Minis für die Ladesäule CPU-Module und SBCs für Ladestationen

Ein dichtes Netz aus Ladestationen ist für die Zukunft der Elektromobilität unerlässlich. Allerdings gibt es recht unterschiedliche Einsatzanforderungen an die Geräte und damit auch an die eingesetzte Elektronik. So lädt eine Wall-Box für die heimische Garage meist per Wechselstrom, der Schnelllader im öffentlichen Bereich hingegen mittels Gleichstrom.

Zusätzlich sucht man nach neuen Bauformen und Konzepten, um das öffentliche Netz dichter zu knüpfen – so sollen beispielsweise Straßenlaternen zu Ladestationen aufgerüstet werden. Zudem könnten Zusatzdienstleistungen der Ladesäulen im öffentlichen Bereich die Wartezeit „verkürzen“ und den Umsatz erhöhen. Darüber hinaus greifen zahlreiche Verordnungen wie Eichgesetz und Sicherheitsvorschriften zusätzlich regulatorisch in den Markt für Ladestationen ein.

Was damit auf den ersten Blick sehr heterogen erscheint und die Entwicklung entsprechender Lösungen verkomplizieren könnte, löst sich bei genauer Betrachtung in einzelne Building Blocks auf, die der Markt oftmals schon mit vorzertifizierten Komponenten bedienen kann. Zu den wichtigsten Building Blocks zählen:

• Metrologie (Energiemessung)

• Wandler/Leistungselektronik

• Ladeelektronik

• Ablaufsteuerung

Die Entwicklung verlagert sich also stärker in Richtung Systemintegration, Software sowie Cloud-Services – und damit gewinnt das zentrale Steuerungselement der Ladestation an Bedeutung, auch weil hier die meisten Fortschritte beziehungsweise neue Funktionen implementiert werden.

Baustein mit Funktionsblöcken

Als integrierende Baugruppe muss der Zentralrechner daher über diverse Kommunikationsfähigkeiten verfügen, unter anderem um die einzelnen Building Blocks miteinander zu verbinden. Diese verlangen dabei nach recht unterschiedlichen Schnittstellen-Standards und -Technologien – von UART über I2C hin zu CAN reicht das Spektrum. Kommunikationsfähigkeiten müssen auch im Nahbereich außerhalb der Ladesäule geboten werden.

So gehört die Benutzer-Authentifizierung beziehungsweise das Bezahlen mittels NFC-Karte zum Standard – per Smartphone oder Smartwatch ist der nächste Schritt. Und natürlich muss eine Ladestation auch ein eigenes Display ansteuern können, da kaum ein Anwender sich mit LEDs zufrieden geben würde, gleichzeitig aber viele Anwender sich nicht zur „Zwangsbedienung“ per Smartphone „nötigen“ lassen wollen. Wer dies aber will, braucht zwingend WLAN oder Bluetooth als möglichen Kommunikationskanal.

Kooperieren mittels Cloud

Für Ladestationen im öffentlichen Bereich unabdingbar ist der freie Zugang zur Cloud, da vor Ort unterschiedliche Unternehmen ihre Arbeit koordinieren müssen:

• Stromversorger

• Ladestationbetreiber

• Zahlungsdienstleister

• Wartungsdienst

• Drittanbieter von Dienstleistungen

Regional ändert sich die Zusammensetzung der beteiligten Firmen immer wieder, und bei einem klassischen IT-Ansatz müsste der Geräteanbieter (oder ein anderes beteiligtes Unternehmen) die Aufgabe eines Rechenzentrumsbetreibers übernehmen, damit die Zusammenarbeit gesichert ist. Durch den Cloud-Ansatz entfällt dieser Ressourcen bindende Aufwand.

Für Privatanwender kann die Cloud-Anbindung auch relevant sein, abhängig vom jeweiligen Ladetarif und den dazugehörigen Geschäftsbedingungen. Erlauben Anwender und Fahrzeug die Einspeisung von Energie aus dem Privatfahrzeug in das öffentliche Stromnetz (Car-to-Grid) ist die Nutzung einer Cloud und damit der kontrollierte Zugang eindeutig notwendig. Darüber hinaus ist eine in der Cloud „kuratierte“ Ladestation im Interesse der allgemeinen Netzstabilität.

