Ett stort behov av laddstationer för elfordon håller på att skapas. Anthony Vaughan, C2000 Microcontrollers, Texas Instruments, beskriver här hur man kan skapa en förenklad infrastruktur för laddning.

Antal elfordon (EV) och laddhybridfordon (PHEV) på vägarna växer. Guvernören i Kalifornien har satt som mål att det ska finnas 1,5 miljoner elfordon på vägarna 2025 – och det är bara en stat i USA. Globalt kan försäljningen vara mycket högre och i Europa nå 3 miljoner elfordon/laddhybrider år 2020. I Kina höjer myndigheterna målet ytterligare till att det ska finnas 5 miljoner laddhybridfordon år 2020.
Med denna tillväxt är det bara rimligt att anta att det också kommer att bli en stor efterfrågan på laddningsstationer för elfordon. Oro kring begränsningar ses som ett av de största hindren för att konsumenterna ska få förtroende för elfordon. Ett stort antal lättillgängliga laddningsstationer kommer att dämpa denna oro och öka elfordonens popularitet.
En handfull fristående laddningsstationer kan redan ses vid kontorskomplex, parkeringsplatser, restauranger och köpcentra, men behovet av "betala-och-ladda"-stationer kommer att öka, liksom behovet av mer teknik och kommunikation inom dessa system. De tekniska kraven på de här systemen kommer utan tvekan att växa medan systemutvecklare kommer att utmanas att utveckla funktionerna samtidigt som enheterna ska vara små och okomplicerade.

Trådlös laddning och kommunikation
Många av de ”betala-och-ladda”-stationer som finns i tätorterna i dag ser ut och fungerar som parkeringsautomater, förutom att de är försedda med en laddningskabel så att användarna kan koppla in sina fordon. Det finns tre vanliga typer (eller nivåer) av laddningsstationer:
* Typ 1 och typ 2 är "mätbara" växelströmskällor som använder elfordonets laddningsfunktioner.
* Typ 3 är "snabbladdare". Dessa kopplar förbi fordonets effektfaktorkorrigering och matar 400 V likström till batteriladdningssteget.
Medan alla effektnivåer och steg är olika är behovet av att mäta elförbrukningen och erbjuda möjligheten att debitera kunden en avgift detsamma. Vid "betala-och-ladda" stationer är det också nödvändigt att kommunicera med backend-nätverk för att debitera kreditkort, debitera ett mobilabonnemang enligt mobiltelefonplanen, eller att hantera kontantbaserade transaktioner. Den här funktionen kräver att systemet har en flexibel konstruktion.
Vad innebär det för den teknik som används? Den närområdeskommunikation (NFC, near field communication) som krävs för mobila betalningar är en kommunikationsstandard för mycket korta avstånd och som i princip fungerar som en radiofrekvensidentifiering. Varje smartphone eller närområdesaktiverad enhet har en unik identifieringskod kopplad till ett betalkonto. Ethernet, elnätskommunikation och Wi-Fi är nödvändiga för betalningshantering och för avancerad mätning samt andra styrfunktioner. Förbindelse med fordonet som laddas är också nödvändig. De flesta elfordon kräver uppkoppling mot laddningsstationen via en CAN-buss, RS232, Ethernet, elnätskommunikation eller via pulsbreddsmodulering. Så hur gör konstruktörerna av dessa "betala-och-ladda"-stationer för att hålla konstruktionen relativt enkel och kostnadseffektiv och samtidigt uppfylla alla de krav som är nödvändiga för de här systemen?

Kombinationsenhet
En enkel lösning på den här utmaningen är att använda en inbyggd styrenhet eller processor som erbjuder närområdeskommunikation, elnätskommunikation, Wi-Fi, CAN- och 10/100 Ethernet-kommunikation tillsammans med möjlighet att hantera mätning, hushållning och effektstegsstyrning i en och samma enhet. På så sätt kan utvecklarna minimera kretskortsutrymme och materialkostnader samtidigt som de integrerar alla viktiga kommunikationsfunktioner och avancerade skyddsfunktioner i systemet.
Ett exempel på en sådan integrerad inbyggd styrenhet skulle vara kombinationen C2000 C28x + ARM Cortex-M3 baserad på en mikrostyrenhet med dubbla kärnor från Texas Instruments (TI). Dessa mikrostyrenheter klarar av effektstegsstyrning förutom de nödvändiga kraven på mätning, kommunikation och gränssnitt.
Grunden i mätsystemen är de analoga gränssnitten och processkapaciteterna i den inbyggda styrenheten. Med hjälp av en anordning som innehåller den analoga integreringen kan konstruktörerna enkelt genomföra den spännings- och strömövervakning som krävs för mätning av en- och trefasväxelström samt övervakning av utgångsnivåer i likströmsbaserade system med högre effekt.

