Protokoły komunikacyjne infrastruktury ładowania aut elektrycznych

Protokołów i standardów na potrzeby infrastruktury ładowania aut elektrycznych opracowano do tej pory wiele. Niektóre mają znaczenie wyłącznie lokalne, inne zasięg globalny. Dalej przedstawiamy te najpopularniejsze, a następnie wybrany z nich opisujemy bardziej szczegółowo.

OCPP (Open Charge Point Protocol) to protokół komunikacji pomiędzy ładowarkami a centralnym systemem zarządzania. Pozwala na m.in.: zdalne sterowanie stacjami ładowania, aktualizacje ich oprogramowania układowego, dostęp do informacji o sesji. Do tej pory opublikowano kilka wersji OCPP, z których najnowsza to 2.0.1.

IEC 61851 to międzynarodowy standard dla systemów ładowania aut elektrycznych. Zdefiniowano w nim komunikację pomiędzy pojazdami elektrycznymi a stacjami ładowania podczas ładowania prądem przemiennym. Wymianę danych między autami elektrycznymi a ładowarkami standaryzuje także międzynarodowa norma ISO 15118. Scharakteryzowano w niej zaawansowane funkcje, takie jak PnC (Plug and Charge) oraz V2G (Vehicle To Grid). Pierwsza z nich polega na automatycznym rozpoczęciu ładowania natychmiast po podłączeniu samochodu do ładowarki. To zwiększa wygodę użytkowania i skraca czas ładowania. V2G to ładowanie dwukierunkowe. Umożliwia podłączenie auta elektrycznego do sieci energetycznej zarówno w celu pobierania, jak i oddawania prądu.

CHAdeMO to z kolei standard ładowania prądem stałym, opracowany w Japonii i implementowany głównie w samochodach elektrycznych japońskich marek. Obsługuje zarówno szybkie ładowanie, jak i ładowanie dwukierunkowe.

CCS, OCPI, OpenADR

CCS (Combined Charging System) to standard szybkiego ładowania prądem stałym, który wspiera wielu czołowych producentów samochodów (m.in. BMW, Ford, Tesla). Zestandaryzowano w nim złącza szybkiego ładowania prądem stałym i przemiennym w jednym porcie pojazdu.

Tesla Supercharger to zastrzeżony protokół szybkiego ładowania prądem stałym opracowany przez firmę Tesla. Obecnie kompatybilne z nim są tylko pojazdy tej marki.

OCPI (Open Charge Point Interface) to protokół, który umożliwia obsługę usługi roamingu między różnymi sieciami stacji ładowania. Dzięki niemu kierowcy pojazdów elektrycznych mogą korzystać ze stacji ładowania różnych operatorów w ramach jednej subskrypcji.

OpenADR (Automated Demand Response) to standard komunikacji pomiędzy przedsiębiorstwami energetycznymi a ich klientami w celu dostosowania podaży energii elektrycznej do rzeczywistego zapotrzebowania na nią. W przypadku samochodów elektrycznych pozwala na wybranie czasu ich ładowania w okresach niskiego popytu na energię elektryczną, żeby dodatkowo nie obciążać sieci.

OICP, eMIP, OSCP, OCHP

OICP (Open InterCharge Protocol) to z kolei protokół zarządzany przez Hubject, międzynarodową platformę eRoamingową wspieraną przez czołowe firmy, jak BMW, Bosch, Siemens i Volkswagen.

Opracowano go w celu zwiększenia interoperacyjności infrastruktury ładowania i usług dla pojazdów elektrycznych. OICP jest używany głównie w Europie i umożliwia wymianę informacji pomiędzy różnymi operatorami stacji ładowania i dostawcami usług e-mobilności.

eMIP (eMobility Interoperation Protocol) to kolejny protokół do obsługi roamingu usług ładowania między różnymi sieciami. Przewiduje wykorzystanie bazy danych punktów ładowania i autoryzację sesji ładowania przez wymianę tokenów pomiędzy systemem rozliczeniowym a tym do zarządzania ładowaniem.

