Los vehículos eléctricos (EV) están remodelando la industria automotriz en términos de sostenibilidad y tecnología. Los vehículos eléctricos no solo están reduciendo los gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles, sino que también están impulsando la innovación en aerodinámica, materiales livianos, baterías, sistemas de propulsión, inversores, software, sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), sistemas de carga, cables y más. más.
También ha habido avances en la eficiencia, la autonomía y los costos de los vehículos, y más conductores que nunca están considerando hacer el cambio y dejar atrás sus vehículos convencionales propulsados por combustible. Si bien gran parte de esta decisión a menudo se reduce a la duración y autonomía de la batería, una innovación igualmente importante es la capacidad de “comunicación” del vehículo.
De hecho, gran parte de la capacidad de funcionamiento de un vehículo eléctrico (desde conducir hasta cargar) depende de sus protocolos de comunicación electrónica.
Figura 1. Carga de coches eléctricos en una central eléctrica mediante el sistema de carga combinada o CCS, un protocolo estandarizado de carga rápida .
Se utilizan varios estándares de comunicación en los vehículos eléctricos o para la carga de vehículos, entre ellos:
- La mayoría de los vehículos eléctricos dependen del protocolo CAN (Controller Area Network) para la comunicación entre los componentes del vehículo y los sistemas externos.
- Algunos componentes auxiliares del vehículo utilizan los protocolos Modbus y Red de interconexión local (LIN) que no requieren comunicación de datos en tiempo real.
- Protocolos como CHAdeMO y CCS juegan un papel crucial en la carga rápida.
- ISO15118 permite la carga bidireccional y la integración del vehículo a la red (V2G).
- Ethernet es una solución completa para todas las comunicaciones de datos de gran ancho de banda, como transmisión de vídeo, sistemas de información y entretenimiento y ADAS en vehículos eléctricos.
- Wi-Fi y Bluetooth permiten la integración de teléfonos inteligentes o dispositivos en vehículos eléctricos
Repasemos estos patrones de comunicación con más detalle.
Red de área del controlador (CAN)
CAN es el principal protocolo de comunicación utilizado en la mayoría de los vehículos. Casi todos los fabricantes de automóviles norteamericanos y europeos (70 % a nivel mundial) confían en la tecnología de bus CAN para la gestión del motor, los sistemas de seguridad y las funciones de confort. Casi todos los vehículos de lujo y premium tienen sistemas CAN totalmente integrados, y sólo unos pocos modelos económicos todavía tienen LIN o multiplexación.
CAN es la columna vertebral de comunicación de todos los vehículos modernos. Permite que múltiples unidades de control electrónico (ECU), como las unidades de control del motor, la bolsa de aire y el ABS, “hablen” entre sí en tiempo real, compartiendo información esencial para mantener el vehículo funcionando sin problemas y de forma segura. También se utiliza en otras industrias, incluida la aviación, la aeroespacial, la médica y la automatización industrial, principalmente porque es rentable, confiable y escalable.
Un bus CAN utiliza solo dos cables e intercambia datos en mensajes pequeños y priorizados, lo que garantiza que la información crítica, como las señales de freno o bolsa de aire, no se retrase. CAN se basa en el acceso múltiple de detección de operador con detección de colisiones (CSMA/CD), que permite que los dispositivos se turnen para transmitir, detectar y resolver colisiones para garantizar la entrega de mensajes. El protocolo cuenta con mecanismos integrados que garantizan la integridad de los datos y la confiabilidad de los mensajes.
Al igual que con los vehículos convencionales que funcionan con combustible, el CAN en los vehículos eléctricos facilita la comunicación entre las ECU, incluida la unidad de control (EVCU), el controlador del motor, el sistema de gestión de la batería (BMS) y otros componentes vitales. Estos sistemas intercambian continuamente datos como el voltaje de la batería, la corriente, la temperatura, la velocidad del motor y las demandas de par.
Por ejemplo, CAN proporciona un vínculo vital entre el BMS y otros sistemas de los vehículos eléctricos. El BMS monitorea el estado de la batería, la temperatura y la carga restante, comunicando esta información a la EVCU y al conductor a través del bus CAN. Este bus también facilita la comunicación entre la batería, el sistema de refrigeración y la EVCU, ayudando a gestionar la temperatura de la batería.