Uppdelning av konstruktionskraven
Vi kommer att dela upp systemet i två underenheter för att förenkla de diagram som presenteras:
1. Övervakning av kraftmatningen
2. Systemets kommunikation på lågspänningssidan
Eftersom vi har att göra med både låg- och högspänning måste vi också beakta kraven på isolering mellan dess system. Som tidigare nämnts klassificeras elfordonsladdare för närvarande i tre kategorier: Typ 1 och typ 2 (växelströmsladdning) och typ 3 (likströmssnabbladdning).
För typ 1 och typ 2, är laddningsstationens konstruktion mycket lik det standardladdningsprogram som finns i de flesta smarta nätapplikationer (se fig 1 nedan).
Mätaren ansluts enkelt till en en- eller trefasväxelströmskälla (vanligt nät) utan effektregleringssteg. Den fungerar ungefär som en elmätare i ett bostadsområde och övervakar effektflödet genom systemet, med extra funktioner för kommunikation både i fordonet under laddning och till betalningsenheten. Systemet kan även omfatta säkerhetskontroll och urkoppling.
Både typ 1- och typ 2-laddarna utnyttjar fordonens laddningssystem och består av effektfaktorkorrigeringssökning och en laddningskrets för högspänningslikström. Typ 1-laddaren baseras på standarden 120/240 V-växelström som ger laddning upp till 16 ampere. Typ 2-laddning kan använda antingen 240 V-växelström eller 400 V-trefasväxelström, men båda är begränsade till 32 ampere. Vid både typ 1 och typ 2 fungerar helt enkelt laddaren som ett uppmätt gränssnitt mellan elnätet och fordonet som laddas utan energiomvandlingssteg.

Fig 1. Förenklad signalkedja för en "smart" infrastrukturladdningsstation. Klicka för större bild.

Snabbladdningssystem med likström fungerar mycket olika och omvandlar nätspänningsnivåer för växelström till en förstärkt likströmsnivå och kan leverera upp till 400 ampere. Medan en typ 1 eller 2 laddare kan ladda vanliga elfordon under 4-8 timmar, kan den ökning likströmsladdaren erbjuder till samma kostnad ske på 20-30 minuter.
Även om effektstegen är helt olika mellan typ 1 och 2 jämfört med typ 3, är mätillämpningen gemensam för alla tre eftersom den uppmätta inmatningen alltid är växelström och sker före eventuella steg för effektfaktorkorrigering (PFC).
Vid betalning för någon av laddningstyperna behöver vi (eller har ett potentiellt behov, beroende på alternativen för fakturering och kommunikation):
* Mätning av den faktiska strömförbrukningen i fordonet under laddning (vanligtvis i kWh)
* Felhantering och systemskydd
* Betalningshantering (kreditkort, smartkort, fakturainsamling eller mobiltelefonsfakturering via närområdeskommunikation
* Affärsbearbetningskommunikation (Wi-Fi, Ethernet eller elnätskommunikation)
* Laddningshanteringskommunikation till fordonet (CAN, RS232, Ethernet, elnätskommunikation eller pulsbreddsmodulering)
Mätsystemet kan enkelt delas upp för att omfatta alla funktioner i en enda inbyggd processor med dubbla kärnor i ett delsystem. Många chipleverantörer erbjuder också multipla lösningar för radiokommunikation och isolering på systemnivå. Systemet kan delas in i mindre delsegment baserade på de funktioner som anges ovan och som börjar med kravet på mätning och bestämning av de kilowattimmar (kWh) som ska faktureras kunden.

Fig 2. Multifasmätning med anslutningar till ett analogt undersystem. Klicka för större bild.

Som framgår av fig 2 drar steget för mätning fördel av det analoga systemet med dubbla kärnor. Detta drar nytta av inbyggda A/D-omvandlare och centralprocessorns processkapacitet (i detta fall C28x DSP-kärnan) i kombination med en strömtransformator. Ett shuntmotstånd kan också anslutas.
I kombination med en realtidsklocka blir mätningen av antalet kilowattimmar att mäta en standardspänning och en strömmätning. Detta kan om lätt hanteras i kombination av upp till sju A/D-ingångar på mikrostyrenheten C2000, beroende på om både strömtransformator och shuntmotstånd används parallellt och om det totala antalet faser.

Överströmsskydd
Genom att använda ett system med digitalt styrt och slutet överströmsskydd, som visas i fig 3, har säkerheten på systemnivån ökat med ett tillägg av ett relä på huvudladdningsbussen. Med analog komparator för dubbla kärnor på ett chip, är utgångarna bundna till en vanlig GPIO och med hjälp av en relädrivrutin (DRV110), kan en sluten slinga med "smart" kretsskyddssystem införas för både användare eller centralprocessorkontrollerad återställning med bibehållen låg effekt och samtidigt minska antalet erforderliga externa komponenter (se fig 3).

Fig 3. Implementerad krets kopplas ur med DRV110 och relä. Klicka för större bild.

