La crescente diffusione dei veicoli elettrici (EV) ha portato a un cambiamento significativo e fondamentale nell’industria automobilistica, con l’obiettivo di condurre a un futuro più ecologico e sostenibile per il settore dei trasporti. Tuttavia, la crescente popolarità dei veicoli elettrici ha evidenziato una serie di difficoltà nella progettazione e nell’implementazione delle stazioni di ricarica. Affrontare queste sfide è fondamentale per garantire un’agevole integrazione dei veicoli elettrici nelle nostre abitudini quotidiane.
Questo articolo si concentra sui principali problemi di progettazione e sulle soluzioni relative alla progettazione di stazioni di ricarica per veicoli elettrici, come evidenziato nella presentazione “NXP Enablement for Electric Vehicle Charging” tenuta da Mark Swinburn, EV Charging Vertical Manager di NXP Semiconductors in partnership con Avnet Silica, durante il recente evento Fortronic 2023. Queste sfide includono la garanzia di conformità agli standard applicabili, come la norma ISO/IEC 15118.
Principali sfide progettuali
Come Swinburn ha sottolineato nel suo intervento, ci sono sei sfide principali nella progettazione delle apparecchiature di alimentazione dei veicoli elettrici (EVSE):
- Precisione – Quando misuriamo l’energia che fluisce dalla rete al veicolo, abbiamo bisogno di un’elevata precisione. Ciò comporta anche la gestione di altri aspetti rilevanti come la legislazione, il bilanciamento del carico dalla rete e la latenza. Alcuni dei nuovi mercati delle microgrid consentono lo scambio di energia (V2G/H) tra rete e veicolo e quindi occorre considerare anche gli aspetti legati alla tracciabilità. Infine, è desiderabile dare ai clienti che ricaricano i propri veicoli la massima flessibilità nella selezione del fornitore di energia;
- Sicurezza – Nella ricarica dei veicoli elettrici, l’esigenza di sicurezza è in continuo aumento. Questa esigenza ha portato alla formulazione di standard specifici, come l’ISO/IEC 15118. La sicurezza diventa fondamentale man mano che aumentano le installazioni delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Se una singola stazione di ricarica viene violata dagli hacker, ciò non può essere considerato un problema per l’intera nazione. Tuttavia, se abbiamo centinaia di migliaia di stazioni di ricarica e qualcuno riesce ad accedervi, potrebbero esserci potenziali problemi con la rete elettrica e ciò potrebbe costituire un problema per l’infrastruttura elettrica di una nazione. Inoltre, se il sistema è accessibile al pubblico, deve fornire un sistema di pagamento e questo comporta una serie di requisiti di sicurezza;
- Cloud onboarding – Se installiamo un sistema di ricarica, questo sarà probabilmente collegato a una rete elettrica e forse a un back-end, in modo che il cliente o l’operatore possa accedervi e interagire con il suo funzionamento. Tale accesso deve essere garantito in modo sicuro attraverso il cloud onboarding;
- Scalabilità – Scalare le prestazioni e le capacità in presenza di nuove funzionalità può diventare una sfida, poiché occorre introdurle senza dover rimuovere la stazione di ricarica, il che sarebbe molto costoso;
- Intelligenza artificiale e machine learning – Consiste nell’offrire alle stazioni di ricarica la possibilità di decidere in modo autonomo localmente (on the edge) senza dover inviare tutte le informazioni a un back-end, il che richiede tempo e potrebbe comportare dei costi. Le soluzioni edge stanno diventando sempre più comuni anche in questo settore;
- Disponibilità e affidabilità – Dobbiamo assicurarci che i dispositivi e la tecnologia che stiamo progettando oggi siano disponibili per diversi anni a venire.
Lo standard ISO5118
L’evoluzione degli standard applicabili alla ricarica dei veicoli elettrici è riassunta nella Figura 1. All’inizio esisteva solo un semplice sistema di ricarica in corrente alternata con comunicazione monodirezionale. Questo sistema è stato successivamente migliorato con lo standard giapponese CHAdeMO, che ha introdotto per la prima volta la ricarica in corrente continua. Inoltre, ci ha dato la possibilità di prelevare energia dalla batteria dell’auto e di reimmetterla nell’abitazione (funzionalità V2G con trasferimento bidirezionale di energia).
Lo standard DIN SPEC 70121, rilasciato nel 2014, riguardava unicamente gli aspetti della ricarica in corrente continua. A questo standard ha fatto rapidamente seguito la prima versione della norma ISO 15118, che copre sia la ricarica in corrente alternata che quella in corrente continua e ha introdotto la sicurezza. Inoltre, la ISO 15118 supporta il Plug & Charge, un meccanismo che si basa su certificati e autenticazione per avviare il processo di ricarica senza la necessità di carte di credito o altre forme di pagamento. L’ISO 15118-2 è oggi lo standard maggiormente utilizzato.
