecchiature di ricarica devono supportare i principali standard di sicurezza per EV contenuti in OCPP2.x, ISO 15118 e PKI, nonché rispettare il GDPR, la normativa di calibrazione "Eichrecht" e garantire riservatezza e sicurezza, rispettando gli standard di sicurezza come IEC61508 e SIL2, al fine di migliorare la sicurezza e l'affidabilità dei dispositivi edge.   Inoltre, il login ai servizi cloud per le apparecchiature di ricarica deve semplificare i processi di provisioning e proprietà, utilizzando il provisioning senza intervento (zero-touch onboarding) per mantenere un alto livello di sicurezza e fiducia nella connessione a dispositivi autenticati. D'altra parte, è necessario prepararsi per una distribuzione su larga scala, integrando tecnologie di intelligenza artificiale (AI) e apprendimento automatico (ML) ottimizzate per i costi, al fine di profilare i consumi e analizzare anomalie. Inoltre, la durata del prodotto delle apparecchiature di ricarica deve superare i 10 o 15 anni, con una vita di servizio di 10-20 anni, e deve essere robusto e resistente, idoneo per ambienti difficili, per mantenere la disponibilità e l'affidabilità di tutto il sistema.   Per costruire un sistema completo di ricarica EV, sono necessari i seguenti componenti chiave. Innanzitutto, è richiesta una capacità di metrologia per misurare con precisione il flusso di energia tra il caricatore e il veicolo, calcolare il consumo di energia per la fatturazione, gestire il commutatore di sicurezza e la comunicazione di basso livello degli EV e supportare sensori di temperatura ad alta precisione per il monitoraggio della temperatura, consentendo la sicurezza e il rilevamento di anomalie. Inoltre, un ponte NFC può essere utilizzato come canale di comunicazione isolato per il microcontrollore della metrologia (MCU) e può essere usato anche nei processi di produzione, configurazione e aggiornamento.   Inoltre, è necessaria una scheda di controllo (SECC) per gestire le funzioni principali e i servizi delle apparecchiature di alimentazione, incluse eventuali comunicazioni di alto livello e stack di protocolli come ISO 15118, OCPP e la connessione al backend, con opzioni che includono servizi bare-metal e RTOS. Per soluzioni che utilizzano il sistema operativo Linux®, gli schermi possono essere utilizzati per la pubblicità multimediale, aggiungendo così maggior valore.   La sicurezza è una caratteristica indispensabile delle apparecchiature di ricarica, richiedendo la verifica end-to-end tramite chiavi crittografiche per proteggere i dati sull'uso dell'energia e sulla fatturazione, connettere in modo sicuro e fluido i caricabatterie EV ai server backend e ai servizi cloud per la gestione remota e consentire che software e firmware siano configurati, aggiornati e verificati. In termini di capacità di comunicazione esterna, è possibile combinare un mix flessibile di funzioni di comunicazione in base alla posizione, alla regione e al tipo di apparecchiature di ricarica, supportando soluzioni di comunicazione specifiche per regioni, tra cui Wi-Fi®, PLC, NB-IoT, Sigfox, ecc.

Fornire una soluzione di ricarica per veicoli elettrici di alto livello

Le stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV) richiedono alti livelli di efficienza, precisione, connettività e sicurezza. Le soluzioni di NXP soddisfano i requisiti per misurazioni di potenza precise, gestione dell'apparecchiatura e sicurezza dei dati. L'ampio supporto tecnico di NXP consente un più rapido accesso al mercato riducendo complessità e costi, mentre il programma di durata dei prodotti di NXP supporta cicli di vita più lunghi per i prodotti.
 
Per rispondere alle esigenze di ricarica rapida degli EV, NXP ha introdotto la soluzione EasyEVSE, che sfrutta pienamente il potenziale dello standard ISO 15118. Offre la comodità del plug-and-charge, il trasferimento bidirezionale di energia utilizzando le batterie EV come fonti energetiche, e la possibilità di utilizzare l'energia del veicolo per il bilanciamento del carico o agire come generatore durante interruzioni di corrente o periodi di costi energetici elevati.
 
La soluzione EasyEVSE di NXP combina efficienza e sostenibilità con affidabilità e sicurezza. Offre una durabilità robusta, adatta a ambienti difficili, ed è ottimizzata in termini di costi, trovando un equilibrio tra prestazioni avanzate e esigenze commerciali. Fornisce anche capacità di aggiornamento rapido dei prodotti, riutilizzo di piattaforme hardware e software comuni, connettività sicura, supporto per configurazione zero-touch, certificazioni di sicurezza industriale e soluzioni di aggiornamento OTA.
 
