TIC und Autosar ermöglichen intelligentes Laden von E-Fahrzeugen

Heutzutage ist das Laden eines Elektrofahrzeugs (EV) im privaten Bereich ziemlich unkompliziert. Der Fahrer schließt sein Fahrzeug während der Abendstunden an die Ladesäule an, damit es am nächsten Morgen vollständig geladen ist. Dieser Ladevorgang fand bisher vorwiegend zu Hause statt, mittlerweile geht der Trend aber auch hin zu weiteren Lademöglichkeiten am Arbeitsplatz. Zudem gibt es heute in den Städten immer mehr öffentliche Ladestationen. Obwohl das Aufladen eines Elektrofahrzeugs zu Hause relativ einfach ist, kann es an einer öffentlichen Ladestation schon komplizierter sein: Das Starten des Ladevorgangs erfordert neben dem Einlesen einer Authentifizierungskarte noch weitere Schritte.

Die Welt verändert sich jedoch schnell, sie ist nun an einem Punkt angelangt, an dem das Laden eines Elektrofahrzeugs so einfach sein sollte wie das Aufladen eines Mobiltelefons. Beim Aufladen von Smartphones gab es im Laufe der Jahre große Fortschritte. Beim Laden von Elektrofahrzeugen wäre das auch wünschenswert.

Bild 1: In dieser Darstellung zeigt die Benutzeroberfläche (UI), die beispielsweise im HUD eines Auto dargestellt ist, wann die zu erwartende Sonnenenergie genügend Strom zum Laden eines Fahrzeugs im Hinblick auf die Abfahrtszeit liefert. Mentor

Telemotive Intelligent Charging bietet einen Ansatz, der das Laden von Elektrofahrzeugen verbessert. TIC verwendet Power Line Communication (PLC), wodurch das Fahrzeug als eine Art Transceiver mit internetbasierten Diensten verbunden ist, die Authentifizierung, Bezahlung und andere Dienste ermöglichen. Bei der Verwendung von TIC überträgt das Ladekabel selbst Daten und stellt so eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation her. Dieser Ansatz eröffnet dem Fahrer neue Möglichkeiten: Spezifische Ladepläne lassen sich damit schnell, komfortabel, sicher und auf intelligente Weise realisieren.

Genau genommen ist der Software-Stack TIC eine Implementierung der Standards ISO 15118 und DIN 70121 und folgt den Richtlinien der Motor Industry Software Reliability Association (MISRA). Das gesamte Paket wird dann in Autosar, beispielsweise in den Mentor Capital Vstar Autosar Stack, integriert. Diese Integration bietet OEMs und Drittanbieter die notwendige Softwareinfrastruktur für die Entwicklung von elektronischen Steuergeräten (ECUs), die den Beginn einer neuen Ära des intelligenten Ladens von Elektrofahrzeugen markieren kann.

Intelligentes Laden

Beim intelligenten Laden spielt die Optimierung des Ladevorgangs hinsichtlich Zeit, Kosten, Batteriekapazität und nachhaltiger Energieressourcen eine wichtige Rolle. Die Verwendung dieser Parameter gewährleistet einen maximalen Batterieladestand zu einer bestimmten Abfahrtszeit. Auch Schwankungen bei den Energiepreisen finden Berücksichtigung. Bild 1 illustriert ein Beispiel für intelligentes Laden. In dieser Darstellung zeigt die Benutzeroberfläche (UI), die beispielsweise im HUD eines Pkw dargestellt ist, wann die zu erwartende Sonnenenergie genügend Strom zum Laden eines Fahrzeugs im Hinblick auf die Abfahrtszeit liefert. Die Technologie hinter TIC geht weit über das in Bild 1 Dargestellte hinaus. Außerdem benötigt TIC keine RFID-Karte oder Smartphone-Authentifizierung, sondern führt automatisch sichere Kommunikations- und Zahlungsvorgänge durch.

Doch was passiert, wenn einige Faktoren wie Kosten, Wetter oder eine Energie-Lastspitze den Ladevorgang beeinflussen? Die Technologie unterstützt die dynamische Neuverhandlung eines Ladeplans, wenn sich die Umgebungs- oder Nutzerbedingungen unerwartet ändern.

