Llevar los EV a la red inteligente para estabilidad y seguridad

Los mercados saludables para vehículos eléctricos híbridos y de batería conectables (PHEV, BEV) podrían reducir significativamente la carga ambiental de las emisiones del tubo de escape sin sacrificar las libertades proporcionadas por el transporte personal. Los legisladores de la Unión Europea (UE) se encuentran entre los defensores más entusiastas de un cambio hacia vehículos menos contaminantes, y algunos países europeos ya han señalado su intención de prohibir la venta de automóviles y furgonetas nuevos con motores de combustión convencionales para el 2040.

Los fabricantes de vehículos pueden estimular la aceptación del mercado al hacer que los PHEV y BEV sean lo más fáciles de usar posible. Esto incluye hacer que la carga sea tan sencilla y segura como cargar un teléfono móvil. La estandarización de las conexiones de carga físicas puede ayudar, aunque actualmente se especifican tres tipos en la norma internacional IEC 62196-2. Estos incluyen el conector J1772 de SAE (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Automotrices), que se usa ampliamente en América del Norte y se define como el conector tipo 1 en IEC 62196-2. Muchos países europeos prefieren el conector IEC tipo 2 (con o sin una cubierta con clasificación IP, como se requiere en algunos países) que puede soportar una potencia de carga de hasta 43,5 kW, y puede trabajar con suministros de CA trifásicos europeos para estaciones de carga rápida, así como suministros monofásicos ordinarios.

Ambos tipos de interfaces incluyen características de seguridad para garantizar que la energía solo se pueda suministrar al insertar el conector y de forma segura para proteger contra la electrocución si el conector se desconecta antes de que el ciclo de carga haya concluido.

Paso 1: Hacer la carga simple y segura

La especificación J1772 e IEC 61851-1, que es el estándar global para interfaces eléctricas de carga de EV, especifican señalización eléctrica básica a través de una conexión piloto entre el punto de carga, o el equipo de servicio eléctrico del vehículo (EVSE), y los productos electrónicos del cargador en placa (OBC) del vehículo. Estas interacciones confirman la conexión y negocian la entrega de energía en función de criterios tales como la ventilación disponible para protegerse contra peligros potenciales como el sobrecalentamiento.

La comunicación se basa en una señal piloto modulada por ancho de pulso (PWM) de 1 kHz ± 12 V. El EVSE genera la señal de 12 V. Cuando el conector de carga está correctamente conectado, el EV coloca una carga resistiva que baja el voltaje a 9 V. El EVSE luego aplica modulación por ancho de pulsos (PWM) y ajusta el ciclo de trabajo para indicar su propio rango de corriente de salida. Esta es la corriente de carga máxima que el vehículo puede tomar. Al mismo tiempo, el EVSE cierra sus relés de salida para permitir que comience la carga. En este punto, el EV aplica una menor resistencia a la línea de señal piloto, al reducir el voltaje a 6 V como una indicación de que la carga está en progreso. La Figura 1 muestra los voltajes de señal asociados con los diversos estados de carga de EV. El estado D, cuando la tensión se reduce a 3 V, indica que hay una ventilación adecuada para permitir una carga rápida con la mayor potencia posible.

Figura 1: El EV que será cargado coloca varias cargas resistivas en la línea de señal piloto para indicar su estado.

Debido a que la interfaz J1772 no detecta cuando el vehículo está completamente cargado, la carga finaliza cuando el conector se desenchufa. Cuando esto ocurre, el voltaje de la señal piloto vuelve a 12 V y el EVSE apaga la salida para evitar que la corriente fluya.

Diseño de referencia de la interfaz J1772

Texas Instruments ha producido un diseño de referencia para un EVSE compatible con J1772, que aprovecha las funciones del microcontrolador MSP430F6736 que facilitan el control y la supervisión de la línea de señal piloto. Estas incluyen un módulo de temporizador de alta precisión para generar una señal de PWM del ciclo de trabajo requerido, y un convertidor analógico a digital (ADC) de registro de aproximaciones sucesivas (SAR) para leer la respuesta del vehículo en el cable piloto. Debido a que la clasificación actual del EVSE está esencialmente determinada por las clasificaciones de componentes tales como el relé de salida y los cables y conectores, el valor generalmente se puede fijar en el firmware para controlar el circuito del temporizador.

