EFLEET: Inteligencia y Eficiencia Energética en la gestión integral de flotas de vehículos eléctricos y de combustión interna

Comunicación presentada al I Congreso Ciudades Inteligentes:

Autores

• Francisco José Viejo Payán, R&D Project Manager, AYESA (Smart Solutions Area)
• Manuel Rodríguez Urbina, Smart City and Transportation Director, AYESA (Smart Solutions Area)

Resumen

eFleet es una solución SaaS para la gestión de flotas de vehículos, tanto eléctricos como de combustión interna, equipados con sistemas de seguimiento por GPS con lectura de CAN-BUS. eFleet provee a sus usuarios de instrumentos que permitan planificar y gestionar la operación de la flota mediante: Localización y sensorización del vehículo en tiempo real, Predicción de consumos a priori y en ruta, Planificación óptima de recargas, Telecontrol de la infraestructura de recarga, Control de consumo y seguridad, Soluciones de movilidad y Aplicación de técnicas de Data Mining para dar soporte a decisiones estratégicas. El uso de eFleet se traducirá en una mayor eficiencia energética y económica, impulsando la protección medioambiental.

Introducción

Los paradigmas de la sociedad actual se encuentran cuestionados desde distintas esferas. El ritmo actual de crecimiento de la economía, el consumo exponencial de fuentes de energía y la dependencia de la electricidad de la sociedad digital obligan a replantear, no solamente los modelos en que los distintos mercados se encuentran estructurados, sino algunos de los principales pilares socioeconómicos.

Un pilar básico de referencia en los usos y costumbres es la movilidad. El modelo actual supone una carga de emisiones de CO2 y consumo de energía que es insostenible e ineficiente, por lo que es crítico que éste se replantee para poder garantizar la libre circulación a toda la comunidad a corto y largo plazo.

Durante años se ha empleado una ingente cantidad de recursos para el desarrollo y producción en masa de FEVs (Full Electric Vehicles), posibilitando que, hoy en día, sean ya una realidad en las calles. La revolución del FEV está en marcha, y es necesario desarrollar productos que faciliten su uso y aumenten sus beneficios ambientales y económicos.

La tecnología para la electrificación del automóvil ya está lista y es viable (Foley et. al, 2010). La integración en los vehículos de las nuevas baterías de ion-litio que utilizan los teléfonos móviles y ordenadores portátiles ha permitido doblar la autonomía para llegar a los 150 kilómetros de media (alcanzando en algunos modelos más de 300 kilómetros), distancia suficiente para cubrir los recorridos diarios que hacen más del 70% de los conductores en los países desarrollados (según el estudio “El impacto económico del vehículo eléctrico en la economía española”). En opinión de los expertos, la autonomía de las baterías aumentará entre un 20% y un 30% cada cinco años, mientras que los precios se reducirán en torno al 50% en el mismo período. Además, se están desarrollando nuevas soluciones, como las baterías de ion-polímero o de grafeno, que permitirán superar con creces los 300 kilómetros de autonomía.

Los Vehículos Eléctricos (en adelante, FEVs, Full Electric Vehicles) están llegando a empresas de flotas y organismos públicos, que pueden hacer las recargas en sus bases y rentabilizar su elevado precio con el menor coste de uso. La electricidad para recorrer 100 kilómetros cuesta 1,5 euros en España, frente a los 5 o 6 euros de los coches híbridos y turbodiésel más eficientes.

Esta creciente tendencia ha conllevado la generación de infraestructuras que den soporte a las exigencias propias de FEVs, tanto a nivel de carga como de mantenimiento. El incremento sustancial de los puntos de carga y la variedad de los mismos, crean la necesidad de una gestión específica e inteligente para las flotas de FEVs.

Descripción de la solución

La introducción de FEVs en las flotas de empresas es ya una realidad, si bien es cierto que, por el momento, el porcentaje de FEVs es muy inferior al de los vehículos propulsados por combustibles fósiles.