CAN también permite que otras características de seguridad, como el frenado regenerativo, el control de tracción y el control electrónico de estabilidad, funcionen de manera efectiva. El bus permite la comunicación en tiempo real entre el sistema de frenos y el controlador del motor para aplicar el frenado regenerativo.
CAN también es esencial para la comunicación entre los vehículos eléctricos y las estaciones de carga y lo utilizan otros protocolos (como IEC 61851) para el control del suministro de energía, el protocolo de enlace y las comprobaciones de seguridad durante la carga. Las nuevas tecnologías de redes inteligentes, como V2G, también utilizan el bus para comunicarse entre el vehículo eléctrico y la red. Con su ayuda, los vehículos eléctricos optimizan el uso de energía y regulan inteligentemente su carga y descarga en respuesta a la demanda de la red.
ISO 15118
ISO 15118 es un estándar internacional que aborda la comunicación entre los vehículos eléctricos y la infraestructura de carga, permitiendo la transferencia de energía bidireccional y capacidades de carga inteligente. El objetivo es mejorar la seguridad, acelerar el proceso de carga y fomentar la integración de la red del vehículo eléctrico.
Al establecer una interfaz estandarizada, ISO 15118 también mejora la interoperabilidad entre fabricantes y estaciones de carga. El estándar incorpora dos componentes principales: el controlador de comunicaciones del vehículo eléctrico (EVCC) y el controlador de comunicaciones del equipo de abastecimiento de combustible (SECC). El EVCC es el controlador dentro del vehículo que controla la comunicación con la estación de carga. SECC es el controlador de la estación de carga responsable de comunicarse con el vehículo eléctrico.
Utilizando el estándar, los vehículos eléctricos pueden recibir energía y enviarla de regreso a la red (V2G), lo que respalda la estabilidad de la red y la gestión de la energía. ISO 15118 también le ayuda a ajustar la facturación según las condiciones de la red, las preferencias del usuario y las tarifas de energía, optimizando el uso y los costos de energía. Además, el protocolo admite autenticación y pago automáticos mediante certificados digitales, eliminando la necesidad de tarjetas RFID o interacciones manuales. El protocolo utiliza TLS y firmas digitales para garantizar la privacidad e integridad de los datos, protegiéndolos contra el acceso no autorizado o la manipulación.
Actualmente, la ISO 15118 sigue evolucionando, añadiéndose nuevas características y mejoras, por lo que su uso ha sido limitado en la producción de vehículos eléctricos. Sin embargo, se espera que este estándar se convierta en el estándar de facto para la carga de vehículos eléctricos y la integración en la red. Es probable que incorpore carga inalámbrica y funciones avanzadas de administración de energía en el futuro.
CHAdeMO
CHAdeMO, “CHArging deMO”, es un estándar de carga rápida desarrollado en Japón para vehículos eléctricos. Admite carga de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC), lo que le permite cargar rápidamente su vehículo. En comparación con la carga de CA generalizada en estaciones públicas o en el hogar, utiliza un método único de corriente continua (CC) que carga las baterías excepcionalmente rápido.
Mientras que muchas estaciones ya funcionan con unos 50 kW, CHAdeMO puede suministrar hasta 500 kW de electricidad. Esto significa que la batería de un vehículo eléctrico se puede cargar al 80% en sólo 30 minutos, en lugar de las típicas cuatro a ocho horas con carga de CA. CHAdeMO es un estándar de carga rápida y contiene capacidades V2G (vehículo a red).
CHAdeMO ha sido ampliamente adoptado en Japón, China y Corea del Sur. El estándar enfrenta la competencia del estándar CCS bien establecido en Europa y América del Norte. Es poco probable que CHAdeMO se adopte a gran escala en América del Norte. En Europa, el estándar se promueve a través de asociaciones y proyectos piloto, pero CCS aún mantiene la ventaja.
Sistema de carga combinado (CCS)
CCS es un protocolo de carga rápida estandarizado que prevalece en América del Norte y Europa. Utiliza un conector único de doble puerto para acomodar enchufes de carga de CA y CC. Un vehículo eléctrico equipado con CCS puede acceder a cualquier estación de carga compatible independientemente de su capacidad de energía, admitiendo niveles de potencia que van desde 20 hasta más de 350 kW, según la implementación específica. Los niveles de potencia más altos facilitan duraciones de carga aceleradas y el establecimiento de infraestructuras de carga ultrarrápidas.