Para impulsar la señal piloto a través de varios metros de cable y la resistencia de carga aplicada por el vehículo cuando está conectado, el diseño de referencia utiliza un amplificador operacional OPA171 para aprovechar su amplio rango de voltaje de suministro de ±18 V, salida de riel a riel y rango de corriente de salida de 475 mA. El microcontrolador MSP430 controla la salida del OPA171 a través de un divisor de voltaje, para detectar la resistencia de carga aplicada por el vehículo.

El diseño de referencia implementa todas las funciones eléctricas de una interfaz de carga J1772, como se muestra en la Figura 2. Estos incluyen administración de energía para generar suministros lógicos de ±12 V de _CC y 3,3 V de la línea de CA principal, y un controlador de nivel bajo TPL7407L que gestiona un relé de salida de dos etapas. El diseño también aprovecha el pin de entrada/salida de uso general (GPIO) de interrupción del MSP430F6736, conectado a un transformador de corriente a través de un amplificador LM7321 para proporcionar protección contra fallas a tierra potencialmente peligrosas. El uso de este pin de interrupción permite que el sistema responda más rápido de lo posible al controlar la salida del transformador de corriente con un ADC.

Además, los ADC delta-sigma (ΔΣ) del microcontrolador se utilizan para integrar la medición de potencia al aprovechar un diseño de referencia de medidor inteligente residencial monofásico ya existente y comprobado.

Figura 2: El diseño de referencia de TI (Texas Instruments) implementa todas las funciones necesarias para un cargador de EV compatible con el J1772.

Paso 2: Conectar vehículos eléctricos a la red inteligente

La estandarización de la interfaz de carga de acuerdo con especificaciones como J1772 e IEC 61851-1, para hacer que la carga sea simple y segura, puede contribuir en gran medida a fomentar un mayor uso de los vehículos eléctricos. Sin embargo, a medida que aumenta el número de dichos vehículos en el uso diario, también aumenta la carga en la red eléctrica cuando se conectan para recargarse. Por otro lado, si se administra la carga de manera inteligente, los PHEV/BEV podrían ser compatibles con programas activos de respuesta a la demanda que funcionen para evitar picos de carga excesivos, y también podrían usarse como almacenamiento de energía renovable excedente. La Figura 3 ilustra el tipo de negociaciones que pueden ocurrir entre el vehículo y el punto de carga, al aprovechar la comunicación con los sistemas de administración de la red para determinar la capacidad de energía y la tarificación.

Figura 3: La comunicación sofisticada entre el vehículo, el cargador inteligente y la red puede garantizar que la carga se complete a tiempo, a la vez que se preserva la estabilidad de la red. Presentación de Christoph Saalfeld, Daimler AG, Vector Congress 2010.

Además, la administración inteligente de la carga posibilita servicios adicionales de valor agregado, como aplicar algoritmos de aprendizaje automático basados en la nube para calcular la ruta más eficiente de energía para el próximo viaje y predecir el consumo. Ambas capacidades brindan valor a los propietarios y ayudan a las empresas de servicios públicos a garantizar la estabilidad y la disponibilidad de la red. Otros servicios que se pueden ofrecer incluyen la facturación dinámica para que se les pueda facturar correctamente a los propietarios de los EV cada vez que carguen en casa o en otros lugares, como en estaciones de carga públicas, un lugar de trabajo o en la propiedad de un amigo o familiar.

Para habilitar este tipo de características y servicios, se necesita una comunicación más sofisticada entre el vehículo y el EVSE. El grupo de trabajo ISO/IEC 15118 ha desarrollado especificaciones para la comunicación vehículo a red (V2G) al aprovechar los estándares de comunicación de línea de alimentación (PLC) cuando el vehículo se está cargando mediante un cable. En particular, ha elegido la especificación de PLC de banda ancha IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) como el mejor protocolo para garantizar una comunicación sólida y una alta velocidad de datos. Al operar a frecuencias entre 2 MHz y 30 MHz, la HPGP permite que el sistema distinga datos válidos en una línea piloto conectada del ruido de otras fuentes cercanas.

Una vez que se inicia el proceso de carga, se establece una comunicación que permite que el vehículo y su punto de carga intercambien información, como datos de control y configuración, privilegios de acceso, marca de tiempo, información de tarifas, identificación y ubicación del cliente y lecturas del medidor.

Comunicación V2G de extremo a extremo

Varios estudios han investigado estándares adecuados para la comunicación entre el vehículo y los sistemas de gestión de la red. El proyecto PowerUp de la UE examinó las oportunidades para usar DLMS/COSEM de IEC 62056, y aprovechar aspectos del protocolo como la primitiva PUSH para reenviar información a sistemas de administración de redes inteligentes, como un controlador de equilibrio de carga. Con la adición de la extensión específica de EV, se descubrió que DLMS/COSEM es un protocolo adecuado para la comunicación V2G de extremo a extremo.