Por otro lado, el mapa español de electrolineras está aún por debajo del porcentaje considerado necesario para una gestión normalizada de las recargas, lo que, unido al hecho de que los tiempos de recargas son altos, obliga al uso de las electrolineras casi únicamente como puntos de recarga de emergencia. Por tanto, se impone como necesaria la racionalización de las necesidades de carga diaria de los vehículos, con el fin de asegurar la carga completa en instalaciones de recarga propias.

Sin embargo, existen factores que no facilitan una rápida inmersión del FEV en el mercado, a saber: la resistencia al cambio, el desconocimiento real de las posibilidades de este tipo de vehículos, el temor a que la batería del vehículo pueda descargarse durante una ruta, la diferencia de rendimiento frente a los vehículos tradicionales, etc. Este proyecto disipa las dudas sobre este desconocimiento de las necesidades de recarga, mediante el desarrollo de una plataforma tecnológica que disminuye los obstáculos derivados de los elevados tiempos de recarga, compensando este hándicap con una gestión inteligente de los recursos y los tiempos.

En el siguiente diagrama se ilustra el conjunto de los diferentes módulos que componen el sistema, así como las interacciones que se producen entre ellos.

eFleet da cobertura a tres necesidades principales, descrita en los siguientes subapartados:

Gestión de la flota adaptada a necesidades de FEVs

Los FEVs tienen características propias asociadas a su tecnología que los sistemas actuales no contemplan, y que sí han sido consideradas en este proyecto. Dichos datos del FEV a tener en cuenta incluyen el estado de carga de la batería, el consumo (KW/H), la autonomía, los ciclos de carga, temperaturas de las baterías, etc. Son parámetros éstos que, junto con datos derivados de la localización GPS (como la velocidad, la posición geográfica, el rumbo o la pendiente de la vía), permiten tener en cada momento una visión completa del FEV dentro de la flota.

Así, se ha implementado un gestor de flotas que contempla las necesidades específicas de los FEV, así como la sensorización y telemedida de los mismos. De este modo, se realiza un control más exhaustivo de puntos como las condiciones de conducción eficiente o parámetros externos e internos sensorizados, que optimizan el uso y la vida de la batería de los FEV.

Gestión de las necesidades de recarga de estos vehículos

El sistema está basado en la estimación del consumo de los vehículos y el conocimiento de la capacidad energética almacenada en cada momento, como datos necesarios para implementar algoritmos que permiten conocer las necesidades de recarga de la flota en su conjunto, optimizando el tiempo y los recursos.

Por tanto, el conocimiento previo de las necesidades diarias de cada vehículo, a través de los algoritmos desarrollados, permite optimizar el uso las infraestructuras de recarga, minimizando el número de estaciones de repostaje necesarias, así como la posibilidad de conocer el estado de la batería, que permite también generar alarmas de recarga de forma anticipada.

Eficiencia energética en la gestión de la infraestructura de recarga

A través del desarrollo de un sistema inteligente, se consigue administrar la recarga de los vehículos de la flota, optimizando la utilización de los tiempos y las  infraestructuras de recarga, consiguiendo aumentar los beneficios económicos  y, a la vez, asegurando la recarga de cada vehículo de acuerdo a sus necesidades en cada momento (de sus rutas planificadas), disminuyendo las incertidumbres y reticencias de los usuarios respecto del uso de estos vehículos.

De esta forma, se establece el objetivo de planificar las recargas de los vehículos  en momentos en los que se pueda minimizar el coste energético, para lo cual se prioriza la realización de recargas en los periodos de menor demanda energética y, por ende, de menor coste.

Además del envío de datos mediante el AVL, se dispone de aplicaciones móviles que posibilitan el envío de los datos del FEV a través de un Smartphone, reduciendo los costes de operación necesario para las comunicaciones.

Este modelo de gestión está actualmente a prueba en un proyecto piloto, cuya duración será de unos nueve meses, y que cuenta con la colaboración de la flota de FEVs del grupo AYESA. Dicho piloto está permitiendo comprobar todos los productos desarrollados dentro eFleet y la interacción entre ellos, haciendo posible una mejora continua de los productos con las conclusiones resultantes del análisis de esta experiencia.

