Os veículos elétricos (EVs) estão remodelando a indústria automotiva em termos de sustentabilidade e tecnologia. Os VE não só estão a reduzir os gases com efeito de estufa e a dependência de combustíveis fósseis, como também estão a impulsionar a inovação em aerodinâmica, materiais leves, baterias, grupos motopropulsores, inversores, software, sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS), sistemas de carregamento, cabos e muito mais. mais.
Houve também avanços na eficiência, autonomia e custos dos veículos, com mais condutores do que nunca a considerar fazer a mudança e deixar para trás os seus veículos convencionais movidos a combustível. Embora grande parte desta decisão se reduza frequentemente à duração da bateria e à autonomia, uma inovação igualmente importante é a capacidade de “comunicação” do veículo.
Na verdade, grande parte da capacidade de funcionamento de um VE – desde a condução até ao carregamento – depende dos seus protocolos de comunicação eletrónica.
Figura 1. Carregamento de carro elétrico em uma central elétrica usando o sistema de carregamento combinado ou CCS, um protocolo padronizado de carregamento rápido.
Vários padrões de comunicação são usados em VEs ou para carregamento de veículos, incluindo:
- A maioria dos EVs depende do protocolo Controller Area Network (CAN) para comunicação entre componentes do veículo e sistemas externos.
- Os protocolos Modbus e Local Interconnect Network (LIN) são utilizados por alguns componentes auxiliares do veículo que não necessitam de comunicação de dados em tempo real.
- Protocolos como CHAdeMO e CCS têm um papel crucial no carregamento rápido.
- ISO15118 permite carregamento bidirecional e integração veículo-rede (V2G).
- Ethernet é uma solução completa para todas as comunicações de dados de alta largura de banda, como streaming de vídeo, sistemas de infoentretenimento e ADAS em veículos elétricos.
- Wi-Fi e Bluetooth permitem a integração de smartphones ou dispositivos em VEs
Vamos revisar esses padrões de comunicação com mais detalhes.
Rede de Área do Controlador (CAN)
CAN é o principal protocolo de comunicação usado na maioria dos veículos. Quase todos os fabricantes automotivos norte-americanos e europeus (70% globalmente) contam com a tecnologia de barramento CAN para gerenciamento de motor, sistemas de segurança e recursos de conforto. Quase todos os veículos de luxo e premium têm sistemas CAN totalmente integrados, e apenas alguns modelos econômicos ainda contam com LIN ou multiplexação.
CAN é a espinha dorsal da comunicação de todos os veículos modernos. Ele permite que diversas unidades de controle eletrônico (ECUs) – como o motor, o airbag e as unidades de controle do ABS – “conversem” entre si em tempo real, compartilhando informações essenciais para que o veículo funcione de maneira suave e segura. Também é usado em outras indústrias, incluindo aviação, aeroespacial, médica e automação industrial, principalmente porque é econômico, confiável e escalável.
Um barramento CAN utiliza apenas dois fios e troca dados em mensagens pequenas e priorizadas, garantindo que informações críticas, como sinais de freio ou airbag, não sejam atrasadas. CAN depende de acesso múltiplo com detecção de portadora com detecção de colisão (CSMA/CD), que permite que os dispositivos se revezem na transmissão, detecção e resolução de colisões para garantir a entrega de mensagens. O protocolo possui mecanismos integrados que garantem a integridade dos dados e a confiabilidade das mensagens.
Tal como acontece com os veículos convencionais movidos a combustível, o CAN nos EVs facilita a comunicação entre as ECUs, incluindo a unidade de controle (EVCU), o controlador do motor, o sistema de gerenciamento de bateria (BMS) e outros componentes vitais. Esses sistemas trocam dados continuamente, como tensão da bateria, corrente, temperatura, velocidade do motor e demandas de torque.
Por exemplo, o CAN fornece uma ligação vital entre o BMS e outros sistemas em VEs. O BMS monitora a integridade da bateria, a temperatura e a carga restante, comunicando essas informações à EVCU e ao motorista por meio do barramento CAN. Este barramento também facilita a comunicação entre a bateria, o sistema de refrigeração e a EVCU, ajudando a gerenciar a temperatura da bateria.