Bild 2: Verschiedene Protokolle der ISO 15118 Norm. Mentor

Des Weiteren lässt das ISO-15118-Protokoll Freiraum für spezifische Dienste von Drittanbietern, beziehungsweise Value Added Services, die OEMs oder Tier-1-Zulieferer in Zukunft selbst definieren können. Möglichkeiten sind der Internetzugang über die Ladestation, Updates von Fahrzeugsoftware oder Zertifikaten und sogar das Streamen von Medien, während der Fahrer auf die volle Batterie wartet.

Vehicle-to-Grid-Kommunikation

ISO 15118 ist in neun separate Teile unterteilt. Das erste Dokument (ISO 15118-1) definiert die Anwendungsfälle rund um die öffentliche und private Ladeinfrastruktur (Bild 2). Hier sind konkrete Anwendungsfälle für Ladeinfrastrukturanbieter und Fahrzeughersteller festgelegt.

Das zweite Dokument (ISO 15118-2) definiert das Kernelement von TIC. In diesem Bereich arbeitet das Kommunikationsprotokoll wie ein Kommunikations-Stack und erstreckt sich über die ISO-OSI-Schichten drei bis sieben. Hier gibt es bekannte Protokolle wie TCP/IP Version 6, das User Datagram Protocol (UDP) und das Transport Layer Security (TLS) Protocol. Zu beachten sind auch die neuen Protokolle, die die Verantwortlichen speziell für das intelligente Laden entwickelt haben. Der TIC Stack besteht beispielsweise auch aus einem Transportprotokoll, das als Vehicle-to-Grid-Transport-Protokoll (V2GTP) bekannt ist. Um die Größe der Kommunikationsdaten auf etwa vier Prozent der ursprünglichen XML-Datengröße zu reduzieren, hat Magna Telemotive mit dem Efficient XML Interchange (EXI) einen intelligenten Kompressionsalgorithmus entwickelt.

Darüber hinaus gibt es 17 verschiedene Nachrichtentypen, die Application Layer Messages. Diese unterstützen einen speziell auf die individuellen Bedürfnisse eines Fahrers zugeschnitten Ladevorgang.

Auf den unteren ISO-OSI-Schichten definiert das ISO-15118-3-Dokument die physikalische Anbindung der Hardware. In diesem Bereich kommen die Power Line Communication (PLC) oder Green PHY ins Spiel. Die restlichen ISO-15118-Teile (vier bis neun) definieren die Voraussetzungen für Wireless-Kommunikation und zugehörige Conformance-Tests.

Bild 3: Ablaufdarstellung der Smart-Charging-Funktion. Mentor

Der Kommunikationsprozess im Detail

Bild 3 zeigt, wie genau die Smart-Charging-Kommunikation funktioniert. Vor dem Übertragen von Energie müssen die Ladestation und das Fahrzeug verhandeln und sicherstellen, dass beide die gleiche „Sprache“ sprechen (Standards wie ISO 15118 oder DIN 70121).

Wenn ein gemeinsamer Standard gefunden ist, lässt sich eine High-Level-Kommunikationsverbindung aufbauen. In dieser Phase definiert der Fahrer, ob er eine verschlüsselte und sichere Kommunikation über bekannte Standards einschließlich TLS verwenden möchte. Dementsprechend kommt es zum Austausch verschiedener validierter Zertifikate. Dadurch weiß der Fahrer, dass die Kommunikation in einer sicheren Umgebung stattfindet. Weiter kann der Fahrer Dienstleistungen auswählen, die die Ladestation anbietet. Die meisten dieser Dienstleistungen dürften die verschiedenen OEMs und Drittanbietern in den kommenden Jahren noch definieren. Zu den aktuellen Dienstleistungen gehören die Aktualisierung von Sicherheitszertifikaten oder auch das intelligente Laden selbst.