Metodología

En AYESA se entiende que la eficiencia y eficacia necesarias para alcanzar un nivel óptimo de calidad de los trabajos y servicios ofertados, deben tener como objetivos la obtención de respuestas rápidas, flexibles y operativas ante las demandas realizadas por parte del cliente y/o el mercado. Por tanto, se cree que la confluencia de las más eficaces metodologías para alcanzar estos objetivos.

Así, en este proyecto se ha empleado una metodología propia, basada en la adaptación de la metodología ágil Scrum, apoyada en las mejores prácticas en la gestión de proyectos recomendadas por el PMI (Project Management Institute).

Las prácticas ágiles, cada vez más extendidas, están especialmente indicadas en proyectos donde se necesita obtener resultados visibles a corto plazo, donde los requisitos pueden ser cambiantes y donde la innovación, la competitividad y la productividad son fundamentales.

La integración continua, estandarización de código, el uso de herramientas de automatización (en particular para las pruebas del software) son algunas buenas prácticas relacionadas con este enfoque ágil, y el uso de las mismas, siempre recomendable, ha redundado en beneficio de este proyecto.

Resultados y datos obtenidos

Ante las necesidades planteadas en lo referente a movilidad eléctrica, se ha hecho necesaria una labor de I+D con el objetivo de concebir un conjunto de prototipos que sean capaces de responder a los retos tecnológicos y funcionales específicos que plantea el proyecto.

De esta forma, durante el desarrollo del proyecto EFLEET se ha llevado a cabo una amplia labor de investigación, fruto de la cual se han obtenido como resultado los siguientes incrementos científicos y tecnológicos:

• Gestión avanzada de flotas. Implementación de una gestión integral de flotas de FEVs, con dispositivos avanzados y adaptados a sus necesidades (dispositivos embarcados, sensores, dispositivos de movilidad) e infraestructuras asociadas.
• Monitorización de FEVs de la flota. Los sistemas desarrollados permiten conocer tanto la ubicación de los vehículos incluidos en el sistema, como los valores de los parámetros implicados en el consumo, añadiendo un valor extra a la gestión de la recarga.
• Gestión inteligente de recarga. El crecimiento esperado del número de FEVs causará un impacto significativo en la capacidad de las redes, provocando nuevas necesidades. Es una oportunidad para profundizar en técnicas de Smart Grid (Gungor et. al, 2011) para la gestión del consumo eléctrico causado por estos vehículos. El proyecto trabaja sobre estas cuestiones en dos ámbitos: uno para  desplazar la mayor demanda eléctrica debida a recarga de VE a horas valle, y el otro para asociar el consumo a la generación, sobre todo en el caso de fuentes renovables (Asín Muñoa, 2012).
• Plataforma de integración. Se ha desarrollado una plataforma de integración para la gestión segura, estandarizada, independiente e inteligente de la información entre los diferentes componentes tecnológicos que conforman el ecosistema eFleet. La elección de esta estructura como medio de gestión de la información, se realiza pensando tanto en la comunicación segura de datos entre un gran número de elementos de diferentes sistemas, como en los beneficios a futuro en la evolución y mantenimiento del sistema, derivados de la estandarización de las comunicaciones y la independencia tecnológica de unos sistemas respecto de otros.
• Tecnología multiposte. La mayoría de los FEV actuales incorporan baterías de Litio, y la capacidad instalada en el FEV va de 15 a 30kWh, normalmente. Por otro lado, el tiempo de carga puede estar limitado por la capacidad de la conexión a la red, que puede ser tan baja como 2kW en el caso doméstico.  Los tiempos de carga no son necesariamente un inconveniente en el caso de vehículos que son usados con un ciclo diario, donde existen muchas horas de inactividad, como suele ser el caso. En el caso de una flota de vehículos, se introduce el factor adicional de poder jugar con las prioridades, los tiempos de recarga y la capacidad de la red (Rezaei et. Al, 2013). Es aquí donde la tecnología multiposte ofrece la flexibilidad necesaria para llevar a cabo los planes de recarga obtenidos por el sistema central de carga. La comunicación con los postes de recarga se realiza siguiendo el estándar OCPP v1.5.
• E-AVLs. Se han construido prototipos de un nuevo dispositivo que puede ser integrado en la gran mayoría de los vehículos eléctricos existentes, y que extiende las capacidades de los dispositivos embarcados comercializados hasta la fecha, añadiendo las siguientes mejoras.
  • Envío de información de localización usando conexiones de datos de alta velocidad (3G y 3,5G). También se han mantenido los estándares anteriores (2G) como solución a las zonas en las que haya poca cobertura.
  • Incorporación de información adicional para la gestión de flotas basada en toda la información interna proporcionada por el CAN-BUS del vehículo eléctrico, más aquella obtenida a través de la inclusión al dispositivo de nuevos sensores de medida (acelerómetro, giróscopo, etc.).
• Algoritmos de predicción de consumos en ruta y necesidades de recarga (utilizando técnicas basadas en la Inteligencia Computacional y la Minería de Datos):
  • Predicción de consumos en rutas. Se trata de establecer un modelo predictivo para cada una de las rutas relacionándolo con el vehículo y las características de la propia ruta. Para ello se han modelado una serie de índices asociados a los diferentes tramos de las rutas que dependerán de características estáticas (distancia, localización geográfica del tramo, orografía, etc.) y de una serie de características dinámicas (estado del recorrido, meteorología, etc.). Además, estos índices deben relacionarse con los índices asociados a cada vehículo, que dispone de características estáticas (índice aerodinámico del vehículo, número de baterías, consumo medio, etc.) y características dinámicas (estado del vehículo y baterías, factores de conducción, etc.). Finalmente, los índices generados permiten predecir un consumo estimado o una energía necesaria estimada para el recorrido de cada ruta y vehículo, estableciendo nuevos planes de ruta en caso de detectar algún cambio en las condiciones iniciales, incluida aquella información proporcionada por la plataforma como problemas de tráfico, accidentes, fenómenos meteorológicos, etc. Además, la obtención de este factor se ha diseñado de forma modular, con el fin de facilitar el cálculo en caso de falta de información sobre algún índice.
  • Procesos de cálculo de necesidades de recarga. Se pretende de establecer un cálculo para estimar las necesidades de recarga de un FEV en función de su estado y la ruta. (Bingham et. al, 2012). El resultado de este cálculo es un peso que representa cuál es el mejor momento para recargar en función de la predicción de consumo para la ruta, el estados de las baterías, posición del vehículo, posición de los puntos de recarga, tiempo de recarga, coste de la recarga, etc. El proceso cálculo se realimenta en tiempo real con la información necesaria sobre vehículos y rutas para proporcionar una estimación actualizada.
  • Procesos de priorización de necesidades de recarga. Se pretende establecer un factor o índice que permita realizar una gestión inteligente de la infraestructura de recarga, definiendo, en función de un criterio previamente establecido, un orden de prioridad óptimo en la recarga de los distintos vehículos de la flota, y asegurando siempre la recarga de todos ellos en tiempo. Este índice se calcula en base a datos propios de cada vehículo (estado de la carga, necesidad de recarga, hora de inicio de la próxima ruta, etc.), así como a datos propios de la infraestructura de recarga (disponibilidad, capacidad de los puntos de recarga, etc.). (Tielert et. Al, 2012).
• Determinación de necesidades de infraestructuras de flotas de FEVs en función de las características y uso de las mismas. La gestión automatizada de las infraestructuras de recarga permite avanzar en la reducción de infraestructuras necesarias para alimentar grupos de vehículos. Esta gestión está basada en un uso compartido y jerarquizado en función de las necesidades individuales de cada vehículo, y puede exportarse a la gestión de vehículos de comunidades de vecinos u otros lugares de carga compartida para más de un vehículo. (Tuttle & Baldick, 2012).
• Indicadores de control relacionados con la eficiencia de la recarga eléctrica, el uso de los FEVs y el estado de mantenimiento de las baterías. La finalidad de los mismos es la de extraer conclusiones sobre las relaciones entre el consumo del FEVs, sus modos de uso y conducción, los modos de recargas y estado de las baterías.