La piattaforma di sviluppo per stazioni di ricarica EV EasyEVSE di NXP semplifica il processo di costruzione di sistemi di ricarica EV integrando diversi blocchi tecnologici di base. Supporta la connettività al cloud per soddisfare diverse esigenze nella costruzione di stazioni di ricarica EV connesse, offrendo guide alla configurazione hardware e software di esempio. La sua piattaforma modulare e scalabile supporta la comunicazione da dispositivo a cloud e da cloud a dispositivo, la fatturazione energetica precisa e l'autenticazione NFC con un semplice tocco.
 
La piattaforma di sviluppo EasyEVSE per stazioni di ricarica EV si collega al cloud tramite Ethernet o Wi-Fi e fornisce servizi cloud verificati come Microsoft Azure IoT Central. Migliora la sicurezza con l'elemento di sicurezza EdgeLock™ SE050 e supporta la fatturazione energetica precisa grazie al MCU di metrologia Kinetis M pre-certificato. Include inoltre un front-end NFC ad alte prestazioni per l'autenticazione con un solo tocco e utilizza strumenti di sviluppo NXP e dei partner per implementare ulteriori funzionalità distintive sulla stessa piattaforma. 

Una linea di prodotti completa per soddisfare le esigenze delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici

La piattaforma di sviluppo per stazioni di ricarica EV EasyEVSE MPU di NXP integra una gamma completa di prodotti NXP. Questo include i processori applicativi della serie i.MX 9x di NXP, che offrono core applicativi ad alte prestazioni, un dominio in tempo reale simile a un MCU indipendente, un'architettura Energy Flex, la sicurezza all'avanguardia del modulo di sicurezza EdgeLock® e motori dedicati al processamento di dati multisensoriali (grafica, immagini, display, audio e voce).   Inoltre, la piattaforma EasyEVSE MCU EV di NXP utilizza i microcontrollori della serie i.MX RTx, che incorporano vari core Arm® Cortex®-M e DSP ad alte prestazioni. Integrando PXP, GPU 2D e il coprocessore DSP PowerQuad, combinano facilità d'uso con elaborazione ad alte prestazioni, garantendo un'affidabilità senza precedenti, un alto livello di integrazione e sicurezza.   La serie KM di NXP è basata sui microcontrollori per metrologia con core Arm® Cortex®-M0+. La serie di MCU Arm Cortex-M0+ a basso consumo è progettata per supportare soluzioni su singolo chip per contatori elettrici monofase, bifase e trifase, contatori di flusso e altre applicazioni di misurazione di precisione.   La serie MCX N è basata sulla serie di MCU Arm® Cortex®-M33, che utilizza una tecnologia di elaborazione NVM a 40 nm economica. Offre significativi miglioramenti delle prestazioni, DSP hardware, tutta la memoria RAM integrata con parità o ECC, funzionalità di sicurezza Crypto aggiornate, funzioni analogiche precise aggiuntive e Arm® TrustZone®-M per la separazione e il controllo dell'accesso isolato per software e risorse certificati.   La serie IW61x di NXP supporta radio tri-band Wi-Fi® 6/Bluetooth® 5.4/802.15.1, inclusa una sottosezione Wi-Fi completa supportata dalla tecnologia 802.11ax (Wi-Fi 6) di NXP. Rispetto alla generazione precedente degli standard Wi-Fi, offre throughput più elevati, maggiore efficienza di rete, minore latenza e una gamma di copertura più ampia.   La serie PN7160 è un controller NFC plug-and-play con firmware integrato. Il firmware NFC integrato riduce la necessità di interazioni con l'host e minimizza la dimensione del codice, semplificando l'integrazione nel design. Supporta tutte le modalità NFC Forum, fornisce driver per Android e Linux e supporta applicazioni RTOS e senza sistema operativo.   La serie SE051 di NXP è una soluzione di sicurezza IoT che supporta l'aggiornabilità e gli applet personalizzati. Consente aggiornamenti sul campo degli applet e fornisce una sicurezza certificata CC EAL 6+ comprovata, con supporto AVA_VAN.5 fino al livello del sistema operativo.

Conclusione

La diffusione dei veicoli elettrici (EV) è indubbiamente una tendenza inevitabile nello sviluppo futuro dei trasporti, ma per raggiungere veramente questo obiettivo, l'applicazione e lo sviluppo della tecnologia di ricarica intelligente sono fondamentali. L'introduzione di standard internazionali come l'ISO 15118 ha reso la comunicazione tra i veicoli elettrici e le infrastrutture di ricarica più interoperabile, efficiente e sicura. La piattaforma di ricarica intelligente NXP e le soluzioni presentate in questo articolo contribuiranno ad accelerare lo sviluppo delle applicazioni per la ricarica dei veicoli elettrici e meritano un'ulteriore esplorazione e adozione.