PiCharge Lademanager - evcc.io kompatibel / Linux-Energiemanager basierend auf Raspberry Pi mit WLAN / Ethernet / 2x RS485 (isoliert) / USB / Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

PiCharge ist ein Linux (Raspberry Pi) basiertes modulares Management-System mit zwei galvanisch getrennten RS485-Schnittstellen, einem Manager-Controller, 1 Gbit Ethernet, USB 2.0 und einer integrierten USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung), welche mit zwei Li-Ion Akkus ein störsicheres System bildet. Das System kann sowohl an das AC-Netz als auch an eine DC-Versorgung (mit breitem Eingangsspannungsbereich) angeschlossen werden. Basierend auf dem Raspberry Pi CM4 (Compute Module 4) steht ausreichend Rechenleistung für diverse Steuer- und Regelungsvorgänge zur Verfügung. Zwei native RS485-Schnittstellen sind direkt an den Pi angeschlossen und bilden z.B. durch Modbus-RTU die Schnittstelle zu Energiezählern oder PulCharge-Ladesystemen für die Elektromobilität. Der Manager-Controller ist ein mit dem Pi digital verbundener Mikrocontroller, der per UART umfangreiche Funktionen bereitstellt, wie z.B. Deep-Shutdown, Watchdog oder Akku-Parameter wie Spannung oder Temperatur. PiCharge eignet sich deshalb sehr gut für Management-Aufgaben in der Elektromobilität und zum Steuern von Wallboxen oder um eine ausgeklügelte PV-Überschussladung zu realisieren.

Auf der Platine finden sich zwei LEDs und zwei Taster, welche die Hardware-Benutzerschnittstelle abbilden. Über die Taster kann u.a. die WLAN-Kopplung gestartet oder ein sauberes Herunterfahren ausgelöst werden. Die LEDs geben dabei den System-Status aus. Das PiCharge-System kommt mit einem Custom Image für den Raspberry Pi, welches bereits alle Konfigurationen für die einwandfreie Funktion Hardware beinhaltet. Die RS485-Schnittstellen sind bereits durch die Linux-Konsole (SSH) mit kurzen Befehlen ansteuerbar, ohne dass Programmierkenntnisse erforderlich sind. Auf dem Image befindet sich die von uns entwickelte Software PULSARES Dämon, welche einen HTTP-Server bereitstellt: Sie bietet dem Anwender die Möglichkeit sich bequem und schnell mit einem bestehenden WLAN-Netzwerk zu verbinden, ohne dass Konfigurations-Dateien angelegt werden müssen oder Linux-Kenntnisse nötig sind.

In Kooperation mit dem Open-Source Projekt evcc.io ist eine Produkt-Version entstanden, welche jedem Anwender ermöglicht, evcc über das integrierte HTTP-Webinterface zu installieren, zu konfigurieren und die Log-Dateien einzusehen, ganz ohne Konsolen-Zugriff auf das Linux-System. Bei dem Kauf einer evcc-Version erhalten Sie zusätzlich ein evcc-Lifetime-Token integriert in den Manager-Controller, welches evcc automatisch bei jedem Software-Start ausliest und aktiviert. Das gewährt sofortigen Zugriff auf alle Token-bezogenen Funktionen von evcc. Sie unterstützen mit dem Erwerb einer evcc-Version das Projekt finanziell, fördern die Entwicklung von evcc aktiv und sorgen dafür, dass das Projekt in Zukunft weiterwachsen kann.

Die mit der Elektronik verschmolzene, unterbrechungsfreie Stromversorgung sichert die Energieversorgung des Systems bei einem Stromausfall ohne Spannungseinbruch. Abstürze durch kurze Spannungs-DIPS werden effektiv vermieden. Das System läuft stabil und den laufenden Programmen wird bei einem länger andauernden Versorgungseinbruch Zeit für ein sauberes Herunterfahren eingeräumt, sodass Datensatzbeschädigungen minimiert werden. Die USB 2.0 A-Buchse ermöglicht einen direkten Anschluss an einen Computer für das Aufspielen eines Betriebssystems (PULSARES Custom Image) auf den Raspberry Pi eMMC Speicher. Um den Pi in diesen Modus zu schalten muss nur der Platinen-Taster 5x geklickt werden. Das System wird danach heruntergefahren oder startet direkt im Flash-Modus. Weiterhin wird die Schnittstelle im normalen Server-Betrieb automatisch auf USB-Slave umgeschaltet, sodass der Anschluss von z.B. USB-Sticks oder anderen Peripherie-Geräten möglich wird. WLAN mit integrierter oder optional externer Antenne (2.4 GHz und 5 GHz) sowie Gigabit Ethernet runden das Gesamtpaket ab.