Der Fahrer kann sich anhand der im Fahrzeug gespeicherten Informationen automatisch authentifizieren. Nach Abschluss des Authentifizierungsschrittes beginnt die Kommunikation und die Planung des Ladevorgangs. Hier setzt das Fahrzeug die Ziele des Ladevorgangs, zum Beispiel die Abfahrtszeit oder den geplanten Ladezustand, und sendet diese an die Ladestation. Basierend auf der Ladeumgebung schlägt die Ladestation verschiedene Lademöglichkeiten vor, die die Anforderungen des Fahrers erfüllen. Die Software übernimmt diese Pläne und kurz nach der Verhandlung zwischen Ladestation und Fahrzeug beginnt der Ladevorgang gemäß dem vereinbarten Ladeplan. Der Fahrer muss sich nicht im Fahrzeug oder in der Nähe der Ladestation befinden, damit der Ladevorgang vollständig abläuft. All dies erfolgt automatisch und recht schnell. Während eines Ladezyklus lassen sich verschiedene Informationen wie Messwerte oder Ladezustand austauschen. Der Benutzer oder das System können den Ladevorgang zu jedem Zeitpunkt des Aufladens beeinflussen. Wenn das Fahrzeug feststellt, dass bis zum Zeitpunkt der Abfahrt der 100-prozentige Ladezustand nicht erreichbar ist, verhandelt das Elektrofahrzeug automatisch einen neuen Ladeplan mit der Ladesäule.

Die Integration zwischen TIC und Autosar

Bei der TIC- und Autosar-Integration erfolgt die Kommunikation zur Ladestation über eine spezielle Powerline-Kommunikationshardware mittels Ethernet. Die Software handelt entsprechend den Eingaben aus dem Fahrzeugnetzwerk oder des Fahrers, die sie über Ethernet und das Controller Area Network (CAN) erhält. Service-Software-Komponenten liefern die Schnittstellen zur Anwendung. So bietet beispielsweise der Memory Manager die Möglichkeit, die im Flash gespeicherten Daten zu verwalten. Dieser verwendet zum Beispiel die Zertifikat-Handler zur Bearbeitung von Zertifikaten. Da das Powerline-Kommunikationsprotokoll in Autosar nicht definiert ist, ist es als Complex Device Driver implementiert. Dieser Gerätetreiber nutzt die Kommunikations- und Krypto-Module für eine sichere und authentische TCP/IP-Verbindung mit der Ladestation.

Um Fehler während der Entwicklung oder des Betriebs zu finden, sind die Diagnostic-Log-and-Trace-Module aus dem Diagnose-Stack hilfreich. Aus Modulen desselben Stacks lassen sich Diagnosedienste implementieren und deren Fehlercodes beim Auftreten von Fehlern im Speicher ablegen. Am Ende steuert ein OSEK-basiertes Autosar-Betriebssystem das Komplettsystem. Dadurch lassen sich Anforderungen an die funktionale Sicherheit bis hin zu ASIL D erfüllen.Die Integration des Steuergerätes selbst beginnt mit dem Hochfahren. Dazu gehört die Initialisierung des Mikrocontrollers und aller Treiber für die internen und externen Komponenten. Der Hauptteil der Konfiguration dieses Bereichs bezieht sich auf die Microcontroller-Abstraction-Layer-Module (MCAL). Dies umfasst die Konfiguration der MCU, des CAN und der Ethernet-Treibermodule (Bild 4).

Parallel dazu erfolgt das Design der Softwarekomponenten rund um die bereits bestehende TIC-Funktionalität. Dazu erstellt der Entwickler in der Softwarekomponenten-Designansicht des Capital-Vstar-Integrator (CVI) die notwendigen Komponenten. Die Basissoftwarekonfiguration, einschließlich des TIC-Moduls, erfolgt in der ECU-Konfigurationsansicht des Vstar Integrators. Wichtige Schritte sind hier die Erstellung der Betriebssystem-Tasks, die die Funktionen der Anwendung ausführen, und die Festlegung ihrer Prioritäten. Jedes Modul hat seinen eigenen Satz von Konfigurationsparametern. Aufgrund der Vielzahl der von Autosar definierten Werte unterstützt das Tool einen ECU-Konfigurationsgenerator. Dies bedeutet, dass die Konfigurationswerte automatisch entsprechend der Eingabe des ECU-Extrakts eingestellt sind.