Conclusiones

La necesidad de desarrollar soluciones para dar soporte TIC a las nuevas oportunidades que supone el FEV (gestión de carga, reserva de infraestructura, etc.) supone una clara oportunidad para las empresas TIC.

Actualmente se espera una introducción inminente de FEVs al parque automotriz del mundo desarrollado que permitirá la reducción de emisiones de CO2 de manera directa, y tanto organismos de investigación como el sector industrial están comprometidos con el desarrollo de distintas herramientas de gestión de energía, en varios proyectos de nivel local e internacional, que permiten un uso eficiente de las fuentes de generación existentes.

Sin embargo, existen una serie de condicionantes, intrínsecamente relacionados con la propia naturaleza de los FEVs y sus especiales necesidades de recarga, que frenan su expansión. Así, este tipo de vehículos disponen de una menor autonomía comparada con vehículos de combustión, lo cual les obliga a repostar con mayor frecuencia. A este aspecto limitante habría que unir que el hecho de que el acceso a infraestructuras de recarga es, hoy día, bastante restringido, así como que su tiempo de recarga también es superior al de los vehículos de combustión. Además, y aunque se están dando pasos para regular la situación, existe el problema de que cada fabricante de FEVs tiene su propio protocolo, por lo que las soluciones dadas por uno de estos fabricantes no son aplicables globalmente.

El proyecto eFleet hace esta aproximación integral y ataca el problema actual de la gestión de las flotas de FEVs y de la infraestructura de recarga, que consigue no sólo un abaratamiento de los costes de adquisición, operación y mantenimiento, sino también un uso eficiente de los mismos, así como de la energía consumida en los procesos de carga, siendo una solución que puede ser utilizada con FEV de cualquier fabricante. Además, incluye la geo-localización de los vehículos y también la telegestión de la infraestructura de recarga y gestión energética, todo ello ofertado como servicio.

El desarrollo de eFleet se basa, por lo tanto, en la necesidad de mejorar la gestión de las flotas de FEVs para auspiciar su introducción paulatina en las empresas, consiguiendo una movilidad más eficiente y sostenible para este colectivo.

Referencias

• Asín Muñoa, J., “Las infraestructuras de recarga para el vehículo eléctrico”, Revista Ambient@ (nº 100, 2012-09-01).
• Bingham, C., Walsh, C. & Carroll, S., “Impact of driving characteristics on electric vehicle energy consumption and range,” IET Intelligent Transport Systems, vol. 6, no. 1, p. 29, 2012.
• Foley, A.M., Winning, I.J. & Ó Gallachóir, B.P., “State-of-the-Art in Electric Vehicle Charging Infrastructure”, 2010, p. 1-6.
• Gungor, V.C., Sahin, D., Kocak, T., Ergüt, S., Buccella, C., Cecati, C. & Hancke, G.P., “Smart Grid Technologies: Communication Technologies and Standards”, 2011, p. 1-10.
• Rezaei, P., Frolik, J. & Hines, P., “Packetized Plug-in Electric Vehicle Charge Management”, 2013, p. 1-9.
• Tielert, T., Rieger, D., Hartenstein, H., Luz, R., & Hausberger, S., “Can V2X communication help electric vehicles save energy?,” in 2012 12th International Conference on ITS Telecommunications, 2012, pp. 232–237.
• Tuttle, D.P. & Baldick, R., “The Evolution of Plug-In Electric Vehicle-Grid Interactions”, IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 3, no. 1, march 2012, p. 500-505.
• Datos obtenidos del estudio El impacto económico del vehículo eléctrico en la economía española.

Nota: Este artículo fue presentado y publicado en el Libro de Comunicaciones del I Congreso Ciudades Inteligentes.