Elektromobilität Chips für Ladestationen

Der Gouverneur von Kalifornien hat für 2015 die Zielmarke von 1,5 Millionen Elektrofahrzeugen ausgegeben. Europa geht von 3 Millionen bis 2020 aus, die chinesischen Behörden gar von 5 Millionen bis 2020. Das wird einen Boom bei Ladestationen auslösen. Welche Halbleiterchips sind dafür nötig?

von Anthony Vaughan, Product Marketing Engineer bei Texas Instruments.

Bedenken wegen der Reichweite gelten als eines der größten Hemmnisse für das Vertrauen der Konsumenten in Elektrofahrzeuge. Ein großer Bestand an umgehend verfügbaren Ladestationen dürfte dazu beitragen, diese Bedenken auszuräumen und die Popularität von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern. Bereits jetzt findet man kostenlose Ladestationen bereits an Bürokomplexen, Parkplätzen, Restaurants und Einkaufszentren. Doch auch der Bedarf an kostenpflichtigen Ladestationen wird wachsen – ebenso wie die Nachfrage nach mehr Technik und Kommunikation für diese Systeme. Die technischen Anforderungen an diese Systeme werden zweifellos steigen, sodass die Entwickler gefordert sind, diese Einheiten einerseits mit einem größeren Funktionsumfang auszustatten, sie andererseits aber auch klein und unkompliziert zu halten.

Viele der heutigen Bezahl-Ladestationen in Städten ähneln in Aussehen und Funktion den Parkuhren, verfügen aber natürlich zusätzlich über ein Kabel für den Anschluss an das Fahrzeug. Es gibt drei gängige Bauarten (oder auch »Levels«) von Ladestationen:

  • Bei den Ladestationen der Levels 1 und 2 handelt es sich im Prinzip um mit Messeinrichtungen ausgestattete Wechselstromanschlüsse, welche die bordeigenen Ladefunktionen der Elektrofahrzeuge nutzen.
  • Ladestationen des Levels 3 sind Schnelladeeinrichtungen. Diese umgehen die Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) des Fahrzeugs und versorgen die Ladeeinrichtung des Fahrzeugs direkt mit 400 V Gleichspannung

Trotz der Unterschiede in Bezug auf die Leistung eint alle Lösungen die Notwendigkeit, den Stromverbrauch zu messen und dem Kunden diesen in Rechnung zu stellen. Bezahl-Ladestationen müssen ferner mit dem Backend-Netzwerk kommunizieren, um die Kreditkarte oder das Mobiltelefon-Konto eines Anwenders zu belasten oder sogar Bargeldtransaktionen auszuführen. Dieser Funktionsumfang verlangt nach einer flexiblen Systemarchitektur.

Was aber bedeutet dies für die verwendete Technik? Die für mobile Bezahlvorgänge erforderliche Nahbereichskommunikation (Near-Field Communications, NFC) ist ein Kommunikationsstandard, der für sehr kurze Übertragungsdistanzen ausgelegt ist, und in seiner Funktion ähnelt er der RFID-Technik. Jedes Smartphone und auch jedes andere NFC-fähige Gerät enthält eine eindeutige Kennung, die mit einem Zahlungskonto verknüpft ist. Ethernet, Powerline-Kommunikation (PLC) und Wi-Fi sind für die Zahlungsverarbeitung ebenso nötig wie für die fortschrittliche Verbrauchsmessung und weitere Kontrollfunktionen. Notwendig ist auch die Kommunikation mit dem zu ladenden Fahrzeug. Die meisten Elektrofahrzeuge setzen voraus, dass die Kommunikation mit der Ladestation per CAN, RS-232, Ethernet oder PLC beziehungsweise im PWM-Verfahren erfolgt. Wie aber gelingt es den Entwicklern von Bezahl-Ladestationen unter diesen Rahmenbedingungen, alle gestellten Anforderungen zu erfüllen und die Lösungen dennoch einfach und kostengünstig zu halten?

Aufwand minimieren

Eine einfache Lösung für dieses Problem besteht darin, einen Embedded-Controller oder -Prozessor einzusetzen. Dieser muss zum einen über Funktionen für die Kommunikation per NFC, PLC, Wi-Fi, CAN und 10/100-GBit/s-Ethernet verfügen und zum anderen die Verbrauchsmessung, die Routinefunktionen (Housekeeping) und die Steuerung der Leistungsstufe übernehmen können – und zwar alles in einem Chip. Auf diese Weise können die Entwickler die Leiterplattenfläche und den Bauteileaufwand minimieren und dabei sämtliche entscheidenden Kommunikationsfeatures und ausgefeilten Schutzfunktionen in das System integrieren. Ein Beispiel für einen solchen integrierten Embedded-Controller sind die »ARM Cortex-M3«-basierten Dual-Core-Mikrocontroller (MCUs) der Reihe »C28x« aus der »C2000«-Familie von Texas Instruments (TI). Neben der Leistungsstufe können diese Bausteine auch die nötigen Mess-, Kommunikations- und Schnittstellenfunktionen steuern.

Die Messsysteme basieren auf der analogen Schnittstelle und den Verarbeitungsfunktionen des Embedded-Controllers. Sobald die Entwickler einen Baustein mit solchen integrierten analogen Funktionen einsetzen, können sie auf recht einfache Weise die für die ein- und dreiphasige AC-Messung notwendigen Überwachungsfunktionen für Strom und Spannung implementieren und die Ausgangswerte der leistungsfähigeren DC-basierten Systeme überwachen.