Embedded-Hardware und Software: Zukunft der EV-Ladung

Das Rennen ist eröffnet: Im Jahr 2022 wurden mehr als 10 Mio. Elektrofahrzeuge verkauft; bis 2027 sollen es 28,4 Mio. sein. Doch das bestehende Verhältnis von Elektroautos zu Ladestationen ist bei weitem nicht ausreichend, und ihre Zuverlässigkeit bleibt hinter den Erwartungen zurück, da Nutzer häufig mit Ausfällen der HMI, des Ladesystems oder des E-Payment-Systems zu kämpfen haben.

Welche prägen die Hardware-Entwicklung?

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, ein verbessertes Nutzererlebnis durch vereinheitlichte Benutzeroberflächen/-schnittstellen (UI/UX) sowie ein fortschrittlicheres Datenmanagement durch mehr Analysekapazität und Datenerfassung.

Im Hinblick auf die Trends für das gesamte Ökosystem wird sich zeigen, dass EV-Ladestationen auch zur Versorgung des Stromnetzes beitragen, indem bidirektionales Laden (V2G2V) umgesetzt wird. Die Nachfrage nach Energiespeichersystemen, Energiemanagementtechniken, künstlicher Intelligenz und der Integration von erneuerbaren Energien wird in den Mittelpunkt rücken. Langfristig wird sich das kabellose Laden weiterentwickeln, ebenso wie der Einsatz der Blockchain-Technologie für die Informationssicherheit.

Das sind die Herausforderungen für die EV-Infrastruktur

Jede Chance bringt ihre eigenen Herausforderungen mit sich, und das gilt auch für die EV-Infrastruktur. Für Hardware-Lieferanten sind dies die Entwicklung integrierter Ladestationen, sofort einsetzbare Lösungen für Energieüberwachungssysteme, größere Energiespeicher und umweltfreundliches Energiemanagement.

Ähnlich verhält es sich bei den Softwareanbietern, wo Fortschritte in der EV-Infrastruktur neue Lösungen für Energiemanagement, Datenanalyse und Cybersicherheit erfordern.

Um die hohe Nachfrage nach EV-Infrastrukturen zu befriedigen und Nutzern ein besseres Erlebnis zu bieten, müssen Lieferketten, Fabriken und Betreiber vier wesentliche Herausforderungen bewältigen:

• 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 UI/UX-Lösungen beseitigen.
• Netzkapazitäten ausbauen, da diese derzeit nicht ausreichen, um den hohen Energiebedarf der Ladestationen zu decken.

Aktuelle Entwicklungen bei Hardwarekomponenten

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. Innerhalb der nächsten 2 bis 5 Jahre wird die Technik im Markt für EV-Infrastrukturen wahrscheinlich 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. Hersteller von EV-Ladegeräten und Betreiber von EV-Ladestationen profitieren davon.

Schnelle DC-Split-Ladegeräte mit einer Leistung bis zu 400 kW sind bereits erhältlich, die mit einer einminütigen Ladung eine Reichweite von 32 km ermöglichen. Es ist also möglich, ein Elektroauto in 18 Minuten von 20 auf 80 Prozent aufzuladen – ein Wert, der sich in Zukunft noch weiter verbessern wird. Aktuelle EV-Ladegeräte ermöglichen 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 können auf IPCs (Industrie-PCs) von Advantech ausgeführt werden. Zu den Schnittstellenfunktionen gehören die Überwachung des Ladegeräts vor Ort, Abrechnungsverwaltung, Verteilung der Ladeleistung, Ausdruck von Ladequittungen und das Erstellen statistischer Ladeberichte.

Außerdem müssen mehrere andere Systeme integriert werden, z. B. für Parken, Energie und automatische Kennzeichenerfassung (ANPR). Bei einem so hohen Integrationsbedarf ist die Zusammenarbeit mit bewährten und renommierten Technologiepartnern dringend notwendig.

