Cómo implementar rápida y eficazmente sistemas flexibles de recarga de vehículos eléctricos

La tendencia a la movilidad eléctrica se basa en la disponibilidad prevista de una infraestructura de recarga de vehículos eléctricos (VE) de estaciones de servicio públicas, aumentada por sistemas de recarga adecuados en los hogares y lugares de trabajo de los usuarios. Aunque sus requisitos básicos de diseño siguen siendo en gran medida coherentes, cada tipo de sistema conlleva demandas especializadas, una complicación que se ve agravada por las diferencias regionales en factores que van desde las plataformas de comunicaciones hasta los requisitos de cumplimiento.

El reto para los diseñadores de la infraestructura de recarga, por tanto, es cumplir los requisitos básicos con la suficiente flexibilidad en su diseño para satisfacer la mayor variedad posible de usos finales y requisitos regionales, al tiempo que se equilibra el costo y el tiempo de comercialización.

Este artículo describe la diversa naturaleza de los requisitos de diseño de las estaciones de recarga públicas. A continuación, presenta una plataforma de soluciones flexibles de NXP Semiconductors que puede utilizarse para lanzar diseños equipados para cumplir esos requisitos.

Responder a diversos retos de diseño

Los esfuerzos por acelerar la transición a los vehículos eléctricos requieren la disponibilidad de equipos eficientes de abastecimiento de vehículos eléctricos (EVSE), más conocidos como sistemas de carga de vehículos eléctricos. Las necesidades locales de conducción pueden arreglárselas con los cargadores CA-CC integrados en los vehículos para la carga en casa o en la oficina, pero estos sistemas de carga no pueden aliviar la ansiedad de la autonomía del VE que sigue limitando su adopción. La movilidad eléctrica de largo alcance depende de la disponibilidad de sistemas públicos de carga de corriente continua para vehículos, capaces de cargar un vehículo con mayor rapidez que los cargadores de corriente alterna y continua incorporados. Al mismo tiempo, estos diferentes sistemas de recarga de vehículos eléctricos deben cumplir una serie de normas y reglamentos de seguridad, protección y privacidad.

Para los desarrolladores que crean soluciones de sistemas de recarga de vehículos eléctricos, la necesidad de suministrar soluciones eficaces para cada caso de uso específico presenta tanto enormes oportunidades como importantes desafíos técnicos. Entre los retos, los desarrolladores tienen que ofrecer un amplio conjunto de capacidades en una gama de diseños capaces de ofrecer el rendimiento y la eficiencia requeridos y, al mismo tiempo, cumplir los requisitos específicos de cada aplicación. Para satisfacer esta necesidad es necesario adaptar la arquitectura fundamental que subyace a todos los diseños de sistemas de recarga de vehículos eléctricos.

Adaptación de la arquitectura básica del sistema de recarga de vehículos eléctricos

Independientemente de su aplicación específica, los sistemas de recarga de vehículos eléctricos constan de dos subsistemas principales -un front-end de suministro de energía y un controlador de back-end de gestión de energía- separados por un límite de aislamiento (figura 1).

Figura 1: La arquitectura básica de los sistemas de recarga de vehículos eléctricos incluye subsistemas independientes para la interfaz de la toma de corriente y el controlador, separados por un límite de aislamiento. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

En la parte frontal, frente al vehículo y la fuente de energía, el subsistema de interfaz de la toma de corriente gestiona el suministro de energía al vehículo. Al otro lado de la barrera de aislamiento, el subsistema de controladores se encarga de la seguridad, las comunicaciones y otras funciones de alto nivel. La implementación de estos subsistemas suele depender de unos pocos bloques de construcción fundamentales para cumplir los requisitos específicos de metrología, control, seguridad funcional, seguridad y comunicaciones asociados a cada aplicación específica.

