Hard- und Software für die EV-Infrastruktur der Zukunft

Das Rennen ist eröffnet: Im Jahr 2022 wurden mehr als 10 Millionen Elektrofahrzeuge (EVs) verkauft; bis 2027 sollen es 28,4 Millionen sein. Doch das bestehende Verhältnis von Elektroautos zu Ladestationen reicht bei weitem nicht aus und deren Zuverlässigkeit lässt zu wünschen übrig. Denn Nutzer haben häufig mit Ausfällen der HMI, des Ladesystems oder des E-Payment-Systems zu kämpfen.

Um den Infrastrukturmangel und die Zuverlässigkeitsprobleme zu lösen, konzentriert sich die Entwicklung der Hardware auf drei Haupttrends: schnelles Laden, Mehrfach-Laden und schnelle Bereitstellung. Zu den Softwareverbesserungen gehören die Diagnose von Ladestationen, vereinheitlichte Benutzeroberflächen und -schnittstellen (UI/UX) sowie besseres Datenmanagement durch mehr Analysekapazität und Datenerfassung.

Darüber hinaus sollen EV-Ladestationen künftig auch bidirektionales Laden (V2G2V) umsetzen und damit zur Versorgung des Stromnetzes beitragen. Die Nachfrage nach Energiespeichersystemen, Energiemanagementtechniken, künstlicher Intelligenz (KI/AI) und der Integration erneuerbarer Energien wird in den Mittelpunkt rücken.

Was sind die Herausforderungen?

Für Hardware-Lieferanten liegen die Herausforderungen beim Ausbau der EV-Infrastruktur in der Entwicklung integrierter Ladestationen, sofort einsetzbarer Lösungen für Energieüberwachungssysteme, größerer Energiespeicher und umweltfreundlichem Energiemanagement. Ähnlich verhält es sich bei den Softwareanbietern, die mit fortschreitender EV-Infrastruktur neue Lösungen für Energiemanagement, Datenanalyse und Cybersicherheit anbieten müssen.

Um die hohe Nachfrage nach EV-Infrastrukturen zu befriedigen und ein besseres Nutzererlebnis zu bieten, stehen Lieferketten, Fabriken und Betreiber vor vier wesentlichen Herausforderungen:

• Systemkompatibilität mit den Spezifikationen und Kommunikationsprotokollen verschiedener Ladeplattformen gewährleisten.
• Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Hardware für raue Umgebungen verbessern – mit noch höheren Leistungsspezifikationen beim Laden.
• Unterschiede bei Benutzeroberflächen und -schnittstellen beseitigen.
• Netzkapazitäten ausbauen, um den hohen Energiebedarf der Ladestationen zu decken.

Das von der Internationalen Energieagentur (IEA) festgelegte Szenario für nachhaltige Entwicklung erfordert bis 2030 weltweit 215 Mio. Ladepunkte mit einer installierten Gesamtkapazität von 1,8 TW. Viel zu tun also, und die Zeit drängt. Innerhalb der nächsten zwei bis fünf Jahre soll die Technik im Markt für EV-Infrastrukturen vollständig ausgereift sein.

Als Technologieanbieter in der Wertschöpfungskette konzentriert sich Advantech auf Hardwarekomponenten wie Industriecomputer in verschiedenen Formfaktoren sowie Flash-Speicher, I/O, HMI, Switches, Router und Module für die Datenanbindung. Hinzu kommt Software-/Firmware-Support, der die Fernverwaltung, Diagnose, Updates und andere OTA-Funktionen (Over The Air) ermöglicht.

In 18 Minuten von 20 auf 80 %

Schnelle DC-Split-Ladegeräte mit einer Leistung bis zu 400 kW sind bereits erhältlich und ermöglichen mit einer einminütigen Ladung eine Reichweite von 32 km. Damit lässt sich ein Elektroauto in 18 Minuten von 20 auf 80 % aufladen – ein Wert, der sich in Zukunft noch weiter verbessern wird. Neue EV-Ladegeräte bieten stabileres und schnelleres Laden, was vor allem auf effizientere Leistungsmodule zurückzuführen ist.

Um effektiv zu arbeiten, nutzt das Ladesystem eine Cloud-Computing-Plattform, die ein Cloud-Managementsystem, lokale Managementsysteme, eine Lade-App, Gateways und das Open-Charge-Point-Protokoll (OCPP) verwaltet. Alle lokalen Managementsysteme lassen sich auf Industrie-PCs von Advantech ausführen. Zu den Schnittstellenfunktionen gehören die Überwachung des Ladegeräts vor Ort, Abrechnungsverwaltung, Verteilung der Ladeleistung, Ausdruck von Ladequittungen und das Erstellen statistischer Ladeberichte. Außerdem gilt es, mehrere andere Systeme zu integrieren, etwa für Parken, Energie und automatische Kennzeichenerfassung (ANPR).

Um eine skalierbare Lösung zum EV-Laden zu entwickeln, muss eine Fernverwaltungsfunktion her, die zunächst die Verbindung an ein Kontroll- und Verwaltungssystem erfordert. Dies kann den Stromzähler, den Kontrollraum für die Standortverwaltung (einschl. OCPP über Ethernet oder RS-485/Modbus) und auch lokale Energiemanagementsysteme umfassen.

