כלי רכב חשמליים ורשתות החשמל החכמות

מאת: פרנק פורסטר,
טקסס אינסטרומנטסכלי רכב חשמליים זוכים לתשומת לב ולתנופת פיתוח על בסיס עולמי. על מנת לאפשר שימוש קל מצד המשתמש יש צורך בתשתית טעינה תואמת ובתקשורת בין הרכב לנקודות הטעינה. התקן המבוסס לתקשורת בקווי אספקת מתח (PLC), שכבר קיים עבור תחום רשתות החשמל החכמות, מציע מערכת עמידה וזמינה לטווח ארוך. מאמר זה מתאר את היסודות של תקשורת PLC ואת המימוש המעשי שלה בעזרת ערכת השבבים לתקשורת PLC של טקסס אינסטרומנטס, כפתרון גמיש וכלכלי עם תמיכת תוכנה ומעגל הערכה.

מגמת השימוש בכלי הרכב החשמליים ממריאה
מכוניות חשמליות, עם היסטוריה שמתפרשת לאחור יותר ממאה שנה, חוות בימים אלו תחייה מחודשת. העלייה במחירי הדלק, טכנולוגיות משופרות של מצברים ויוזמות של ממשלות – אלו הם רק כמה מבין הגורמים שיהפכו בטווח הארוך את כלי הרכב החשמליים (EV) לבחירה מצוינת, במיוחד עבור ניידותו של אדם בערי-העל המתפתחות. סין מציגה תוכנית השקה מרשימה, אך גם המדינות האירופיות דוחפות את המגמה הזו. לגרמניה יש תוכנית למיליון כלי רכב חשמליים עד שנת 2020, צרפת מתקדמת אפילו מהר יותר, עם מימון ממשלתי גדול מאוד לתוכנית של התקנת מיליון נקודות טעינה לכלי רכב חשמליים עד שנת 2015 ושני מיליון כלי רכב חשמליים עד שנת 2020. התפוצה הגדלה של כלי רכב חשמליים מציעה גם הזדמנויות עסקיות חדשות לספקי עזרים אשר יצרו מקורות הכנסה חדשים ובעתיד תאפשר גם ייצוב של רשת החשמל (הקטנה משמעותית של עומסי שיא) באמצעות המצברים של כלי הרכב החשמליים, שישמשו כמאגר שיוכל להזין אנרגיה חזרה לתוך רשת החשמל.
טעינת המצברים של כלי הרכב החשמליים האלה יכולה להתבצע בדרכים שונות. ברור שרוב מחזורי הטעינה יתקיימו בבית או בעבודה (ההערכה עומדת על 80%), אבל יש צורך גם בנקודות טעינה ציבוריות, על מנת להבטיח רשת אספקה טובה. קיימות אפשרויות שונות לטעינה. הבסיסית ביותר היא להשתמש בספק כוח חד פאזי של 230 וולט ובזרם חילופין של עד 32 אמפר, דרך מטען אופייני ל-3 קילו–ואט שעל הרכב, אך גם דרך חיבור תלת-פאזי ל- 400 וולט עם זרם חילופין של עד 63 אמפר (מטען אופייני של 20 קילו-וואט).
טעינה בזרמים כאלה תימשך בדרך כלל שעות ארוכות ותצטרך להשתלב בזמני החניה של המכונית (בית, עבודה, קניות). שווה ערך קרוב יותר לתחנות הדלק המשמשות כלי רכב רגילים עם מנוע שריפה פנימית הוא טעינה במתח ישר (המכונה גם טעינה מהירה) בטווח הספק של עד 200 קילו-ואט, אם כי שיטה זו צריכה להתבצע מבלי לגרום נזקים למארז המצברים.
כל מצבי הטעינה הציבוריים האלו דוחפים את הצורך בפעילות גומלין של המשתמש בנקודת הטעינה. לשימוש בתכונות מתקדמות יידרש זיהוי של כלי הרכב עצמו בנקודת הטעינה, אשר בדרך כלל ממומש בעזרת תקשורת בקו אספקת המתח (PLC). במקרים אלו מתקיימת העברה של מגוון נתונים, כדוגמת זיהוי הרכב, מצב זרם המצבר, זרם טעינה ומספר מרבי מותר של פאזות, זמני טעינה (למשל, התחלה מושהית של הטעינה) וכמות החשמל הכוללת “לטעינה”, לרבות העלות הכרוכה בכך. זיהוי המכונית ברשת פותח אפשרות לשימוש צולב בין ספקי החשמל, בדומה לנדידה בין רשתות הטלפונים הניידים.
עם זאת, מצב זה מעלה את אחת הדרישות החשובות ביותר: כל מכונית צריכה שתהיה לה אפשרות של פעולה עם כל נקודת טעינה. אם כך, השימוש בתקן ישים לא רק לגבי תקע החיבור, אלא גם לשיטת התקשורת של המכונית עם תשתית הטעינה.
תקשורת PLC היא בחירה מתאימה וראויה, מפני שכבל החיבור נדרש בכל מקרה לצורך הטעינה (פרט למקרה של שימוש בטעינה השראית, שגם בה דנים כיום). היא עמידה ולא נדרשת לה התערבות נוספת מצד המשתמש.