Cada bloque de construcción contribuye a la funcionalidad crítica del diseño general del sistema de carga de vehículos eléctricos. La unidad de metrología debe garantizar una transferencia de energía segura, así como una medición de energía precisa y a prueba de manipulaciones para la facturación. La unidad de control garantiza la ejecución fiable de los distintos protocolos necesarios para la transferencia de energía en sentido descendente y la transferencia de datos en sentido ascendente, basándose en las capacidades de seguridad funcional, al tiempo que admite los requisitos locales y específicos de la región para los protocolos de pago y comunicación seguros utilizados para comunicarse con los recursos basados en la nube.

En el pasado, los desarrolladores tenían que adaptar el diseño básico de la arquitectura de recarga de vehículos eléctricos a sus necesidades, implementando cada bloque de construcción necesario, normalmente utilizando diseños personalizados que incorporaban una amplia gama de dispositivos de uso general. La familia de soluciones de NXP para la carga de vehículos eléctricos ofrece una alternativa eficaz, que permite a los desarrolladores combinar bloques de construcción estándar para crear rápidamente diseños de sistemas de carga de vehículos eléctricos para una amplia gama de aplicaciones.

Implantación del sistema de recarga de vehículos eléctricos

Las soluciones de NXP para la carga de vehículos eléctricos giran en torno a una serie de familias de procesadores diseñadas específicamente para ofrecer el rendimiento y la funcionalidad necesarios en aplicaciones exigentes como los diseños de sistemas de carga de vehículos eléctricos. Entre estas familias de procesadores, los miembros de la serie de microcontroladores (MCU) Kinetis KM3x de NXP están diseñados específicamente para proporcionar una medición precisa certificable de la entrega de energía. Basados en un núcleo Arm® Cortex® M0+ de 32 bits, los MCU Kinetis KM3x integran un amplio conjunto de bloques funcionales para la medición, la seguridad, las comunicaciones y el soporte del sistema, junto con la memoria flash y la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) en el chip (Figura 2).

Figura 2: La serie Kinetis KM3x integra un conjunto completo de bloques funcionales necesarios para implementar una medición de entrega de energía precisa y certificable. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Para simplificar la implementación de la metrología, el front-end de medición del MCU KM35x integra un convertidor analógico-digital (ADC) sigma-delta de alta precisión, múltiples ADC de registro de aproximación sucesiva (SAR), hasta cuatro amplificadores de ganancia programables (PGA), un comparador analógico de alta velocidad (HSCMP), un bloque lógico de compensación de fase y una referencia de tensión interna de alta precisión (VREF) con deriva de baja temperatura. Para proteger la integridad de la unidad de metrología, la funcionalidad de seguridad en el chip admite la detección de manipulaciones activa y pasiva con sello de tiempo. Al usar en combinación con sensores externos, relés y otros periféricos, estos bloques en el chip proporcionan toda la funcionalidad necesaria para implementar rápidamente un sofisticado subsistema de metrología para un sistema de carga de vehículos eléctricos (Figura 3).

Figura 3: Con una MCU Kinetis KM, los desarrolladores solo necesitan unos pocos componentes externos adicionales para implementar un subsistema de toma de corriente para vehículos eléctricos. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Implantación del controlador del sistema de recarga de vehículos eléctricos

Como se ha señalado anteriormente, un controlador de sistemas de carga de vehículos eléctricos orquesta la amplia variedad de capacidades funcionales necesarias en cada sistema. Los requisitos de este subsistema exigen el uso de un procesador capaz de ofrecer tanto el rendimiento en tiempo real necesario para garantizar un control preciso del sistema de carga, como el rendimiento de procesamiento necesario para soportar diversos protocolos, minimizando al mismo tiempo el espacio y el coste del diseño.

Basados en el núcleo Arm Cortex-M7, los procesadores cruzados de la serie i.MX RT de NXP ofrecen las capacidades de tiempo real de los microcontroladores embebidos con un rendimiento a nivel de procesador de aplicaciones. Con una frecuencia de funcionamiento de 600 megahercios (MHz) y un complemento completo de periféricos, los procesadores i.MX RT como el i.MX RT1064 son capaces de satisfacer las demandas de respuesta en tiempo real de baja latencia. Al mismo tiempo, características como una gran memoria en el chip, un controlador de memoria externa, un subsistema gráfico y múltiples interfaces de conectividad satisfacen las demandas de las aplicaciones (Figura 4).