Standardmäßig liefern wir das PiCharge Modul inkl. Pi CM4 in ausgewählter Version verbaut in einem UV-stabilisierten, IP65 geschützten Industrie-Gehäuse, welches ohne Probleme im Außenbereich - abseits direkter Sonneneinstrahlung - betrieben werden kann, aus. Leitungsverschraubungen für alle Zu- und Abgänge sind bereits vorhanden. Selbst passende Ethernet-Leitungen können spritzwassergeschützt verschraubt werden, ganz ohne Crimpen (max. 16 mm Steckerdurchmesser). Betriebsanleitung - PiCharge
PiCharge vereint ein leistungsfähiges Linux-System mit guter Konnektivität in einem Industrie-Gehäuse mit kompakten Maßen von ca. 124 x 122 x 55 mm (ohne Leitungsverschraubungen). Das robuste Gehäuse weist die Schutzklasse IP65 auf und schützt das Innenleben bestmöglich vor äußeren Wettereinflüssen. Eine Montage ist daher auch draußen - geschützt vor direkter Sonneneinstrahlung – möglich. Alle Leitungseingänge sind mit entsprechenden Leitungsverschraubungen ausgestattet. Die Durchführungen für die RS485-Schnittstellen und Ethernet sind ab Werk mit Gummistopfen ausgestattet. Werden die Schnittstellen nicht benutzt, ist die Dichtheit weiterhin, auch ohne eingezogene Leitung, gewährleistet. Die beiden vom Hauptsystem und sich selbst galvanisch getrennten RS485-Schnittstellen sind nativ an den Raspberry PI angebunden und im Custom Image (ab Werk installiert und als Download verfügbar) über ein eigenes Overlay aktiviert. Das Betriebssystem kontrolliert die Kommunikation eigenständig. Es ist nicht nötig die Halbduplex-Schnittstellen in der Übertragungsrichtung zu steuern. Über zwei Symlinks (symbolische Verknüpfung) kann der Benutzer bereits über die Linux-Console Datenpakete direkt mit dem Echo-Befehl auf die Busleitungen senden. Eine umfangreiche Steuerung ist weiterhin trotzdem möglich. Die hochwertigen Hardware-Endstufen sind kurzschlussfest und in der Signal-Anstiegszeit limitiert, um mögliche Störabstrahlung zu minimieren. Mit einer maximalen Übertragungsrate von bis zu 250 kBit/s können bis zu 320 Geräte an einem Bus betrieben werden. Das Raspberry Pi CM4 weist eine integrierte WLAN-Antenne auf, die standardmäßig aktiviert ist. Der Pi kann sich sowohl mit 2.4 GHz- als auch 5.0 GHz Access-Points verbinden. Eine externe Antenne kann optional angeschlossen werden. Hierfür wird die originale Hersteller-Antenne empfohlen. PiCharge ist mit einer 1 Gbit Ethernet-Schnittstelle ausgestattet, die eine schnelle, stabile Netzwerkverbindung ermöglicht. Die Leitungsverschraubung für diese Schnittstelle verfügt über einen geschlitzten Dichtring für Leitungsaußendurchmesser von ca. 4 – 8 mm. Der Kopfdurchmesser des Ethernet-Steckers darf 16 mm nicht überschreiten. Wir empfehlen deshalb schlanke Stecker mit wenig, bis gar keinen Überstand. Ausgestattet mit einem Compute Module 4 bietet das PiCharge-Systeme ausreichend Leistung, um auch in Zukunft sicher die Steuer- und Regelungsaufgaben im Smart-Home übernehmen zu können. Schneller eMMC-Flash-Speicher beschleunigen das Betriebssystem. Mittels USB-A-Schnittstelle kann der Anwender jedes kompatible Image auf das System aufspielen und benutzen. Der Bootloader des Raspberry Pis ist nicht gesperrt und ebenfalls flashbar. Das System ist somit komplett offen für eigene Modifikationen und Einstellungen. Treten Probleme auf, kann jederzeit der Auslieferungszustand durch Aufspielen des Custom-Images wiederhergestellt werden. Wir verbauen alle WLAN-fähigen Modelle des CM4. Der Kunde hat die Wahl zwischen den verschiedenen RAM- und eMMC-Flash-Speicher-Größen. Bluetooth 5.0 ist ab Werk im Pi CM4 enthalten und kann von Drittsoftware benutzt werden. Das von uns zusammengestellte Custom Image ist ein minimales Raspberry Pi OS mit Anpassungen für die verwendete Hardware. Das PUSLARES Dämon ist ebenfalls installiert und startet sich bei jedem Systemstart automatisch. Es bietet eine HTTP-Web-Schnittstelle zum Verwalten der WLAN-Verbindung (Pi wird zum temporären Access-Point) und zum Verwalten von der Open Source evcc-Software. evcc-Log-Ausgaben werden in eine eigene Log-Datei umgeleitet und bei einer Speichergröße von ca. 10 Mbyte automatisch in der Größe auf die Hälfte reduziert. Die ältere Hälfte wird gelöscht. evcc kann daher im umfangreichen Log-Modus betrieben werden, ohne dass der Speicher auf dem System uneingeschränkt zu nimmt. Die beiden RS485-Schnittstellen, sowie die UART-Schnittstelle zum Manager-Controller sind per Symlink unter folgenden Namen erreichbar:

PulsaresLeft - Linke, galvanisch getrennte RS485-Schnittstelle
PulsaresRight - Rechte, galvanisch getrennte RS485-Schnittstelle
PulsaresSerial - UART-Schnittstelle zum Manager

Durch die Konfiguration kann bereits über die Linux-Console mit dem echo-Befehl Datenpakete gesendet werden, ohne dass die Richtungsschaltung der Halbduplex-RS485-Schnittstellen beachtet werden muss. Das System schaltet automatisch um. Das PUSLARES Dämon ist ab Werk vorinstalliert. Es ermöglicht dem Anwender über einen Platinen-Taster und eine LED den WLAN-Pairing-Modus zu starten und den Pi bequem und einfach in ein bestehendes WLAN zu integrieren: Durch Halten des Platinen Tasters schaltet der Dämon den Raspberry PI in den Access-Point-Modus um. Über ein Smartphone kann ohne Installation einer zusätzlichen App eine vom Dämon bereitgestellte Website aufgerufen werden, auf dessen Oberfläche gefundene WLAN-SSIDs ersichtlich sind. Nach Auswahl und Passwort-Eingabe verbindet sich der Pi automatisch und dauerhaft mit dem ausgewählten Netzwerk. Ist eine Ethernet-Verbindung gewünscht, wird diese nach Einstecken einer Ethernet-Leitung automatisch hergestellt. Nach dem Koppeln mit einem Netzwerk ist die evcc-Control-Website (welche ebenfalls vom Dämon bereitgestellt wird) über die Standard-HTTP-Adresse http://picharge.local erreichbar. Über diese Oberfläche kann evcc verwaltet werden:

• Installieren / Deinstallieren von evcc in beliebiger Version
• Umschalten auf Nightly Repository
• YAML-Konfigurations-Datei editieren und kopieren
• Log-Datei anzeigen lassen und ggf. Kopieren.

Der Manager-Controller ist ein Mikrocontroller, der über UART an den Pi angebunden ist und Comfort-Steuerfunktionen, sowie z.B. die Akku-Überwachung bereitstellt. Umfangreiche Steuerbefehle, u.a. sauberes Herunterfahren, Deep-Sleep-Modus und Watchdog können vom Pi aus über das serielle Interface angewendet werden. Ein Taster und eine Status-LED geben dabei den Systemzustand aus. Über den Taster kann der Pi sauber heruntergefahren oder in den Flash-Modus gestartet werden. In Kooperation mit dem Open-Source Projekt evcc.io bieten wir eine Version mit integriertem Life-Time-Token an. Der Manager-Controller wird im Werk mit einem solchen Token bespielt, sodass es auch bei gewechseltem Raspberry Pi Module weiterhin zur Verfügung steht. evcc liest dieses Token bei jedem Start einmal über UART aus und aktiviert es automatisch. Das PULSARES Dämon ermöglicht es Ihnen, evcc in beliebiger Version über das Web-Interface zu installieren, zu konfigurieren und die Log-Dateien auszulesen, ganz ohne Linux Kenntnisse.