Det finns också flera element i mikrostyrenhetskonstruktionerna med dubbla kärnor som kan utnyttjas för att förbättra den övergripande säkerheten i systemet. Med två oberoende processorer i styrenheten kan en av dessa användas för att kontrollera att allting fungerar i den andra med en viss regelbundenhet. Dessutom kan kritiska beräkningar köras på båda processorerna parallellt och kontrolleras för korrekthet innan resultatet används av systemet. En liknande kontrollmetod kan också användas på de digitala och analoga I/O-modulerna i mikrostyrenheten. Kritiska systemsignaler kan anslutas till multipla I/O-moduler i mikrostyrenheten och resultatet från varje modul kan kontrolleras med avseende på korrekthet. Andra metoder som kan användas för att öka säkerheten i systemet är mekanismer för integrerad minneskontroll av maskinvaran som t.ex. koder för korrigering av fel. Många implementeringar av maskinvara för felkorrigering kan automatiskt upptäcka och korrigera enskilda bitminnesfel. Dessutom kan även dubbla bitfel upptäckas och rapporteras. Den här typen av felkorrigeringssystem kan användas för att effektivt öka både pålitligheten och säkerheten i systemet. Klocksignaler är också mycket viktiga för att mikrostyrenheter ska fungera korrekt. Att dra nytta av den integrerade feldetekteringslogiken för klockor är därför en viktig åtgärd för att öka säkerheten i systemet. Fluktuationer i strömförsörjning kan också orsaka störningar och obestämbara felfunktioner i systemet. Användande av effektövervakningskretsar, återställning av el och andra återställningsmetoder är viktiga för säkerheten i systemet.

Lägg in betalning
Går vi vidare i signalkedjan är nästa del att ta hänsyn till betalningshanteringen. Om en enhet har en ARM Cortex-M3-kärna kan man låta huvudprocessen hantera betalningstjänster. Den primära bearbetningsformer är antingen att dra ett kreditkort direkt, använda sedel- eller myntinsamlare eller NFC med en smartphone.
Direktbearbetning av kreditkort kräver mer processoreffekt. Men det kan en ARM Cortex-M3-kärnan, liksom många andra lösningar, hantera. Exempelvis kan en annan A/D-ingång i en mikrokontrollerenhet eller annan inbyggd processor läsa ett kreditkort direkt via ett magnetbandshuvud. Det finns lösningar för avkodning av magnetband att tillgå eller så kan en lösning utvecklas lokalt.
Tekniskt sett kan ett system för sedel- eller myntinsamling genomföras i samma ARM Cortex-M3-kärna. Men för att göra det enkelt kommer detta att behandlas i ett separat system med ett digitalt gränssnitt till C2000-värdprocessorn.
* Närområdeskommunikation (NFC) gör det möjligt för användare att utnyttja en smartphone mot en NFC-aktiverad betalningsenhet. Användarna behöver en PIN-kod, liknande den för ett betalkort.
En säker transaktion till banken eller till ett betalkonto utförs, autentiseras och därefter debiteras användaren.
Genom att kombinera processoreffekten i en enhet med dubbla kärnor, med ett kommunikationschip för närområde som TI TRF7970, har utvecklarna möjlighet att implementera den här funktionen direkt i värdprocessorn, vilket minskar behovet av ytterligare komponenter.
* Kommunikationslager kan stödjas av många inbyggda processorer. Exempelvis så stödjer den dubbelkärniga mikrostyrenheten C2000 protokollstacken IPv6 10/100 TCP/IP i programvara med stöd för den interna Ethernet MAC för trådbunden Ethernet.
* Trådlösa anslutningar stöds också av många enheter med dubbla kärnor – trådbunden Ethernet, trådlös Wi-Fi-kommunikation (dvs TIs SimpleLink CC3000-lösning) genom en fristående, enkelt skapad trådlös anslutning.
* Elnätskommunikation är ett flexibelt alternativ för områden som saknar Wi-Fi- eller Ethernet-infrastruktur. Konstruktörer kan utnyttja dataeffekten i centralprocessorn i enheten med dubbla kärnor. Lågfrekventa smalbandsstandarder som PRIME, G3, CENELEC och FlexOFDM, kan alla konfigureras med samma enhet, förutom den värddatorbaserade kommunikation och de mätfunktioner som nämnts tidigare.

Enkel och kostnadseffektiv
Då marknaderna för elfordon och laddhybrider fortsätter att växa till att omfatta betalnings- och mätningsalternativ, är det möjligt att enkelt och kostnadseffektivt tillgodose dessa behov genom att använda en inbyggd processor med dubbla kärnor eller mikrostyrenhet. Mer information finns på www.ti.com/c28x_arm_cortex-m3.

Anthony Vaughan, C2000 Microcontrollers, Texas Instruments

Filed under: Fordonselektronik