CPU-Module und Single-Board-Computer 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 wird nach neuen Bauformen und Konzepten gesucht, 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 Bausteinen zählen dabei: Metrologie (Energiemessung), Wandler/Leistungselektronik, Ladeelektronik und die 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 bzw. neue Funktionen implementiert werden.

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: Das Spektrum reicht von UART über I2C hin zu CAN.

Kommunikationsfähigkeiten müssen auch im Nahbereich außerhalb der Ladesäule geboten werden. So gehört die Benutzer-Authentifizierung bzw. 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 WLAN oder Bluetooth als Kommunikationskanal.

Für Ladestationen im öffentlichen Bereich unabdingbar ist der Zugang zur Cloud, da vor Ort unterschiedliche Unternehmen zusammenarbeiten müssen: Stromversorger, Ladestationsbetreiber, Zahlungsdienstleister, Wartungsdienst und 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 Rechenzentrumbetreibers 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.

Verglichen mit den Energiemengen die in das Fahrzeug geladen werden, erscheint der Stromverbrauch der Elektronik unerheblich zu sein. Über die schiere Anzahl der Ladestationen summiert sich allerdings ein durchaus beachtlicher Wert. Zudem ist die Abfuhr der anfallenden Abwärme nicht zu unterschätzen – ein Kostenpunkt bei jeder einzelnen Ladestation.

Robust und kompakt im Außenbereich

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, damit keine aufwendige und teure Klimatisierung notwendig ist. 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“ kann etliche Jahre dauern, dabei ist es nicht hilfreich, wenn unterdessen 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 den 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.

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 niedrige 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.

Das Modul TQMa117xL stellt alle Schnittstellen des Prozessors zur Verfügung. So stehen bis zu 2 × Gbit- Ethernet (1 × TSN/1 × AVB), ein GbE (mit IEEE 1588 Triggersignal), bis zu 2 × USB 2.0, bis zu 3 × CAN FD und bis zu zwölf UART bereit. Zusätzlich gibt es bis zu 2 × SDIO/eMMC 5.0, bis zu 6 × I²C, bis zu 6 × SPI, bis zu 2 × QSPI und bis zu 2 × FlexIO. Für Audio-Aufgaben sind bis zu 4 × SAI, S/PDIF und Achtkanal-DMIC konfigurierbar.

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.

Sicheres Betriebssystem

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. Zusätzlich für Sicherheit sorgen die integrierten MIPI-CSI-Verbindungen, die den Anschluss von Kameras ermöglichen, um Vandalen oder Betrüger zu dokumentieren. Darüber hinaus könnten die Kameras helfen, Stellplatzblockierer zu erkennen, die einen Ladeplatz als einfachen Parkplatz missbrauchen – in Deutschland sieht für diese Falschparker der Bußgeldkatalog aktuell 55 Euro vor. Durch Bildverarbeitung des Nummernschilds könnte hier die Parksäule automatisiert einen akustischen und optischen Warnhinweis geben.

Dank eines integrierten analogen Frontends 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, ist MBa117xL mit dem erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +70 °C erhältlich – das Modul TQMa117xL sogar bis zu einer Temperatur von +85 °C. Zudem braucht das Board MBa117xL durch seine geringe Verlustleistung von typischerweise 1 W keine aufwendige und kostspielige Kühlung. Dank der kompakten Abmessungen von 160 × 100 mm² 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 × 31 mm² beansprucht und bei Leistungs- und Kühlaufwand ebenso anderen Lösungen um nichts nachsteht. Bestückbar ist das Modul (und damit auch der SBC) mit fünf unterschiedlichen MCU-Versionen (i.MX RT1171, RT1172, RT1173, RT1175, RT1176) zur bedarfsgerechten Skalierung mit ein oder zwei Prozessor-Cores (Arm M7 und M4). Damit lassen sich Leistungsanpassungen nach oben und unten durchführen, um auf veränderte Anforderungen möglichst einfach reagieren zu können.

Obsolescence-Management

Mit einer Langzeitverfügbarkeit von mehr als 15 Jahren besteht Liefersicherheit auch bei ungewollten Projektverzögerungen. Mit einer ausgeklügelten Obsolescence-Management-Strategie schützt TQ seine Produkte vor unerwarteten Änderungen und Abkündigungen. Damit stehen die Produkte auch bei sehr langen Projektlaufzeiten zur Verfügung. Darüber hinaus unterstützt der Elektronikdienstleister seine Anwender mit diversen Obsolescence-Management-Dienstleistungen. Die TQ-Group bietet zahlreiche Dienstleistungen zusätzlich zu den Modulen an und bietet so Unterstützung in vielen Phasen der Produktentwicklung und Fertigung. 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 – der Hardware-Teil ihrer Projekte wird gerne von TQ übernommen. Zudem ist das firmeneigene Product Compliance Center für die Durchführung von Prüfungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit, Produktsicherheit und für Umweltprüfungen zugelassen.

Bedarfsgerechte Modularität

Beim Single Board Computer MBa117xL gibt es eine etwas andere Schnittstellenzusammenstellung, um u.a. funkbasierte Kommunikationsmodule anzubinden. So sind die bewährten Schnittstellen I²C, digitale Ein- und Ausgänge und RS485 ebenso vorhanden wie die schnellen Kommunikationsschnittstellen Gigabit-Ethernet (TSN- und AVB-fähig) und USB. Durch zwei isolierte CAN-Schnittstellen kommuniziert das Board auch mit Baugruppen aus der allgemeinen Automationstechnik und erschließt so zusätzliche Einsatzmöglichkeiten und Funktionen. Dank des optionalen IoT-Funkmoduls kann das MBa117xL die Cloud auch über Funk (LTE) erreichen und so den Ladevorgang auch in Gegenden sichern, wo der Datenstrom über Kupfer nur „tröpfelt“. Ebenfalls optional ist ein Funkmodul für WLAN und Bluetooth, um sich mit den Mobilgeräten der Kunden zu verbinden, aber auch für Service-Aufgaben zu dienen.

Die integrierte Grafikeinheit unterstützt Auflösungen bis WXGA (1280 × 800 Pixel) mit einer Bildwiederholrate von bis zu 60 Hz. Als Schnittstelle dient MIPI- DSI mit zwei Lanes oder wahlweise LVDS. Damit kann das Board problemlos die Benutzerführung (GUI) durchführen und hat noch Luft für weitere, anspruchsvollere Grafikanwendungen. (na)