Sicherheit von Anfang an

Das Thema Sicherheit spielt bei Ladestationen gleich mehrfach eine Rolle, sei es wegen der hohen Ströme, der exponierten öffentlichen Standorte oder wegen der Cloud-Anbindung. Speziell wenn es um das Geld geht, ist eine lückenlose Sicherheit gefordert – von zwei Seiten: Die Energieversorger wollen nicht, das Strom gestohlen wird, und die Kunden wollen einen sicheren Bezahlvorgang ohne Daten- oder Identitätsdiebstahl. Ebenso ist keine Seite an einer komplizierten Bedienung des Zahlungssystems interessiert. Deshalb muss der Zentralrechner der Ladestation die entsprechenden Security-Funktionen konsequent bieten, am besten schon in der Hardware integriert.

Robust und kompakt

Besonders die im Außenbereich betriebenen Ladestationen müssen für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt sein, um bei klirrender Kälte ebenso wie bei brütender Hitze zuverlässig ihren Dienst verrichten zu können. Die eingesetzte Elektronik sollte diese Herausforderung von Haus aus meistern können, um eine aufwändige und teure Klimatisierung zu ersparen. Auch bei den Abmessungen muss die zentrale Steuerelektronik genügsam sein, wenn sie als Nachrüstlösung in bestehende Objekte, beispielsweise Straßenlaternen, eingebaut werden muss.

Ein nicht zu unterschätzender Punkt bei öffentlichen Infrastrukturprojekten ist die langfristige Verfügbarkeit der eingesetzten Komponenten. Der „Roll out“ zieht sich hier gerne mal über etliche Jahre hinweg, da ist es nicht hilfreich, wenn „mittendrin“ die Elektronik nicht mehr herstellbar ist. Allerdings gibt es auch bewusst in die Länge gezogene Installationsphasen, um gezielt Erfahrungen zu sammeln für entsprechende Optimierungen des laufenden Projekts. Dann ist es gut, wenn sich die Elektronik über einen weiten Bereich skalieren lässt – sowohl nach unten, zu einfacheren Lösungen, also auch nach oben, für neue, zusätzliche Funktionen, die sich als Anforderung im Feldeinsatz ergeben haben. Ein Beispiel dafür wäre die Detektion von Verbrenner-Fahrzeugen, die als Falschparker einen Ladeplatz blockieren.

Aufgrund der wachsenden Konkurrenzsituation um Platz auf Gehwegen – Ladesäulen, Parkscheinautomaten, Freischankflächen, E-Roller & Co beanspruchen Stellflächen – ist die Konsolidierung der festinstallierten Geräte im Sinn vieler Fußgänger und Stadtverwaltungen. Auch hier ist eine über weite Leistungsbereiche skalierbare Elektronik wünschenswert.

Neue Funktionen

Funktionserweiterungen jenseits der Ladeaufgabe bieten sich auch für größere Schnellladestationen auf Rastplätzen entlang der Schnellstraßen an. Die Kunden müssen meist zwischen 30 und 45 Minuten warten, und damit eröffnen sich neue Geschäftsmöglichkeiten – so könnten beispielsweise Pizzalieferdienste eine Stärkung bringen. Damit steigen allerdings auch die Anforderungen an die Hardware, besonders bei den Displays sind höhere Auflösungen gefordert. Skalierbare Plattformen erleichtern daher den Ausbau der Produkt- und Angebotspalette.

Der Elektronikdienstleister TQ hat sich der Modularität von Embedded-Computertechnik verschrieben und bietet hier einen umfangreichen Lösungskatalog an. Für den Einsatz in der Ladetechnik für E-Fahrzeuge bieten sich die Baugruppen rund um die Crossover-MCU i.MX RT1170 von NXP an. Dieser Baustein kombiniert eine sparsame Leistungsaufnahme mit vielfältigen Schnittstellen und leistungsfähigen Beschleunigereinheiten und erfüllt so die elektrischen Funktionen und übergeordneten Anforderungen an einen Zentralrechner für eine Ladestation. Den vielseitigen Prozessor nutzt TQ in zwei Integrationsstufen: Als auflötbares Modul TQMa117xL und als Single Board Computer MBa117xL. Letzterer nutzt ein TQMa117xL und erweitert es um Schnittstellentreiber, analoges Frontend, Funkmodule und Steckverbindern zu einem eigenständig lauffähigen System.