CCS se basa en protocolos de comunicación estandarizados entre un vehículo eléctrico y la estación de carga. Estos protocolos incluyen:
- ISO 15118 – para comunicación V2G
- IEC 61851 – para comunicación con estaciones de carga
- Protocolo de punto de carga abierto (OCPP): para gestionar la comunicación entre las estaciones de carga y los sistemas de gestión central
- TCP/IP: para la comunicación por Internet y el intercambio de datos entre un vehículo eléctrico y la estación de carga durante la autenticación, la carga y el monitoreo.
- WebSocket: para comunicación full-duplex entre el vehículo eléctrico y la estación de carga
La infraestructura de carga de CA actual se puede utilizar con el estándar CCS debido a su compatibilidad con versiones anteriores. Esto implica que las estaciones de carga de CA tipo 2 siguen siendo compatibles con los vehículos equipados con CCS. La compatibilidad con versiones anteriores facilita la transición a CCS, lo que permite la integración gradual de la infraestructura de carga rápida de CC de alta potencia.
Modbus
Aunque Modbus es un protocolo de comunicación industrial, su aplicación se extiende a los vehículos eléctricos. Cuando el bus CAN se utiliza para la comunicación de datos entre componentes del vehículo, Modbus se utiliza para la comunicación entre módulos específicos, como unidades de energía auxiliar, sistemas de refrigeración o calentadores de batería.
Modbus ofrece una solución sencilla y rentable para integrar componentes heredados con sistemas más nuevos. El protocolo proporciona una manera sencilla de acceder y analizar datos para la evaluación del desempeño y la resolución de problemas. Los ingenieros automotrices lo utilizan ampliamente para conectar equipos de prueba o herramientas de diagnóstico a componentes específicos en prototipos de vehículos eléctricos. Muchas modificaciones o complementos del mercado de accesorios para vehículos eléctricos (como sistemas de carga personalizados, indicadores de monitoreo de batería o herramientas de diagnóstico de rendimiento) también utilizan Modbus para comunicarse con los sistemas existentes de un vehículo.
Un beneficio de Modbus es que proporciona comunicación confiable a largas distancias. Los tractores eléctricos, equipos de construcción o camiones pesados pueden confiar en Modbus para comunicarse con dispositivos externos como herramientas de diagnóstico, sistemas de gestión de carga o accesorios especializados. En general, el protocolo sólo tiene un papel marginal en los vehículos eléctricos en comparación con el bus CAN. Modbus se limita a componentes más antiguos, aplicaciones especializadas, investigación y desarrollo y modificaciones posventa. El bus CAN sigue siendo el estándar predominante para la mayoría de las comunicaciones y funciones internas de un vehículo eléctrico.
Red de Interconexión Local (LIN)
LIN es un protocolo de comunicación serie simple para el intercambio de datos de bajo costo entre microcontroladores de baja potencia en vehículos. Si bien CAN sigue siendo el principal estándar de comunicación para los vehículos eléctricos, LIN desempeña un papel de apoyo y cumple funciones básicas y sistemas heredados.
En los automóviles convencionales, el LIN controla cerraduras, ventanas, espejos, asientos e iluminación interior y envía comandos a los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. El grupo de instrumentos utiliza LIN para comunicar información relacionada con el nivel de combustible, la velocidad, las luces de advertencia y datos básicos de los sensores, como la temperatura del refrigerante o la presión del aire. En los vehículos eléctricos, el LIN tiene un papel limitado.
Los modelos de vehículos eléctricos más antiguos utilizaban LIN para comunicarse entre subsistemas como controles de asientos, mecanismos de ventanas e iluminación interior. Debido a que este protocolo solo es adecuado para aplicaciones de baja velocidad, lo utilizan sistemas EV no críticos, como unidades de energía auxiliar, calentadores de batería o comunicación del puerto de carga. LIN es ideal para tareas que no requieren comunicación en tiempo real. Algunos complementos o modificaciones del mercado de accesorios para vehículos eléctricos, como sistemas de iluminación personalizados, indicadores de monitoreo de batería o herramientas de diagnóstico de rendimiento, también dependen del LIN.
