EnergyBus StarterKit – Implementierungsstrategien für EnergyBus

Entwickler von Komponenten für Elektrofahrräder und andere leicht-elektrische Fahrzeuge (LEV) stehen vor der Aufgabe EnergyBus, den kommenden Standard für die Kommunikation in LEVs in ihre Produkte zu integrieren. Dafür werden verschiedene Ansätze von der Eigenentwicklung bis zur komplett externen Entwicklung sowie der Einsatz von Adaptern mit ihren Vor- und Nachteilen erläutert. Zudem wird am Beispiel des EnergyBus StarterKits von emtas ein einfacher Weg zur Implementierung von EnergyBus ausführlich vorgestellt.

Das vom EnergyBus e.V. gepflegte Kommunikationsprotokoll EnergyBus definiert die Kommunikation zwischen Komponenten eines Elektrofahrrads, also dem Akku, dem Ladegerät, dem Antrieb, dem Display und weiteren Modulen und spezifiziert grundlegende Eigenschaften der Komponenten, so dass eine Interoperabilität und Austauschbarkeit ermöglicht wird.

EnergyBus Komponenten für LEVs

Das Kommunikationsprotokoll basiert auf CANopen, welches wiederum CAN als physikalisches Medium für den Datenaustausch verwendet. CANopen ist ein international standardisiertes Kommunikationsprotokoll (EN 50325-4), welches eine große Anzahl von standardisierten Diensten bietet. Die wichtigsten davon sind die PDO – die Prozess-Datenobjekte – zur Echtzeitübertragung von Prozessdaten als reine CAN-Nachrichten ohne Protokolloverhead und die SDO – die Service-Datenobjekte – zum wahlfreien Zugriff auf alle definierten Parameter eines Gerätes. Zudem sind in Kommunikations- und Applikationsprofilen eine Mindestmenge von Parametern definiert, welche jedes konforme Gerät unterstützen muss. Im CANopen-Applikationsprofil CiA 454, das aktuell parallel auf ISO/IEC-Ebene standardisiert wird, sind alle Prozessdaten, Parameter und Dienste der EnergyBus-Komponenten definiert. Eine ausführliche Beschreibung zu EnergyBus wurde in der Embedded Design I/2013 veröffentlicht. Weiterführende Informationen sind auf der Webseite des EnergyBus Vereins – www.energybus.org – zusammengefasst. Für die Entwicklung von EnergyBus-Komponenten sind folgende Varianten möglich:

  • Eigenentwicklung,

  • externe Entwicklung,

  • Verwendung von Adaptern sowie

  • Einsatz eines EnergyBus-Starterkits,

welche im Folgenden vorgestellt werden.

    1. Eigenentwicklung der EnergyBus-Kommunikation

Komponentenhersteller sind Experten auf Ihrem Gebiet und wenn bereits Erfahrungen mit komplexen Kommunikationsprotokollen vorliegen, kann sich eine Eigenentwicklung der EnergyBus-Kommunikation anbieten. Da EnergyBus auf CANopen basiert, ist ein CANopen-Protokollstack nötig, welcher die CANopen-Grunddienste bereitstellt. Eine Eigenentwicklung des CANopen-Stacks ist aufgrund der geforderten Konformität nicht sinnvoll, zudem sind eine Reihe von CANopen-Stacks am Markt verfügbar. Der CANopen Product Guide des CAN in Automation e.V. listet aktuell acht Anbieter auf. Bei der Auswahl sollte neben dem Preis auch auf Lizenz- und Supportbedingungen geachtet werden. Die Entwicklung besteht dann aus der Integration des CANopen-Stacks, der Implementierung der EnergyBus-spezifischen Parameter und Zustandsmaschinen für die jeweilige Komponente sowie der Integration mit der eigentlichen Applikation des Geräts. Die Implementierung der EnergyBus-Spezifika ist für eine einfache Komponente (z.B. Akku) und mit entsprechendem Know-How innerhalb kurzer Zeit realsierbar. Die Umsetzung dieser Variante bietet sich vor allem an, wenn im Unternehmen Kenntnisse zu Kommunikationsprotokollen vorhanden sind und angestrebt ist, dass das neu gewonnene Know-How im Unternehmen verbleibt.