O CAN permite ainda que outros recursos de segurança, como frenagem regenerativa, controle de tração e controle eletrônico de estabilidade, funcionem de maneira eficaz. O barramento permite a comunicação em tempo real entre o sistema de freio e o controlador do motor para aplicar a frenagem regenerativa.
CAN também é essencial para a comunicação entre VEs e estações de carregamento e é usado por outros protocolos (como IEC 61851) para controle de fornecimento de energia, handshake e verificações de segurança durante o carregamento. Novas tecnologias de redes inteligentes, como o V2G, também utilizam o barramento para comunicar entre o VE e a rede. Com a sua ajuda, os VE otimizam a utilização de energia e regulam de forma inteligente a sua carga e descarga em resposta à procura da rede.
ISO 15118
A ISO 15118 é uma norma internacional que aborda a comunicação entre VEs e a infraestrutura de carregamento, permitindo a transferência de energia bidirecional e recursos de carregamento inteligentes. O objetivo é melhorar a segurança, agilizar o processo de carregamento e incentivar a integração da rede de veículos elétricos.
Ao estabelecer uma interface padronizada, a ISO 15118 também melhora a interoperabilidade entre fabricantes e estações de carregamento. O padrão incorpora dois componentes principais – o controlador de comunicação do veículo elétrico (EVCC) e o controlador de comunicação do equipamento de abastecimento (SECC). O EVCC é o controlador dentro do veículo que controla a comunicação com a estação de carregamento. SECC é o controlador da estação de carregamento responsável pela comunicação com o VE.
Usando o padrão, os VEs podem receber energia e enviá-la de volta à rede (V2G), apoiando a estabilidade da rede e o gerenciamento de energia. A ISO 15118 também ajuda a ajustar a cobrança com base nas condições da rede, nas preferências dos usuários e nas tarifas de energia, otimizando o uso e os custos de energia. Além disso, o protocolo suporta autenticação e pagamento automáticos utilizando certificados digitais, eliminando a necessidade de cartões RFID ou interações manuais. O protocolo utiliza TLS e assinaturas digitais para garantir a privacidade e integridade dos dados, protegendo contra acesso não autorizado ou adulteração.
Atualmente, a ISO 15118 ainda está em evolução, com novas funcionalidades e melhorias a serem adicionadas, pelo que a sua utilização tem sido limitada na produção de VEs. No entanto, espera-se que esta norma se torne a de fato para carregamento de veículos elétricos e integração com a rede. Provavelmente incorporará carregamento sem fio e recursos avançados de gerenciamento de energia no futuro.
CHAdeMO
CHAdeMO, “CHArging deMO”, é um padrão de carregamento rápido desenvolvido no Japão para EVs. Ele suporta carregamento por corrente alternada (CA) e corrente contínua (CC), permitindo o carregamento rápido do veículo. Em comparação com o carregamento CA generalizado em estações públicas ou em casa, utiliza um método único de corrente contínua (CC) que carrega as baterias de forma excepcionalmente rápida.
Embora muitas estações já funcionem com cerca de 50 kW, o CHAdeMO pode fornecer até 500 kW de eletricidade. Isso significa que a bateria de um EV pode ser carregada até 80% em apenas 30 minutos, em vez das típicas quatro a oito horas com carregamento CA. CHAdeMO é um padrão de carregamento rápido e contém recursos V2G (veículo para rede).
CHAdeMO foi amplamente adotado no Japão, China e Coreia do Sul. O padrão enfrenta a concorrência do padrão CCS bem estabelecido na Europa e na América do Norte. É improvável que o CHAdeMO seja adotado em larga escala na América do Norte. Na Europa, a norma é promovida por parcerias e projetos-piloto, mas a CCS ainda mantém a vantagem.