Figura 4: El procesador cruzado i.MX RT1064 combina periféricos y memoria con un subsistema de procesador Arm Cortex-M7 diseñado para ofrecer tanto ejecución en tiempo real como rendimiento a nivel de procesador de aplicaciones. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Además de cumplir los requisitos críticos de tiempo real y rendimiento, los diseños de los sistemas de recarga de vehículos eléctricos deben garantizar la seguridad en múltiples frentes, como la detección de manipulaciones y la autenticación de las conexiones eléctricas y los métodos de pago. Para la protección de datos, el arranque seguro y la depuración segura, los desarrolladores pueden aprovechar las funciones de seguridad integradas en el procesador i.MX RT, que incluyen el arranque de alta seguridad, la criptografía por hardware, el cifrado del bus, el almacenamiento no volátil seguro y un controlador seguro del Grupo de Acción Conjunta de Pruebas (JTAG).

Para reforzar aún más la seguridad en un controlador de sistema de carga de vehículos eléctricos, un diseño suele complementar las capacidades de seguridad del procesador i.MX RT incluyendo un elemento seguro EdgeLock SE050 de NXP. Diseñado para proporcionar seguridad de extremo a extremo del ciclo de vida, el SE050 ofrece aceleradores de seguridad basados en hardware para una serie de algoritmos criptográficos populares, funcionalidad de módulo de plataforma de confianza (TPM), transacciones de bus seguras y almacenamiento seguro. Al utilizar este dispositivo para proporcionar una raíz de confianza (RoT) para el entorno de ejecución, los desarrolladores pueden asegurar las operaciones críticas, incluidas la autenticación, la incorporación segura, la protección de la integridad y la atestación.

Al usar un procesador i.MX RT y un dispositivo EdgeLock SE05x, los desarrolladores solo necesitan unos pocos componentes adicionales para implementar un subsistema controlador diseñado para ejecutar un sistema operativo en tiempo real (RTOS) de alto rendimiento (Figura 5).

Figura 5: Gracias a su funcionalidad y rendimiento integrados, las MCU i.MX RT simplifican el diseño de los subsistemas de control para los sistemas de carga de vehículos eléctricos. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Soluciones flexibles para diversas aplicaciones de sistemas de carga de vehículos eléctricos

Combinando el subsistema de potencia y los subsistemas de control mencionados anteriormente con bloques opcionales para las opciones de pago y comunicaciones, los desarrolladores pueden implementar rápidamente un sistema de carga monofásico para VE capaz de suministrar hasta 7 kilovatios (kW) (Figura 6).

Figura 6: Al usarlos combinados, una MCU KM3 y un procesador cruzado i.MX RT proporcionan una base de hardware eficiente para los sistemas de carga de vehículos eléctricos. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Con modificaciones relativamente modestas en el front-end analógico, este mismo diseño puede ampliarse para ofrecer un sistema de carga trifásico para vehículos eléctricos capaz de suministrar hasta 22 kW (Figura 7).

Figura 7: Los desarrolladores pueden adaptar rápidamente un diseño basado en una MCU KM3 y un procesador cruzado i.MX RT para soportar una gran variedad de aplicaciones. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Aunque esta combinación de dispositivos KM3x e i.MX RT se adaptará a muchos casos de uso, otras aplicaciones de sistemas de carga de vehículos eléctricos pueden requerir que los desarrolladores optimicen otras facetas de sus diseños. Por ejemplo, los cargadores residenciales destinados a ofrecer tiempos de carga más rápidos que los posibles con los cargadores a bordo requerirán soluciones que optimicen el coste y el espacio. Para estas aplicaciones, los desarrolladores pueden implementar un controlador de bajo coste y de nivel básico utilizando una MCU económica como la NXP LPC55S69.