    1. Externe Entwicklung des kompletten Gerätes

Die komplette Vergabe der EnergyBus-Integration an einen externen Entwicklungsdienstleister ist eine Option, wenn keine Kapazitäten im Haus zur Verfügung stehen . Bei der Auswahl des Dienstleisters sollte die Wahl auf Unternehmen fallen, die bereits umfassende Erfahrung mit EnergyBus haben und im besten Fall an der Spezifikation des EnergyBus-Protokolls beteiligt waren. Unter den Mitglieder und Partnern des EnergyBus Vereins sind entsprechende Firmen zu finden. Nachteilig an der externen Entwicklung ist neben den Kosten auch die Tatsache, dass kein eigenes Know-How im Unternehmen aufgebaut wird.

    1. EnergyBus-Adapter – Schnelle Markteinführung?

Seit kurzem sind Adapterlösungen für Akkus am Markt verfügbar. Diese Adapter müssen durch den Adapterhersteller an die jeweiligen Akkus angepasst werden und durch den Flottenbetreiber integriert werden. Sie statten dann das Elektrofahrrad mit einer EnergyBus-Schnittstelle zum Laden an EnergyBus-Ladestationen aus. Dies ist für bestehende Pedelec-Flotten ein erster schneller Weg, jedoch stehen die Adapter nur für Akkus zur Verfügung und schöpfen nicht den kompletten Funktionsumfang von EnergyBus aus. Zudem muss beim Einsatz von Adaptern die Haftungsfrage geklärt werden.

    1. EnergyBus StarterKit

Einen Mittelweg aus allen Lösungen bietet das EnergyBus StarterKit der Firma emtas. Es beinhaltet:

  • Konfigurationstool EnergyBus DeviceWizard zur Konfiguration des Geräts

  • Prototypenboard mit STM32

  • EnergyBus Controller(EBC) als PC Tool mit grafischer Oberfläche als Steuerungsmaster

  • DeviceExplorer Tool für Inbetriebnahme und Interpretation von EnergyBus Nachrichten

  • USB-CAN Adapter, CAN Kabel, Abschlusswiderständen

  • und einen vorkompilierten EnergyBus Framework im Objektcode

Damit enthält es die Grundausstattung für den Start einer EnergyBus-Entwicklung.

EnergyBus Starterkit

Das EnergyBus Framework als Kernkomponente des Starterkits beinhaltet einen CANopen-Stack und alle im CANopen-Applikationsprofil 454 definierten EnergyBus-spezifischen Parameter und Zustandsmaschinen und stellt dies über eine komfortable API der Applikation zur Verfügung. Der Geräteentwickler muss das EnergyBus Framework nur noch an die eigentliche Applikation anbinden.

Komponenten des EnergyBus Frameworks

Mit dem Prototypenboard auf Basis eines STM32 können erste EnergyBus-Demoapplikationen erstellt werden. Die relevanten Peripherie- und Kommunikations-Pins des Microcontrollers sind über Steckleisten zugänglich und können im einfachsten Fall mit bestehender Hardware oder existierenden Mikrocontrollern der Komponenten verbunden werden. Je nach Anwendungsfall können damit erste Prototypen zur Demonstration beim Kunden, komplette EnergyBus-Applikation oder eigene Adapterlösungen erstellt werden.

Der CANopen DeviceExplorer, welcher dem StarterKit beiliegt, kann als CANopen-Master für die Inbetriebnahme, Konfiguration und den Test der Komponenten verwendet werden. Zudem ist das Tool in der Lage alle CAN-Telegramme entsprechende dem EnergyBus-Protokoll (CANopen Applikationsprofil 454) zu interpretieren.

Interpretation der EnergyBus Telegramme

Zusammen mit dem EnergyBus Controller als PC-Tool ermöglicht dies die erste Entwicklung von EnergyBus-Komponenten auch wenn noch keine realen Gegenstellen verfügbar sind.

Die EnergyBus Starterkits von emtas sind in verschiedenen Ausbaustufen erhältlich. Das EneryBus EvaluationKit beinhaltet den zuvor beschriebenen Umfang, jedoch ist das vorkompilierte EnergyBus Framework nur jeweils 60 Minuten lauffähig. Es dient der ersten Implementierung von Demo-Applikationen ohne große Investitionen. Das EnergyBus Starter Kit bietet den vollen Funktionsumfang und kann zur Entwicklung von Produkten eingesetzt werden. Darüber hinaus ist das EnergyBus Framework von emtas auch im Source Code erhältlich.

Auch verfügbar ist ein EnergyBus DemoKit, welches ohne Hardware, dafür mit einer simulierten CAN-Kommunikation auf dem PC und simulierten EnergyBus-Komponenten und Tools zur Analyse der Kommunikation geliefert wird. Das EnergyBus DemoKit ist kostenfrei und richtet sich an Anwender, die einen ersten Einblick in die EnergyBus-Kommunikation erhalten wollen.