איור: כלי רכב חשמליים כחלק מרשת החשמל החכמה

איור 1: טבלת התדרים של פסי שידור באירופה לפי CENELEC

יסודות התקשורת בקו אספקת המתח (PLC) והשימושיות שלה
תקשורת בקו אספקת המתח היא טכניקה ידועה מזה זמן רב, המיועדת לשימוש בקווי מתח קיימים לצורך התקשורת. שיטה זו משמשת גם לתקשורת של מודדי החשמל לרשת החשמל, למשל לקריאה מרחוק של נתוני הצריכה, ולשינוי תעריפים אבל היא תשמש גם למטרות של ניהול עומס בעתיד.
פסי התדירות לתקשורת PLC באירופה, כפי שהוגדרו על ידי CENELEC מחולקים לפס CENELEC-A (3 קילו-הרץ עד 95 קילו-הרץ), אשר שמור לשימוש בלעדי של ספקי אנרגיה ולפסי A, B, ו-C של CENELEC, אשר פתוחים ליישומים של משתמשי קצה. פסי התדירות בארה”ב מכסים את הטווח מ-10 קילו-הרץ עד 490 קילו-הרץ, ביפן מ-10 קילו-הרץ עד 450 קילו-הרץ ובסין בטווח מ-90 קילו-הרץ עד 500 קילו-הרץ.
המשמעות היא שקיים טווח תדירויות פתוח ומשותף, שהוא זמין לשימוש כתקן עולמי ומשתמש בפס התדירות CENELEC-B.
שיטת האפנון המשמשת אמורה להציע פשרה טובה בין קצב הנתונים, עלות הרכיבים והעמידות בתקשורת דרך קווי אספקת המתח, אשר לעתים הם רועשים ביותר. אפנון FSK (מפתוח הזזת מופע), שהוא בסיסי באופן יחסי, מציע רק קצבי נתונים נמוכים, אך הוא פשוט למימוש. האפנון OFDM (ריבוב חלוקת תדרים ניצב), המתקדם יותר, מציע עמידות רבה בתקשורת וקצבי נתונים גבוהים המגיעים עד 128 קילו-סיביות בשנייה, אבל הוא דורש גם יכולת עיבוד גבוהה יותר, מאחר שיש צורך לפצל את האות לכמה אותות משנה המשודרים בערוצים ניצבים נפרדים.
שני תקני התקשורת הפופולריים ברשת החשמל החכמה הם PRIME (קצבי נתונים גבוהים יותר של עד 128 קילו-סיביות בשנייה) ו-G3 (קצבי נתונים נמוכים יותר), שניהם מבוססים על תקן OFDM. חברת טקסס אינסטרומנטס היא חברה חשובה בקונסורציום (איחוד) PRIME, אבל היא גם תומכת באופן מלא בפתרון מבוסס G3. השימוש בתקשורת PLC בתדירות נמוכה בפס צר (NB LF PLC) מציע שילוב אופטימלי בין רוחב פס התקשורת, עמידות ועלות, והוא כבר משמש במודדים חכמים. השימוש בתקשורת רכב לרשת החשמל (V2G) מרחיב את תקשורת PLC אל “המטר האחרון” מנקודת הטעינה אל הרכב החשמלי.
טכנולוגיות של תקשורת PLC ברוחב פס גבוה יותר, שברשתות האלקטרוניות לצריכה, מתחרות אף הן בתחום זה, אם כי חשוב לשקול גם את התאמתם לשימוש בכלי רכב (לדוגמה אישור Q100) ואת זמינותם לטווח ארוך הדומה לפתרונות של מודדים תעשייתיים חכמים. כמו כן, נתיב נתונים מהיר מהמכונית אל התשתית יכול להיות זמין בעתיד בכל מקרה, דרך Wi–Fi או דור 3 (3G), כך שפתרונות PLC יהיו בשימוש בעיקר כדי לטפל בטעינת כלי הרכב ולא כדי להוריד כמויות עצומות של נתוני מידע ופנאי.