Sistema de carregamento combinado (CCS)
O CCS é um protocolo padronizado de carregamento rápido predominante na América do Norte e na Europa. Ele usa um conector de porta dupla exclusivo para acomodar plugues de carregamento CA e CC. Um VE equipado com CCS pode aceder a qualquer estação de carregamento compatível, independentemente das suas capacidades de potência, suportando níveis de potência que variam entre 20 e mais de 350 kW, dependendo da implementação específica. Níveis de potência mais elevados facilitam durações de carregamento aceleradas e o estabelecimento de infraestruturas de carregamento ultrarrápido.
O CCS depende de protocolos de comunicação padronizados entre um VE e a estação de carregamento. Esses protocolos incluem:
- ISO 15118 – para comunicação V2G
- IEC 61851 – para comunicação da estação de carregamento
- Protocolo de ponto de carregamento aberto (OCPP) – para gerir a comunicação entre estações de carregamento e sistemas de gestão central
- TCP/IP – para comunicação pela Internet e troca de dados entre um VE e a estação de carregamento durante autenticação, cobrança e monitoramento
- WebSocket – para comunicação full-duplex entre EV e estação de carregamento
A atual infraestrutura de carregamento CA pode ser usada com o padrão CCS devido à sua compatibilidade com versões anteriores. Isto implica que as estações de carregamento CA Tipo 2 ainda são compatíveis com veículos equipados com CCS. A compatibilidade com versões anteriores facilita a transição para CCS, permitindo uma integração gradual da infraestrutura de carregamento rápido CC de alta potência.
Modbus
Embora o Modbus seja um protocolo de comunicação industrial, a sua aplicação estende-se aos VEs. Onde o barramento CAN é usado para comunicação de dados entre componentes do veículo, o Modbus é usado para comunicação entre módulos específicos, como unidades de energia auxiliares, sistemas de refrigeração ou aquecedores de bateria.
O Modbus oferece uma solução simples e econômica para integração de componentes antigos com sistemas mais novos. O protocolo fornece uma maneira direta de acessar e analisar dados para avaliação de desempenho e solução de problemas. Tornou-se amplamente utilizado por engenheiros automotivos para conectar equipamentos de teste ou ferramentas de diagnóstico a componentes específicos em protótipos de EV. Muitas modificações ou complementos pós-venda para EVs (como sistemas de carregamento personalizados, medidores de monitoramento de bateria ou ferramentas de diagnóstico de desempenho) também usam Modbus para comunicação com os sistemas existentes de um veículo.
Um benefício do Modbus é que ele oferece comunicação confiável em longas distâncias. Tratores elétricos, equipamentos de construção ou caminhões pesados podem contar com o Modbus para se comunicar com dispositivos externos, como ferramentas de diagnóstico, sistemas de gerenciamento de carga ou acessórios especializados. No geral, o protocolo tem apenas um papel marginal nos VEs em comparação com o barramento CAN. O Modbus está limitado a componentes mais antigos, aplicações especializadas, pesquisa e desenvolvimento e modificações pós-venda. O barramento CAN continua sendo o padrão predominante para a maioria das comunicações e funcionalidades internas de um VE.
Rede de interconexão local (LIN)
LIN é um protocolo de comunicação serial simples para troca de dados de baixo custo entre microcontroladores de baixa potência em veículos. Embora o CAN continue a ser o principal padrão de comunicação para VEs, o LIN desempenha um papel de apoio, atendendo a funções básicas e sistemas legados.
Nos carros convencionais, o LIN controla fechaduras, janelas, espelhos, bancos e iluminação interna e envia comandos para os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado. O painel de instrumentos usa LIN para comunicar informações relacionadas ao nível de combustível, velocidade, luzes de advertência e dados básicos do sensor, como temperatura do líquido refrigerante ou pressão do ar. Nos VEs, o LIN tem um papel limitado.
Os modelos EV mais antigos usavam LIN para comunicação entre subsistemas como controles de assento, mecanismos de janela e iluminação interna. Como este protocolo é adequado apenas para aplicações de baixa velocidade, ele é usado por sistemas EV não críticos, como unidades de energia auxiliares, aquecedores de bateria ou comunicação de porta de carregamento. O LIN é ideal para tarefas que não exigem comunicação em tempo real. Alguns complementos ou modificações de pós-venda em EVs, como sistemas de iluminação personalizados, medidores de monitoramento de bateria ou ferramentas de diagnóstico de desempenho, também dependem do LIN.