Geeignete Lösungen für EV-Ladegeräte

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

Eine skalierbare Lösung erfordert auch ein HMI, 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 ein umfassendes Angebot an EV-Versorgungslösungen (EVSE, Electric Vehicle Supply Equipment) mit unterschiedlicher Rechenleistung an, wobei KI ein verbessertes Nutzererlebnis und automatische Dienste ermöglicht. Um Kosten zu sparen und die Systemabmessungen zu verringern, ist es in vielen EVSE-Lösungen vorzuziehen, 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 sowie über die unabhängige Out-of-Band-Steuerung des Edge BMC (Board Management Controller) für Zeitüberwachung und Wiederherstellungsfunktionen. Advantech bietet auch DeviceOn für die Fernverwaltung sowie einen Software-Design-in-Service an, um die Systemsicherheit zu verbessern.

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

Advantech bietet eine Reihe von Embedded-Boards an, 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 sind ferngesteuerte Switches der EKI-Serie, Funk-Router der Serie ICR sowie Isolatoren, Repeater und Hubs der ADAM- und ULI-Serie erhältlich.

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

Eine effektive Steuerung ist mit dem robusten, Lüfter-losen EI-52 Hochleistungs-Edge-Intelligence-System mit Intel-Core der 11. Generation, skalierbarer VPU für KI und EdgeX-Software möglich. Advantech bietet auch das handflächengroße Einstiegs-Gateway EIS-D210 sowie Protokoll-Gateways und Remote-Terminals an.

Bei EV-Ladegeräten zuhause kommt es auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Stromverbrauch/Kosten an. Hier bieten die SBCs (Single-Board-Computer) Vorteile für alle diese Kriterien.

Der RSB-3720 und RSB-3430 Pico-ITX zeichnen sich durch niedrigen Stromverbrauch, geringe Latenz und ein robustes Design aus, anwendungsorientierte I/O-Erweiterungen sind erhältlich, ebenso wie ein zuverlässiges Board-Support-Paket, Management-Software, Disaster-Recovery-Unterstützung für hohe Stabilität und OTA-Updates.

Displays für öffentliche EV-Ladegeräte bringen die Herausforderungen für den Außenbereich mit sich. Eine sorgfältige Produktauswahl ist entscheidend, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Das Hauptdisplay muss eine hervorragende 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 Prozent zu reduzieren. Robustheit und Beständigkeit sind weitere Voraussetzungen, die einen IP67-Frontrahmen, ein rahmenloses Design, um Regenwasseransammlungen zu vermeiden, und einen großen Betriebstemperaturbereich erforderlich machen. Die industriellen Display-Lösungen von Advantech haben eine Lebensdauer von 50.000 Stunden im 24/7-Betrieb.

EV-Lade-Ökosystem

Im Ökosystem für EV-Laden verwalten zahlreiche Beteiligte Hunderttausende von IoT-Geräten an vielen verschiedenen Standorten. Das Ökosystem ist stark verteilt und vernetzt, was die Gefahr von Cyberangriffen mit sich bringt.

Advantech bietet dafür einen IoT-Sicherheits-Stack mit fünf Schutzebenen, der folgende Bereiche abdecket: Firmware und Konfigurationen, Betriebssystem, Bereitstellung, Gerät und Netzwerk. Zudem steht eine Liste von Cloud-API/SDKs bereit, die den ROI steigern und die Markteinführung beschleunigen. Zusammen erhöhen diese APIs die Effizienz, Ausfallsicherheit und Reaktionsfähigkeit von EV-Ladegeräten.

Darüber hinaus bietet Advantech weltweit viele weitere Design-in- und After-Sales-Services an. Das Unternehmen arbeitet mit Partnern zusammen und unterstützt den Aufbau des EV-Lade-Ökosystems durch regionale und nationale Niederlassungen.

Fazit

EV-Ladegeräte befinden sich derzeit in einer schnellen Wachstumsphase, die voraussichtlich bis 2026 anhalten wird. Hersteller von EV-Ladegeräten und Betreiber von Ladestationen nähern sich daher schnell der letzten Chance, ihre Lösungen zu optimieren.

Advantech will den Markt für EV-Ladeinfrastrukturen mit Embedded-Hardware- und Softwarelösungen sowie Fertigungs- und Supportkapazitäten bedienen. Das Unternehmen verfügt über ein erfahrenes F&E-Team sowie über In-House-Services, mit denen sich die Markteinführung beschleunigt und die Gesamtbetriebskosten für die Kunden verringern. (bs)