OSCP (Open Smart Charging Protocol) to otwarty standard komunikacji między stacjami ładowania pojazdów elektrycznych a systemami zarządzania i komponentami sieci energetycznej. Umożliwia inteligentne ładowanie w zależności od rzeczywistego zapotrzebowania na energię elektryczną i aktualnego obciążenia sieci.

Protokół OCHP (Open Clearing House Protocol) jest otwartym standardem sieci ładowania aut elektrycznych. Umożliwia roaming i rozliczenia między różnymi operatorami ładowarek. OCHP zapewnia kierowcom pojazdów elektrycznych dostęp do stacji ładowania różnych operatorów przy użyciu jednej metody uwierzytelniania i płatności.

Standardy europejskie

Niektóre standardy zyskały szczególną popularność w Europie. Przykładem jest IEC 62196. Jest to norma międzynarodowa, która ma ogromne znaczenie w Europie. Zdefiniowano w niej złącza do ładowania pojazdów elektrycznych. Te typu 2, scharakteryzowane w tym standardzie, są najczęściej używanymi złączami w autach elektrycznych na naszym kontynencie.

Podobnie norma IEC 61851, która jest stosowana na całym świecie, ma szczególne znaczenie w Europie. Zdefiniowano w niej system ładowania przewodowego pomiędzy ładowarką a pojazdem elektrycznym, w tym funkcje sterowania i komunikacji cyfrowej.

EN 50604 to z kolei europejska norma, która określa wymagania bezpieczeństwa dla wymiennych baterii litowych w lekkich pojazdach elektrycznych. EN 50498 to też europejski standard, dotyczący urządzeń zainstalowanych w pojazdach elektrycznych przeznaczonych do interakcji z kierowcą. Obejmuje wymagania dla interfejsu użytkownika stacji ładowania pojazdów elektrycznych.

Warto wspomnieć o dyrektywie 2014/94/UE. Określono w niej minimalne wymagania dotyczące wdrażania infrastruktury paliw alternatywnych w Europie, w tym stacji ładowania samochodów elektrycznych. W dokumencie promowane są wspólne standardy i interoperacyjność w celu ułatwienia rozwoju infrastruktury ładowania aut elektrycznych.

Protokół OCPP

OCPP to otwarty protokół, który umożliwia komunikację i zarządzanie infrastrukturą ładowania aut elektrycznych. Zapewnia interoperacyjność między różnymi ładowarkami i systemami centralnymi, niezależnie od producenta lub typu stacji ładowania. Dzięki OCPP operatorzy punktów ładowania mogą zdalnie monitorować swoje ładowarki, autoryzować dostęp do nich, skonfigurować sprzęt, zaktualizować oprogramowanie układowe i zintegrować różne systemy płatności i rozliczeń.

Pierwszą wersję OCPP, OCPP 1.0, wydano w 2010 roku. Skupiała się na zapewnieniu podstawowej komunikacji między ładowarkami a systemami centralnymi. W 2013 roku powstało Open Charge Alliance (OCA), które zarządza tym standardem. Na przestrzeni lat OCPP ewoluował. Cyklicznie publikowano nowe wersje: OCPP 1.2 (2012), OCPP 1.5 (2015), OCPP 2.0 (2018) oraz OCPP 2.0.1 (2020). W każdej rozszerzano możliwości obsługi różnych typów stacji ładowania oraz ulepszano zabezpieczenia.

 

Rys. 1. OCPP to protokół komunikacji pomiędzy stacjami ładowania a centralnym systemem zarządzania

Jakie są zalety OCPP?