Wenn Sie sich für die evcc-Version entscheiden, unterstützen Sie das Projekt und fördern die Entwicklung aktiv! Eine intelligente USB-Schnittstelle (2.0) ermöglicht es das Gerät direkt mit einem PC zu verbinden, um ein neues Raspberry-Pi Image aufzuspielen. Im normalen Betrieb wird das Gerät zum Host und es können Peripherie-Geräte, wie z.B. USB-Sticks oder Kameras angeschlossen werden. Als Benutzer-Schnittstelle sind zwei LEDs und zwei Taster auf der Hauptplatine aufgebracht. Jeweils eine LED und ein Taster ist an den Manager-Controller und an den Raspberry Pi angebunden. Software auf dem Pi hat somit die Möglichkeit, Eingaben zu registrieren und Ausgaben durch Blinkmuster anzuzeigen. Der PULSARES Dämon benutzt diese Schnittstelle, um darzustellen, dass es gestartet ist (langsames, kurzes Blinken alle 3 Sekunden) und bietet dem Anwender die Möglichkeit den WLAN-Pairing-Modus zu starten: Der Pi wird zu einem Access-Point. Ein Smartphone kann sich mit diesem Verbinden und das Web-Interface vom PULSARES Dämon wird erreichbar. Über dieses kann bequem in ein bestehendes WLAN verbunden werden. Werden zwei Li-Ion Akkus passenden Typs in die Akkuhalter eingesetzt, ist die Versorgung in rauen Umgebungen sichergestellt. Bei Stromausfall läuft der Pi stabil weiter, selbst unter Volllast. Der Akkustand kann über die UART-Schnittstelle abgefragt werden. Geht die Energie-Reserve zu neige, wird das System durch den Manager-Controller sauber heruntergefahren. Sinkt die Spannung der Akkus weiter, schaltet sich der Manager-Controller selbstständig ab. Der Manager-Controller weist umfangreiche Steuer- und Abfragebefehle auf, die über UART ausgelöst werden können:

• Spannungen der beiden Akkus
• Temperaturen der beiden Akkus
• Sleep / Neustart: Fährt den Pi für Zeit t herunter und startet ihn automatisch nach diesem Zeitintervall neu, um Energie zu sparen
• Echtzeituhr: Die UNIX-Zeit kann gesetzt und ausgelesen werden
• Pi-Watchdog: Software auf dem Pi muss innerhalb eines definierten Zeitintervalls ein bestimmtes Paket über UART senden. Kommt dieses Paket nicht innerhalb des Intervalls, wird der Pi sauber neu gestartet
• Akku-Status: Akkus erkannt, Akkus sind am Laden, am Balancen, Netz- oder Akkubetrieb aktiv
• Eindeutige Mikrocontroller-Seriennummer
• evcc-Token (falls evcc.io-Version erworben)

Die AC-Versorgung wird über Kastenschraubklemmen dem System zugeführt. Auf der Platine befindet sich der bewährte, hybride Überspannungsschutz, welcher die Nachteile von handelsüblichen Varistoren entgegenwirkt und einen robusten Schutz vor Überspannungen bietet. Eine DC-Versorgungsbuchse ermöglicht es dem Anwender das Gerät auf dem Schreibtisch sicher in Betrieb zu nehmen, ohne dass eine AC-Versorgung benötigt wird. Ein Netzteil mit mindestens 15 W und einem Ausgangsspannungsbereich von 9 bis 15 V mit einem 5.5 x 2.1 mm Stecker wird benötigt.

• PiCharge montiert im Gehäuse
• Raspberry PI CM4 in gewählter Ausführung
• 2x Li-Ion Akkus
• Schnellstart-Anleitung
• Bohrschablone
• 4x Dübel und 4x Schrauben für Wandmontage