Optional lässt sich das Modul mit dem Secure Element SE050 ausstatten. Dieses gebrauchsfertige Sicherheitselement bietet eine Root-of-Trust auf IC-Ebene und liefert echte End-to-End-Sicherheit – vom Edge bis zur Cloud – ohne die Notwendigkeit, Sicherheitscodes zu implementieren oder kritische Schlüssel und Anmeldedaten zu verwalten. Darüber hinaus verfügt das SE050 über einen Anschluss für eine eigene Antenne, um eine drahtlose Schnittstelle zu externen Geräten wie NFC-Karten oder Smartphones zu bieten.

Security macht auch nicht vor dem Betriebssystem halt. Das für TQMa117xL/MBa117xL bereitstehende FreeRTOS hat seine Sicherheit durch die Zertifizierung nach dem Security Evaluation Standard for IoT Platforms (SESIP) nachgewiesen. SESIP leitet seine grundlegenden Prinzipien aus dem branchenweit etablierten Common Criteria Framework ab. Common Criteria ist ein internationaler Standard (ISO/IEC 15408) für die Zertifizierung von Computersicherheit.

Zuverlässige Datenerfassung – auch analog

Dank einem integrierten analogen Frontend kann das MBa117xL auch unkompliziert, ohne hohen Schaltungsaufwand Messwerte erfassen, beispielsweise Umweltdaten wie die Temperatur oder den Geräuschpegel. Durch Beschaltung mit einfachen passiven Bauelementen kann das analoge Frontend Spannungen, Ströme und Widerstände messen und so zahlreiche Sensoren auswerten. Durch den integrierten AD-Wandler wird die Weiterverarbeitung der Messwerte in der Digital-Domäne ermöglicht. Für die lokale Aufzeichnung aller Daten – also unabhängig von der Cloud – steht ein SD-Karten-Interface bereit. Damit kann gegebenenfalls den Forderungen nach Ausfallsicherheit und Datenschutzbestimmungen entsprochen werden.

Um den problemfreien Einsatz im Außenbereich zu ermöglichen – sowohl im Winter als auch im Sommer – ist MBa117xL mit dem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 70 °C erhältlich – das Modul TQMa117xL ist sogar bei einer Temperatur von bis zu 85 °C. Zudem braucht das Board MBa117xL durch seine geringe Verlustleistung von typischerweise 1 W keine aufwändige und kostspielige Kühlung. Dank der kompakten Abmessungen von 160 x 100 mm beansprucht die Baugruppe nur wenig Platz, kann aber das umfangreiche Zubehörprogramm des Europakartenformats nutzen und ist so auf die unterschiedlichsten Einbausituationen leicht anpassbar. Falls dies noch zu groß ist, lässt sich ein entsprechend kompakteres Motherboard entwickeln, da das TQMa117xL als Basiskomponente nur 31 x 31 mm beansprucht und bei Leistungs- und Kühlaufwand ebenso mustergültig ist.

Erfolgreiche Partnerschaft

Mit einer Langzeitverfügbarkeit von mehr als 15 Jahren besteht so Liefersicherheit auch bei ungewollten Projektverzögerungen. Mit einer ausgeklügelten Obsolescence-Management-Strategie schützt TQ seine Produkte vor unerwarteten Änderungen und Abkündigungen – was in der aktuellen Marktsituation ein unverzichtbarer Bestandteil der Produktlebenszyklus-Maßnahmen ist. Damit stehen die Produkte auch bei sehr langen Projektlaufzeiten zur Verfügung. Darüber hinaus unterstützt der Elektronikdienstleister seine Anwender gerne mit diversen Obsolescence-Management-Dienstleistungen.

Die TQ-Group kann zahlreiche Dienstleistungen zusätzlich zu den Modulen anbieten und so Unterstützung in vielen Phasen der Produktentwicklung und Fertigung bieten. Dies ist von besonderer Bedeutung für Start-up-Unternehmen, die nur über begrenzte Fertigungsressourcen verfügen und ihre Kernkompetenz mehr in der Software und in Cloud-Services sehen. Zudem ist das firmeneigene Product Compliance Center für die Durchführung von Prüfungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit, Produktsicherheit und für Umweltprüfungen zugelassen.