OCPP jest obecnie powszechnie uznawany za standard branżowy. Zyskał popularność ze względu na szereg korzyści, jakie zapewnia. Są to:

• interoperacyjność i kompatybilność: dzięki OCPP ładowarki różnych producentów mogą się komunikować z systemami zarządzania ładowaniem i między sobą, niezależnie od sprzętu i oprogramowania, na którym się opierają; zapewnia to skalowalność oraz elastyczność sieci ładowarek, w które operatorzy mogą ze sobą łączyć różne urządzenia, bez obaw o problemy ze zgodnością,
• ulepszone zarządzanie i monitorowanie: umożliwia zdalne monitorowanie, kontrolowanie i zarządzanie stacjami ładowania; operatorzy mogą na odległość uruchamiać i zatrzymywać sesje ładowania, monitorować zużycie energii i rozliczenia oraz rozwiązywać problemy w czasie rzeczywistym,
• ulepszona obsługa klienta: ułatwia operatorom zarządzanie kontami klientów i rozliczeniami oraz oferuje szereg opcji płatności, upraszczając korzystanie ze stacji ładowania; ułatwia też tworzenie aplikacji dla kierowców, które usprawniają proces wyszukiwania stacji, uzyskiwania dostępu i płacenia za usługi ładowania pojazdów elektrycznych,
• oszczędności: zmniejsza potrzebę ręcznej konserwacji; pozwala gromadzić informacje na temat wzorców użytkowania (pora dnia, czas trwania sesji ładowania), żeby dostosowywać plany cenowe do konkretnych grup klientów; obsługuje dynamiczne dopasowywanie cen w czasie rzeczywistym do aktualnego popytu, kosztów energii, obciążenia, ograniczeń dostaw energii,
• bezpieczeństwo: zapewnia funkcje bezpieczeństwa, takie jak szyfrowanie i uwierzytelnianie, chroniące przed nieautoryzowanym dostępem albo manipulacją danymi; jako rozwiązanie open source ewoluuje, opierając się zawsze na aktualnych technologiach i standardach.

Jak działa OCPP?

Protokół OCPP rozróżnia klienta i serwer. Pierwszy to fizyczna stacja ładowania aut elektrycznych. Może mieć jedno albo więcej złączy. Dostarcza informacje o dostępności, stanie sesji ładowania, zużyciu energii. Funkcję serwera pełni system zarządzania punktami ładowania. Komunikuje się on ze stacjami w celu monitorowania i zarządzania sesjami ładowania oraz zbierania danych o zużyciu energii i rozliczeniach. Wyróżnia się dwa typy implementacji OCPP: w oparciu na SOAP i JSON.

SOAP (Simple Object Acess Protocol) do reprezentacji danych wykorzystuje format XML, przez co jest mniej odpowiedni dla stacji ładowania z niestabilnym połączeniem internetowym. Wynika to stąd, że rozmiar komunikatów XML może powodować opóźnienia i przekroczenia limitu czasu, co utrudnia komunikację w czasie rzeczywistym. SOAP wymaga też, by zarówno stacja ładowania, jak i system zarządzania pracowały jako serwery w celu ułatwienia komunikacji dwukierunkowej. To z kolei utrudnia obsługę kilku stacji za routerem, ponieważ każda wymagałaby unikalnego adresu IP. To może być kosztowne.

JSON (JavaScript Object Notation) to natomiast lekki i elastyczny format wymiany danych. Jest łatwiejszy do odczytu i zapisu niż XML. Opiera się na protokole HTTP i wykorzystuje websocket, co umożliwia dwukierunkową komunikację z tylko jednym serwerem.

 

Rys. 2. Przykładowe operacje w ramach protokołu OCPP

Główne koncepcje OCPP

Najważniejsze koncepcje zaimplementowane w protokole OCPP to:

• profile: definiują sposób, w jaki stacje ładowania i systemy zarządzania się komunikują; obejmują wymieniane wiadomości, ich format oraz obsługiwane funkcjonalności; dostępne są następujące profile: główny, zarządzania listą uwierzytelniania lokalnego, zarządzania oprogramowaniem układowym, zdalny, rezerwacji, inteligentnego ładowania;
• wiadomości: jednostka danych przesyłana pomiędzy punktem ładowania a centralnym systemem zarządzania podczas sesji ładowania; każdy komunikat ma określony format i cel; podczas sesji ładowania może być wymienianych wiele wiadomości,
• typy danych: określają format i strukturę danych przesyłanych między punktem ładowania a centralnym systemem zarządzania; popularne typy danych to: tekst, liczba, wartości logiczne, data-czas, typ wyliczeniowy,
• klucze konfiguracyjne: definiują ustawienia i parametry punktu podczas sesji ładowania; są to na przykład: stawki ładowania, maksymalne limity mocy i wymagania autoryzacyjne; każdy profil zawiera zestaw wstępnie zdefiniowanych kluczy, które może zmieniać punkt ładowania albo centralny system zarządzania,
• przypadki użycia: konkretne scenariusze albo zachowania, które protokół ma obsługiwać, opisujące pożądane zachowanie punktu ładowania i centralnego systemu na różnych etapach sesji ładowania; przykłady przypadków użycia to: rozpoczęcie transakcji, jej zatrzymanie, jej zdalne rozpoczęcie,
• przypadki testowe: wszystkie profile zawierają zestaw zdefiniowanych scenariuszy, które można wykorzystać do weryfikacji danej implementacji.

Bloki funkcjonalne OCPP

Najnowsza wersja protokołu, OCPP 2.0.1, została podzielona na kilka bloków funkcjonalnych, z których każdy zawiera zestaw przypadków użycia i wymagań dla tego bloku. Są to:

• blok specyfikacji bezpieczeństwa dla protokołu OCPP,
• umożliwiający rejestrację stacji ładowania w sieci oraz pobieranie podstawowych informacji konfiguracyjnych na jej temat,
• obsługujący autoryzację,
• zarządzający listą autoryzacji lokalnych,
• obsługujący transakcje,
• opisujący przypadki użycia zdalnego zarządzania z poziomu systemu centralnego: zdalne sterowanie transakcjami, odblokowywanie złącza, zdalne wyzwalanie,
• charakteryzujący funkcjonalność wysyłania wiadomości powiadomień o stanie,
• opisujący funkcję rezerwacji stacji ładowania,
• dostarczający kierowcy pojazdu elektrycznego informacje o taryfie (zanim ładowanie się rozpocznie) i kosztach (aktualizowanych, w trakcie ładowania i tym całkowitym, po jego zakończeniu), o ile stacja ładowania jest w stanie je wyświetlić,
• blok pomiarowy,
• inteligentnego ładowania,
• aktualizacji oprogramowania układowego stacji ładowania,
• instalacji i aktualizacji certyfikatów ISO 15118,
• umożliwiający centralnemu systemowi zarządzania żądanie i śledzenie przesyłania pliku diagnostycznego ze stacji ładowania i zarządzanie monitorowaniem jej danych,
• pozwalający centralnemu systemowi na zarządzanie wyświetlaniem (zastępowanie, dodawanie, usuwanie) wiadomości na stacji ładowania,
• blok niestandardowych rozszerzeń OCPP.

OCPP w praktyce

Istnieją dwa podejścia do wdrażania OCPP. Można stworzyć własną implementację protokołu, co wymaga doświadczonego zespołu programistów do opracowania jej od podstaw albo wybrać gotowe rozwiązanie. Decydując się na to pierwsze, zyskujemy większą kontrolę i możliwość dostosowania do specyficznych wymagań. Z drugiej strony liczyć się trzeba z wieloma trudnościami, ponieważ wymagane jest dogłębne zrozumienie złożoności różnych przypadków użycia, licznych standardów i lokalnych przepisów rynkowych dotyczących branży ładowania aut elektrycznych.

Tymczasem gotowe rozwiązania obejmują różne modele biznesowe i przypadki użycia, ułatwiając znalezienie tego odpowiadającego konkretnym potrzebom. Zapewniają przykładowo elastyczne opcje taryfowe, które pozwalają operatorom sieci ustalać ceny na podstawie czynników, takich jak czas użytkowania lub okresy szczytowego zapotrzebowania. Pomaga im to maksymalizować przychody, zapewniając jednocześnie uczciwe ceny dla klientów. Generalnie gotowe implementacje protokołu OCPP pozwalają zaoszczędzić czas i zasoby, a także zapewniają dostęp do zaawansowanych funkcji, które są niezbędne do osiągnięcia sukcesu w tej szybko rozwijającej się branży.

Monika Jaworowska