Ethernet
A Ethernet é uma tecnologia proeminente em redes de computadores, cada vez mais presente nos VEs. A Ethernet fornece largura de banda significativamente maior do que qualquer protocolo automotivo, incluindo CAN. É excelente para lidar com grandes quantidades de dados com mais rapidez, tornando seus recursos de alta velocidade e largura de banda ideais para EVs.
Os ADASs usam Ethernet para analisar mais dados em tempo real, levando a um mapeamento ambiental mais preciso e a uma operação mais suave do veículo. Facilita a troca de dados entre câmeras, radares e outros sensores, permitindo respostas imediatas para evitar colisões, aviso de saída de faixa e controle de cruzeiro adaptativo. A Ethernet atende à troca de dados entre o BMS, motores elétricos e outros componentes para análise em tempo real da integridade e do desempenho da bateria, o que ajuda a maximizar a eficiência e minimizar os tempos de carregamento.
A Ethernet também funciona na comunicação V2X (veículo para tudo). Permite a comunicação carro-a-carro e carro-infraestrutura, permitindo que os VE partilhem informações sobre as condições do trânsito, estações de carregamento e perigos rodoviários, otimizando o fluxo de tráfego e reduzindo acidentes. O padrão é usado como protocolo de camada física na comunicação V2G e carregamento bidirecional.
A Ethernet facilita todas as atualizações over-the-air (OTA) para vários sistemas EV. Também é usado para comunicação entre carro e nuvem para diagnóstico remoto, atualizações de tráfego e resposta a emergências. Isto permite a avaliação em tempo real do desempenho do VE e a detecção precoce de potenciais problemas.
Tal como nos veículos convencionais, a Ethernet nos veículos elétricos é utilizada por sistemas de infoentretenimento para streaming de vídeo de alta resolução, conectividade mais rápida à Internet e atualizações over-the-air. Toda a troca de dados em alta velocidade entre o BMS, motores elétricos e outros componentes em veículos elétricos e híbridos é gerenciada pela Ethernet.
Bluetooth e Wi-Fi
Bluetooth e Wi-Fi são protocolos sem fio que facilitam a comunicação entre VEs e dispositivos externos como smartphones. O Bluetooth é usado para entrada e partida do veículo sem chave e travamento ou destravamento remoto do veículo. Muitos scanners OBD-II se conectam via Bluetooth, permitindo acesso a informações básicas do motor e da bateria por meio de telefone ou tablet.
O Bluetooth também conecta o smartphone ao veículo para chamadas mãos-livres seguras e convenientes enquanto você dirige. Ele permite transmitir músicas, podcasts e audiolivros do telefone para o sistema de áudio do veículo.
O Wi-Fi é normalmente usado para baixar e instalar as atualizações de software (OTA) para o EV, garantindo acesso aos recursos mais recentes e correções de bugs sem visitar uma concessionária. Graças ao Wi-Fi do veículo, os passageiros podem navegar na web, transmitir filmes e permanecer conectados enquanto dirigem. Os futuros EVs também podem potencialmente trocar com outros veículos e infraestruturas para melhorar o fluxo de tráfego, características de segurança e integração na rede.
Conclusão
A integração bem sucedida dos VE no panorama automóvel depende fortemente de protocolos de comunicação eficientes e padronizados. Da Controller Area Network (CAN) à inovadora comunicação bidirecional da ISO 15118 e às capacidades de carregamento de alta potência do CHAdeMO e CCS, estes protocolos contribuem coletivamente para a operação e evolução contínuas dos VEs.
À medida que a tecnologia continua a avançar, o papel dos protocolos de comunicação nos veículos eléctricos irá, sem dúvida, expandir-se, melhorando ainda mais o desempenho, a interoperabilidade e a experiência geral de condução.