Ethernet
Ethernet es una tecnología destacada en las redes informáticas, cada vez más presente en los vehículos eléctricos. Ethernet proporciona un ancho de banda significativamente mayor que cualquier protocolo automotriz, incluido CAN. Es excelente para manejar grandes cantidades de datos más rápido, lo que hace que sus capacidades de alta velocidad y ancho de banda sean ideales para vehículos eléctricos.
Los ADAS utilizan Ethernet para analizar más datos en tiempo real, lo que genera mapas ambientales más precisos y un funcionamiento más fluido del vehículo. Facilita el intercambio de datos entre cámaras, radares y otros sensores, permitiendo respuestas inmediatas para evitar colisiones, aviso de cambio de carril y control de crucero adaptativo. Ethernet admite el intercambio de datos entre el BMS, los motores eléctricos y otros componentes para el análisis en tiempo real del estado y el rendimiento de la batería, lo que ayuda a maximizar la eficiencia y minimizar los tiempos de carga.
Ethernet también funciona en comunicación V2X (vehículo a todo). Permite la comunicación entre vehículos y entre vehículos e infraestructura, lo que permite a los vehículos eléctricos compartir información sobre las condiciones del tráfico, las estaciones de carga y los peligros en la carretera, optimizando el flujo de tráfico y reduciendo los accidentes. El estándar se utiliza como protocolo de capa física en comunicación V2G y carga bidireccional.
Ethernet facilita todas las actualizaciones inalámbricas (OTA) para múltiples sistemas EV. También se utiliza para la comunicación entre el automóvil y la nube para diagnósticos remotos, actualizaciones de tráfico y respuesta de emergencia. Esto permite una evaluación en tiempo real del rendimiento de los vehículos eléctricos y la detección temprana de problemas potenciales.
Al igual que en los vehículos convencionales, los sistemas de información y entretenimiento utilizan Ethernet en los vehículos eléctricos para la transmisión de vídeo de alta resolución, una conectividad a Internet más rápida y actualizaciones inalámbricas. Todo el intercambio de datos de alta velocidad entre el BMS, los motores eléctricos y otros componentes de los vehículos eléctricos e híbridos se gestiona a través de Ethernet.
Bluetooth y Wi-Fi
Bluetooth y Wi-Fi son protocolos inalámbricos que facilitan la comunicación entre los vehículos eléctricos y dispositivos externos como los teléfonos inteligentes. Bluetooth se utiliza para la entrada y el arranque del vehículo sin llave y para el bloqueo o desbloqueo remoto del vehículo. Muchos escáneres OBD-II se conectan a través de Bluetooth, lo que le permite acceder a información básica del motor y la batería a través de su teléfono o tableta.
Bluetooth también conecta su teléfono inteligente a su vehículo para realizar llamadas con manos libres de manera segura y conveniente mientras conduce. Le permite transmitir música, podcasts y audiolibros desde su teléfono al sistema de audio de su vehículo.
El Wi-Fi se utiliza normalmente para descargar e instalar actualizaciones de software (OTA) para el vehículo eléctrico, lo que garantiza el acceso a las últimas funciones y correcciones de errores sin visitar un concesionario. Gracias al Wi-Fi del vehículo, los pasajeros pueden navegar por Internet, ver películas y mantenerse conectados mientras conducen. Los futuros vehículos eléctricos también pueden intercambiarse con otros vehículos e infraestructura para mejorar el flujo de tráfico, las características de seguridad y la integración de la red.
Conclusión
La integración exitosa de los vehículos eléctricos en el panorama automotriz depende en gran medida de protocolos de comunicación eficientes y estandarizados. Desde la Red de Área del Controlador (CAN) hasta la innovadora comunicación bidireccional de ISO 15118 y las capacidades de carga de alta potencia de CHAdeMO y CCS, estos protocolos contribuyen colectivamente al funcionamiento continuo y la evolución de los vehículos eléctricos.
A medida que la tecnología siga avanzando, el papel de los protocolos de comunicación en los vehículos eléctricos sin duda se ampliará, mejorando aún más el rendimiento, la interoperabilidad y la experiencia de conducción en general.