Nach dem Entwurf der Anwendung und der Konfiguration der Basissoftware entsprechend den Anwendungsanforderungen ist es an der Zeit, sich mit der RTE zu befassen. Das Runnable-to-Task-Mapping in der RTE beeinflusst die Task-Aktivierung des Systems. Nach dem Einstellen weiterer Pflichtparameter lässt sich der Quellcode der RTE zusammen mit der gesamten Vstar-Basissoftware generieren. Mit dem Vstar-Build-System oder der benutzerdefinierten Build-Umgebung liefern diese Ergebnisse die endgültige ausführbare Datei. Die Integrationsschritte zum Erreichen eines Anwenderendprodukts sind auf Seiten der Tier-1 oder Drittanbieter minimal. Dazu gehört der Import des ECU-Extrakts und die Anpassung des Projekts an die erforderliche Kommunikation. Die Integration der steuergerätespezifischen Softwarekomponenten vom Tier-1 und die Konfiguration der zusätzlichen Basissoftwareanforderungen sind oft sehr ähnlich. Mit der kombinierten Erfahrung und dem Produktangebot profitiert der Nutzer von einer sofort funktionierenden, intelligent ladefähigen ECU, die auf einer Referenzhardware basiert. Somit steht eine vorintegrierte, vorkonfigurierte, intelligente Ladeanwendung zur Verfügung, die getestet und ausgereift ist.

Aktuelle Autosar-Schnittstellen

Die folgenden Benutzerschnittstellen sind das Ergebnis der Integration von TIC in Autosar:

Bild 4: Die Microcontroller-Abstraction-Layer-Module. Dies umfasst die Konfiguration der MCU, des CAN und der Ethernet-Treibermodule. Mentor

• Der Ladeplan-Controller führt genau das aus, was der Name schon besagt: Der Controller vergleicht den tatsächlichen Ladevorgang mit dem, was die Teilkomponenten zuvor ausgehandelt haben. Lässt sich das vereinbarte Ziel nicht erreichen, verhandelt der Controller einen neuen Zeitplan für das Aufladen. Außerdem berücksichtigt er jede Benutzereingabe. Wenn der Benutzer beispielsweise den Ladevorgang stoppen möchte, erledigt diese Komponente den Rest.
• Der Zertifikat-Handler überprüft Sicherheitsmerkmale: Dazu gehören sowohl die Validierung als auch die Aktualisierung bestehender Zertifikate.
• Eine der intelligenten Komponenten ist der Ladeplanoptimierer. Er überträgt alle Eingaben von Benutzern und Ladestationen in einen optimierten Ladeplan. In diesem Bereich gibt es viel Raum für interessante Ideen und Innovationen. Eine Idee ist die Integration von Lernalgorithmen: Wenn ein Anwender keine Abfahrtszeit angibt, entscheidet das Fahrzeug selbstständig auf der Basis der bisherigen Fahrmuster.
• Der EV-Input-Algorithmus verwendet viele Daten aus dem Elektrofahrzeug. Die EV-Input-Komponente verbindet diese Daten mit dem Software-Stack und verbessert so die Sicht auf die Anwendung.

Fazit

Der Bedarf an zuverlässiger, in der Produktion bewährter Software für Elektrofahrzeuge steigt von Tag zu Tag. Um ohne Ausnahme ein bequemeres, schnelleres und sichereres Aufladen zu ermöglichen, ist es nötig, öffentliche Ladestationen für moderne Elektrofahrzeuge auf den neuesten Stand zu bringen. Die Integration der Telemotive-Intelligent-Charging-Lösung zusammen mit Autosar auf ECU-Ebene ermöglicht über das Ladekabel einen fehlerfreien Datenaustausch zwischen Ladestation und Fahrzeug. Damit ist eine robuste Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation gewährleistet. Mit sehr geringem Aufwand können OEMs und Drittanbieter den Nutzern eine nützliche, intelligente und nachhaltige Technologie zum sicheren, komfortablen und intelligenten Aufladen von Elektrofahrzeugen anbieten.

(aok)