En cambio, los cargadores comerciales de EVSE destinados a estaciones de servicio público plantearán requisitos más estrictos en cuanto a procesamiento de aplicaciones de alta velocidad y rendimiento en tiempo real. Son necesarios para controlar con seguridad los sistemas de almacenamiento de baterías que funcionan a niveles que van de 400 a 1000 voltios y ofrecen niveles de carga de 350 kW o más. En este caso, la capacidad de ejecutar tanto software a nivel de aplicación como software en tiempo real es fundamental para el rendimiento y la funcionalidad. Para estos sistemas, el uso de un procesador como el i.MX 8M de NXP permite a los desarrolladores implementar más fácilmente soluciones de carga capaces de proporcionar tanto el procesamiento de aplicaciones basado en Linux como el rendimiento en tiempo real habilitado por el RTOS necesario en estos complejos diseños (Figura 8).

Figura 8: Para aplicaciones más complejas, como la recarga ultrarrápida de vehículos eléctricos, los desarrolladores pueden ampliar la arquitectura básica de recarga de vehículos eléctricos utilizando procesadores de alto rendimiento, como los procesadores i.MX 8M, para que admitan requisitos de controlador más complejos. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Rápida implantación de sistemas de recarga de vehículos eléctricos conectados a la nube

Los procesadores de NXP, incluidos Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69 e i.MX 8M, proporcionan una plataforma flexible para satisfacer los requisitos específicos de las distintas aplicaciones de los sistemas de carga de vehículos eléctricos. Sin embargo, en el caso de aplicaciones más complejas, los retrasos en el despliegue de la base de hardware pueden imponer retrasos significativos en el desarrollo de la aplicación del sistema de recarga del VE de principio a fin.

Para evitar estos retrasos, NXP ofrece una vía rápida de desarrollo mediante un conjunto de placas y kits de evaluación basados en los dispositivos anteriormente mencionados. Por ejemplo, el módulo TWR-KM34Z75M de NXP ofrece una completa plataforma de metrología que combina una MCU de metrología MKM34Z256VLQ7 de Kinetis con un completo complemento de componentes de apoyo. Del mismo modo, el kit de evaluación i.MX RT1064 de NXP combina un procesador MIMXRT1064DVL6 con 256 megabits (Mbits) de SDRAM, 512 Mbits de flash, 64 Mbits de flash SPI cuádruple (QSPI), todo ello en una placa de cuatro capas, completada con un amplio conjunto de conectores periféricos, incluida una interfaz Arduino. Además, la placa OM-SE050ARD de NXP proporciona un acceso inmediato al EdgeLock SE050 y la placa de evaluación PNEV5180BM de NXP ofrece una placa de desarrollo de frontales NFC.

Al combinarse con la tarjeta NXP TWR-KM34Z75M para la metrología, la i.MX RT1064 para las funciones de control y las tarjetas OM-SE050ARD y PNEV5180B, los desarrolladores pueden implementar rápidamente una plataforma de hardware de funciones completas para crear aplicaciones de sistemas de carga de vehículos eléctricos (Figura 9).

Figura 9: Los desarrolladores pueden implementar rápidamente soluciones completas de carga de vehículos eléctricos de principio a fin utilizando las placas y los kits de evaluación de NXP con servicios en la nube disponibles como Microsoft Azure. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Al usar en combinación con los servicios en la nube de Microsoft Azure, las soluciones a nivel de placa de NXP permiten a los desarrolladores crear rápidamente un prototipo de una solución completa de sistema de carga de vehículos eléctricos de extremo a extremo y utilizar la plataforma como base para diseñar aplicaciones más especializadas.

Conclusión:

La disponibilidad de los sistemas de recarga de vehículos eléctricos es un factor clave para la movilidad eléctrica, pero la implementación rentable de las diferentes soluciones necesarias en los hogares, las oficinas y las estaciones de servicio públicas sigue siendo un obstáculo. Al usar una plataforma de dispositivos especializados y soluciones de placa de NXP Semiconductors, los desarrolladores pueden implementar rápidamente diseños con el rendimiento necesario para satisfacer toda la gama de aplicaciones de carga de vehículos eléctricos y la flexibilidad para adaptarse a los nuevos requisitos.