Un enfoque alternativo es utilizar el protocolo IEC 61850, diseñado para admitir las comunicaciones entre los sistemas de automatización de subestaciones con fines tales como la gestión del flujo de energía entre los recursos de electricidad renovable y los consumidores. Se ha propuesto una extensión específica de EV para permitir la interacción con las interfaces de V2G del ISO/IEC 15118, y el Instituto Fraunhofer para tecnologías de sistemas y comunicaciones integrados (Fraunhofer ESK) ha desarrollado un sistema de referencia que utiliza las normas ISO/IEC 15118 e IEC 61850, así como HPGP e IPv6, para la comunicación V2G a través de una estación de carga inteligente, capaz de soportar servicios de valor agregado. La Figura 4 muestra cómo este diseño de referencia propone una combinación de protocolos ISO/IEC 15811 e IEC 61850 para implementar la comunicación V2G de extremo a extremo.

Figura 4: Comunicación V2G de extremo a extremo gestionada por una estación de carga de vehículo inteligente.

Los protocolos de HomePlug PLC, incluido HomePlug AV, de los que se deriva HomePlug Green PHY, están diseñados para permitir a los fabricantes de chips crear circuitos integrados (IC) rápida y fácilmente, que sean compatibles con los estándares, y que estén listos para ser utilizados en una variedad de productos para el hogar inteligente.

STMicroelectronics ofrece el ST2100 STreamPlug que es un sistema en chip que integra un motor de hardware configurable capaz de admitir múltiples puertos HomePlug AV o HPGP. El dispositivo está diseñado para permitir una solución de un solo chip para varios casos de uso inteligente, como automatización doméstica, seguridad y carga de EV. Una CPU ARM®9 integrada proporciona suficiente potencia de procesamiento para albergar aplicaciones de carga inteligente y pilas de protocolos como IEC 61850 o DLMS/COSEM, según lo propuesto para comunicarse con sistemas de administración de redes inteligentes. Además, al estar diseñado desde el principio como un chip altamente integrado para aplicaciones inteligentes conectadas, también contiene un coprocesador criptográfico de hardware compatible con algoritmos como AES, DES/3DES e IPSec. Un puerto Ethernet integrado y un controlador LCD a color permiten que el dispositivo sea compatible con una gran proporción de funciones de carga de EV inteligentes sin dispositivos externos adicionales.

Afortunadamente, un extenso software está disponible como parte del kit de desarrollo de software (SDK), que incluye una capa de interfaz con el programador central, el software del sistema y el kernel de Linux. La capa de interfaz con el programador central proporciona interfaces de programación de aplicaciones (API) compatibles con el software del sistema, que implementa el MAC de HPGP y otros módulos. El kernel de Linux contiene controladores de dispositivos Linux para controlar las interfaces ST2100 y la plataforma de hardware como un todo.

Figura 5: Arquitectura del software ST2100.

La Figura 5 ilustra la arquitectura del software ST2100. La tecnología OK Linux admite la virtualización, lo que simplifica el desarrollo de aplicaciones al permitir que varias aplicaciones o sistemas operativos se ejecuten simultáneamente en el mismo procesador. Podría usarse un sistema operativo en tiempo real, por ejemplo, para alojar funciones sensibles a la latencia, mientras se beneficia de recursos de la comunidad de código abierto para facilitar el desarrollo de aplicaciones Linux.

Conclusión

Las preocupaciones ambientales y las políticas gubernamentales contra las emisiones se encuentran entre los factores que deberían alentar un cambio significativo hacia vehículos eléctricos conectables y reducir drásticamente la dependencia del motor de combustión interna. Desde el punto de vista del usuario, la carga puede ser simple y segura gracias a interfaces estandarizadas como SAE J1772 o IEC 61851-1.

Hacer que la carga sea inteligente es el siguiente paso necesario para superar el desafío que el uso generalizado de EV conectables presenta a la estabilidad de la red. Los protocolos de comunicación adecuados, como ISO/IEC 15118, HPGP e IEC 61850, ya están disponibles para admitir comunicaciones V2G de extremo a extremo que pueden ayudar a gestionar la demanda y equilibrar los flujos de energía, mientras que brindan beneficios adicionales a los usuarios de vehículos al proporcionar servicios de valor añadido.