Smart Charging Der Schlüssel zur erfolgreichen Elektromobilität

Embedded-Systeme für die Ladesteuerung

Für die Automobilindustrie auf der einen und die Hersteller der Ladeinfrastruktur auf der anderen Seite besteht eine wesentliche Herausforderung darin, ihre Produkte konform zur ISO/IEC 15118 zu gestalten. Am schnellsten kommen Automobilhersteller bei der Entwicklung des Ladesteuergeräts zu funktionstüchtigen Ergebnissen, wenn sie auf fertige und erprobte Embedded-Lösungen, wie Microsar V2G (Vehicle-to-Grid) von Vector Informatik, zurückgreifen. Microsar V2G (Bild 1) ist ein Cluster von Basis-Software-Modulen und Teil einer AUTOSAR-kompatiblen Produktreihe, die es erlaubt, ein exakt auf seine Anforderungen zugeschnittenes Steuergeräte-Software-Paket zusammenzustellen. Microsar V2G deckt dabei alle Technologien sowie Protokolle auf den verschiedenen ISO-OSI-Schichten ab, die für das Laden mit Wechsel- und Gleichstrom gemäß ISO/IEC 15118 und DIN 70121 erforderlich sind. Dazu gehören passende Hardware-Unterstützung für HomePlug Green PHY ebenso wie die Implementierung eines zukunftsfähigen TCP/IP Dual Stack für IPv6 und IPv4. Das entsprechende Pendant zur Smart-Charge Communication für Hersteller von Ladesäulen heißt vEVSE und enthält auf Basis von Embedded Linux sämtliche ISO/IEC-15118/DIN-70121-relevanten Komponenten (SLAC, EXI und Botschaftsablauf).

Besondere Aufmerksamkeit erfordert das Testen der Smart-­Charge-Entwicklungen. Ein Ladesteuergerät nach ISO/IEC 15118 und DIN 70121 muss sich nicht nur fehlerlos in die eigene Fahrzeugelektronik integrieren, sondern ist nach außen hin quasi offen, wo es mit einer wechselnden Ladeinfrastruktur verschiedener Stromanbieter und Hersteller konfrontiert wird. Patt-Situationen an Ladesäulen aufgrund nicht vollständig kompatibler Systeme wären in hohem Maße kontraproduktiv und würden zu herben Rückschlagen für die Akzeptanz der Elektromobilität führen. Um alle denkbaren Fehler und Inkompatibilitäten aufzuspüren, ist eine hohe Testabdeckung und hohe Testtiefe erforderlich. Das lässt sich nur über systematische und automatisierte Testläufe erreichen, beispielsweise mit leistungsfähigen Hardware-in-the-Loop-Systemen (HiL).

Neue Testanforderungen meistern

Allerdings sind beim Smart Charging einige neue Technologien im Einsatz, die das Testsystem zu beherrschen hat. Es muss sämtliche in der Norm ISO/IEC 15118 verwendeten Verfahren hinsichtlich Hard- und Software unterstützen und die in diesem Kontext notwendigen Testfälle abdecken. Das erstreckt sich über alle ISO-OSI-Schichten von der physikalischen Ebene des bei Powerline und HomePlug Green PHY aufmodulierten PWM-Signals (Control Pilot) über Mechanismen wie SLAC bis zu Internet- und Ethernet-Techniken.

Ein leistungsfähiges HiL-System ist in der Lage, für das zu prüfende System (SUT) die Umgebung vollständig und realitätsnah zu simulieren. Neben den PLC- und SCC- (Smart Charging Communication) Verfahren sind digitale und analoge Größen von Sensoren und Aktoren nachzubilden, damit die Ladesäulen- oder Fahrzeugseite spezifikationsgemäß betrieben werden kann. Eine leistungsfähige Restbussimulation generiert zudem das Geschehen auf Fahrzeugbussen wie CAN, samt der dahinterstehenden Steuergerätelogik.

Zum Testen von ISO/IEC-15118- und DIN-70121-Entwicklungen stellt Vector für seinen HiL-Tester VT System eine spezielle SCC-Einschubkarte zur Verfügung. Das VT7870 Board (Bild 2) bietet zwei Betriebsmodi und eignet sich sowohl zum Testen von Elektrofahrzeugen als auch zum Testen von Ladesäulen. Beim Test von Fahrzeugen simuliert das HiL-System damit die Ladesäule und beim Test von Ladesäulen die Fahrzeugelektronik. Auf dem Board befindet sich ein Devolo-dLAN-Green-PHY-Modul mit QCA7000-Chipsatz, mit dem sich das auf den Control Pilot aufmodulierte Signal der Powerline Communication nicht nur empfangen, sondern auch erzeugen lässt (sh. Bild 2, Kasten).

Kasten: Funktionen des Hardware-Moduls VT7870 

- Simulation von Ladesäule oder Fahrzeug
- PWM Control Pilot (CP) Communication
- High-Level Powerline Communication (PLC)
- Fehlersimulation auf Control Pilot
- Simulation von Bauteiltoleranzen
- Anschluss und Messung des Proximity Contact

Das VT System ist modular aufgebaut, flexibel skalierbar und kann Fehlersituationen, Leitungsbrüche und Kurzschlüsse simulieren. Für Ladetests mit realen Stromstärken und Spannungen sind auch steuerbare Stromversorgungen und elek­tronische Lasten anschließbar. Zur Konfiguration von Testskripten, zur Testablaufsteuerung, Reporterstellung und Ergebnis­analyse dient ein PC mit der Software CANoe.Ethernet und dem SCC-Add-on-Paket.

Falls erforderlich, übernimmt CANoe auch die Restbussimulation. Die automatisch ablaufenden Testfälle lassen sich mit vTESTstudio definieren, einem mächtigen Test-Design- und Autoren-Werkzeug (Bild 3). Der erwartete Anstieg sowohl an Elektrofahrzeugen als auch an Ladesäulensystemen bei gleichzeitig wachsender Durchdringungsrate der High-Level-Kommunikation führt zu einer stark anwachsenden kombinatorischen Komplexität. Daraus ergeben sich Herausforderungen an die Interoperabilität von Ladesäulen und Fahrzeugen sowie an die Konformität zu den geltenden Normen.

Um diese sicher zu beherrschen, ist eine zuverlässige und ausgereifte Produkt- und Teststrategie sowie aufeinander abgestimmte und erprobte Komponenten und Werkzeuge notwendig. Das vorgestellte Portfolio der Vector Informatik GmbH stellt einen durchgängigen Ansatz dar, um die erfolgreiche Verbreitung der Elektromobilität zu gewährleisten.

 

Die Autoren

 

Dirk Großmann 
ist Gruppenleiter im Bereich Embedded Software bei Vector Informatik. Dort ist er unter anderem verantwortlich für die Entwicklung von MICROSAR V2G und vEVSE. Nach dem Studium der Elektrotechnik an der Universität Stuttgart sowie sechs Jahren Automotive-Entwicklung im Bereich Steuergeräte-Software kam er 2003 zur Vector Informatik GmbH.
Dr. Heiner Hild 
ist Gruppenleiter und Produktmanager im Bereich VT System bei Vector Informatik. Dort ist er zuständig für die Entwicklung des VT System und weiterer I/O-Test-Hardware sowie deren Anbindung an CANoe. Nach dem Studium der Physik an der Universität Stuttgart und einer Promotion im Bereich Bildverarbeitung und Geoinformatik sowie über zehn Jahren Automotive-Entwicklung im Bereich Fahrerassistenzsysteme kam er 2014 zur Vector Informatik GmbH.