La norma ISO 15118-20 è l’ultima generazione dello standard. Costruita sulla base della precedente ISO 15118-2, aggiunge ulteriori livelli di sicurezza, disposizioni per la ricarica wireless e la capacità di ricarica bidirezionale. Infine, abbiamo il dispositivo di connessione automatica, o ACD. Sembra un piccolo robot, ma potrebbe essere un dispositivo di ricarica che spunta da terra, da un lato o dall’alto come un pantografo. Pertanto, lo standard ISO 15118 sta inglobando tutte le funzionalità di ricarica che in precedenza erano gestite da standard diversi.
Figura 1: Standard di ricarica dei veicoli elettrici (Fonte: NXP Semiconductors)
Elementi costitutivi dell’EVSE
Dal punto di vista di NXP, quando si intende progettare e costruire un sistema di ricarica per veicoli elettrici, occorre identificare due blocchi distinti, come illustrato in Figura 2. Sul lato sinistro, abbiamo il Power Socket che gestisce il flusso di energia dalla rete al veicolo e misura con precisione l’energia trasferita. Sul lato destro, isolato dal primo, abbiamo lo Smart Controller. È qui che vengono eseguiti tutti i servizi di alto livello, come la comunicazione, i servizi di pagamento, le funzionalità Plug & Charge o V2G.
Come illustrato, ciascuno dei blocchi è regolato dai relativi standard.
Figura 2: L’architettura EVSE è composta da due blocchi principali (Fonte: NXP Semiconductors)
Le soluzioni di NXP
NXP Semiconductors dispone di un’ampia gamma di prodotti e soluzioni, distribuiti da Avnet Silica, in grado di soddisfare i requisiti degli elementi costruttivi illustrati nella Figura 2.
Per la misurazione dell’energia, NXP ha presentato al Fortronic 2023 una scheda Power Socket adatta a implementare un sistema di ricarica trifase da 22 kW. Essa è basata sull’MCU MKM35Z256VLQ7, che consente di realizzare contatori di elettricità monofase, bifase e trifase a chip singolo, nonché misuratori di portata e altre applicazioni di misurazione di precisione. L’MCU garantisce inoltre la sicurezza grazie al rilevamento attivo e passivo delle manomissioni con marcatura temporale.
Per l’implementazione dello Smart Controller sono oggi disponibili diversi approcci. Nel suo intervento, Mark Swinburn ha proposto le seguenti tre soluzioni basate su prodotti NXP.
Smart controller basato su Linux
Questa soluzione si basa sulla famiglia di processori applicativi i.MX93, in grado di fornire un’efficiente accelerazione del machine learning (ML) e una sicurezza avanzata. I processori applicativi i.MX 93 sono i primi del portafoglio i.MX a incorporare il core adattabile Arm Cortex-A55, che migliora le prestazioni e l’efficienza energetica delle applicazioni edge basate su Linux®. Inoltre, sono dotati della microNPU Arm Ethos™-U65, che consente agli sviluppatori di progettare applicazioni ML più efficienti, economiche e a basso consumo, e di una MCU di sicurezza Arm Cortex-M33 a basso consumo.
Il processore i.MX93 (Figura 3) è dotato di un’interfaccia LVDS (low-voltage differential signaling) a 4 canali, che consente di tollerare un ambiente ad alto rumore. In questo modo, è possibile avere il controller in una parte del sistema e il display separato dalla prima, garantendo un’elevata immunità al rumore. Inoltre, il processore integra tutti i diversi standard di comunicazione utilizzati per la ricarica dei veicoli elettrici.
Figura 3: Lo smart controller basato sul sistema operativo Linux (Fonte: NXP Semiconductors)
Smart controller basato su RTOS
Questa soluzione si basa sull’MCU crossover MIMXRT1062DVJ6B con core Arm Cortex-M7 e memorie flash e SRAM scalabili. Questo microcontrollore in tempo reale funziona fino a 600 MHz e offre grafica 2D, fotocamera, varie interfacce di memoria e un’ampia gamma di interfacce di connettività.
Questa MCU è in grado di supportare tutte le funzionalità necessarie per l’esecuzione di un’applicazione di ricarica, tra cui ISO 15118, OCPP (un protocollo per la configurazione e il monitoraggio di una stazione di ricarica) e sicurezza. Questa soluzione riduce i costi del prodotto finale ed è ideale per gli ambienti residenziali.
Controllore entry-level
Si tratta della soluzione più semplice ed economica, che supporta solo lo standard ISO 50118. Basata sull’MCU dual-core LPC55S69 Cortex-M33, è un sistema molto competitivo dal punto di vista del prezzo per implementare una stazione di ricarica EV. Inoltre, questa MCU integra la funzionalità Arm TrustZone, che consente di isolare le applicazioni in modo strutturato, aiutando a gestire e mantenere il software e a ottenere la certificazione.
Possiamo concludere questo articolo con alcune osservazioni finali di Mark Swinburn:
“Per NXP, i punti di forza sono le piattaforme che consentono di ridurre il time to market, perché parte del lavoro di integrazione è già stato fatto. Stiamo eliminando parte della complessità, stiamo già integrando alcune funzioni e abbiamo la pre-certificazione. Tutto ciò accelera la fase di sviluppo e riduce i rischi”.