Eine skalierbare Lösung erfordert außerdem ein HMI, ein Abrechnungs- und Zahlungssystem, eine Erkennungs- und Überwachungskamera sowie ein System für Werbeinhalte. Schließlich muss auch die Stromversorgung überwacht werden: Je nach Ladetyp (AC- oder DC-Schnellladen) kann die Lösung das integrierte Powerline-Kommunikationsprotokoll verwenden oder den CAN-Bus direkt mit den Fahrzeugen verbinden.

Advantech bietet diverse EV-Versorgungslösungen (EVSE; Electric Vehicle Supply Equipment) mit unterschiedlicher Rechenleistung, die dank KI ein verbessertes Nutzererlebnis und automatische Dienste bieten. Um Kosten zu sparen und die Systemabmessungen zu verringern, bietet es sich in vielen EVSE-Lösungen an, On-Board-CAN/CAN-FD, mehr UART/Modbus, Multi-LAN mit optionalem PoE-Stromversorgungsmodul und mehrere 4k-Displays zu integrieren.

Die Verwaltung erfolgt über die iManager-Board-Intelligenz von Advantech sowie über die unabhängige Out-of-Band-Steuerung des Edge BMC (Board Management Controller) für Zeitüberwachung und Wiederherstellungsfunktionen. Das Unternehmen bietet auch DeviceOn für die Fernverwaltung sowie einen Software-Design-in-Service.

EV-Ladegeräte: Alles aus einer Hand

Eine optimale Lösung für EV-Ladegeräte muss ein kompaktes Board mit vollständiger Abdeckung von Industriebussen und ein robustes Design für den Außeneinsatz bieten. Zudem sollte die hardware- und firmwarebasierende Sicherheit bis in die Cloud reichen.

Advantech bietet eine Reihe von Embedded-Boards, von der ARM-RSB- bis zur x86-MIO-Serie. Ebenfalls erhältlich sind industrielle HMI-Displays (IDK/IDS-Serie) und Signage (DSD; CRV-Serie). Für Netzwerke und Gateways gibt es ferngesteuerte Switches der EKI-Serie, Funk-Router der Serie ICR sowie Isolatoren, Repeater und Hubs der ADAM- und ULI-Serie.

Batterie-Energiespeichersysteme (BESS)

Bei Batterie-Energiespeichersystemen (BESS) geht es um intelligente Energieeinsparung und -verwaltung. Entscheidend ist dabei die Fähigkeit, den Stromverbrauch zu berechnen und die Batterienutzung aus der Ferne zu überwachen und zu analysieren. BESS müssen zudem kompatibel mit industriellen Kommunikationsprotokollen und Visualisierungsmanagement sein.

Eine effektive Steuerung von BESS ermöglicht das lüfterlose Edge-Intelligence-System EI-52 von Advantech mit Intel-Core der 11. Generation, skalierbarer VPU für KI und EdgeX-Software. Zum Portfolio gehören außerdem das handflächengroße Einstiegs-Gateway EIS-D210 sowie Protokoll-Gateways und Remote-Terminals.

EV-Ladegeräte für den Hausgebrauch

Bei EV-Ladegeräten zuhause kommt es auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Stromverbrauch/Kosten an. Hier bietet sich der Einsatz von SBCs (Single-Board-Computer) wie RSB-3720 und RSB-3430 Pico-ITX von Advantech an. Diese robusten SBCs mit niedrigem Stromverbrauch und geringer Latenz bieten anwendungsorientierte I/O-Erweiterungen, ein Board-Support-Paket, Managementsoftware, Disaster-Recovery-Unterstützung und OTA-Updates.

Industrielle Displays

Displays für öffentliche EV-Ladegeräte müssen sich für den Außenbereich eignen, eine sorgfältige Produktauswahl ist deshalb entscheidend. Das Hauptdisplay muss eine optimale Sichtbarkeit bieten, vor allem mit hoher Helligkeit (1200 statt der üblichen 300 Nits). Außerdem ist optisches Bonding erforderlich, das den Luftspalt beseitigt, um die Reflexion des Sonnenlichts von 13,5 auf 0,2 % zu reduzieren. Robustheit und Beständigkeit sind weitere Voraussetzungen und machen einen IP67-Frontrahmen, ein rahmenloses Design (vermeidet Regenwasseransammlungen) und einen großen Betriebstemperaturbereich erforderlich. Industrielle Displaylösungen von Advantech haben eine Lebensdauer von 50.000 Stunden im 24/7-Betrieb.

EV-Lade-Ökosystem

Im Ökosystem EV-Laden verwalten zahlreiche Beteiligte hunderttausende von IoT-Geräten an vielen verschiedenen Standorten. Das System ist stark verteilt und vernetzt, was die Gefahr von Cyberangriffen mit sich bringt. Advantech bietet dafür einen IoT-Sicherheits-Stack mit fünf Schutzebenen, der die Bereiche Firmware und Konfigurationen, Betriebssystem, Bereitstellung, Gerät und Netzwerk abdeckt. Zudem steht eine Liste von Cloud-API/SDKs bereit, um Effizienz, Ausfallsicherheit und Reaktionsfähigkeit von EV-Ladegeräten zu verbessern.