איור 2: השוואת תקני אפנון לתקשורת PLC

איור 3. מודם לקו אספקת המתח עם TMS320F28x

איור 4. מבנה התוכנה של תוכנת plcSUITE של טקסס אינסטרומנטס

מימוש מערכת תקשורת PLC
תהליך התקנון שלא הושלם עדיין עבור תקשורת מכלי הרכב לרשת החשמל (V2G), יוצר את הצורך באימוץ גמיש של מערכת PLC לתקן סופי. זו הפילוסופיה שעומדת מאחורי הפתרון השלם בשני שבבים עם מערכת יצירת ממשק אנלוגי (AFE) ועם משפחת בקרי המיקרו רבת היכולת ב-32 סיביות TMS320F280xx / Piccolo כמערכת הפנימית המשמשת ליצירת ממשק ולעיבוד. מערכת AFE כוללת ממיר DAC ל-10 סיביות, מסנן ומגבר מוצא בערוץ השידור, ומסנן ושני מגברים עם הגבר ניתן לתכנות (PGA) בערוץ הקליטה. היא יוצרת תקשורת דרך ממשק בארבעה ערוצים עם בקר המיקרו TMS320F280xx, אשר מפעיל את מחסנית הפרוטוקול כולה ואת התקשורת למעבד המארח.
תוכנת המודם (plcSUITE) המשמשת לתקשורת PLC זמינה כספריית קוד מקור פתוח מאת טקסס אינסטרומנטס. היא כוללת מסגרת עבודה מודולרית עבור התוכנה, מאורגנת בשכבות, אשר עוברת בקלות שדרוג לדרישות הממשיות. השכבה הפיסית תומכת באפנון SFSK וכן בתקנים PRIME ו–G3 מבוסס טכנולוגיית OFDM וכן בפתרון הקנייני של טקסס אינסטרומנטס, המכונה FlexOFDM. כמו כן, שכבת MAC ושכבות גבוהות יותר של מחסנית התקשורת זמינות כמודולי תוכנה מודולריים, שאותם אפשר להוסיף או להסיר, בהתבסס על הדרישות הממשיות של המשתמש. התפיסה המודולרית של plcSUITE מציעה גם פונקציות של יישום המשתמש, שאותן אפשר להוסיף ולבצע באותו בקר מיקרו.
פתרון זה שניתן לתכנות באופן מלא יצר את הגמישות הנדרשת להתאמה בקלות של תקני תקשורת PLC שונים ומגוונים באמצעות פלטפורמת חומרה יחידה אחת. ערכת הפיתוח לתקשורת PLC (TMDSPLCKIT–V2 – בעלות 599 דולר) מקטינה את המורכבות בתכנון פתרון החומרה לתקשורת PLC. הערכה כוללת שני מודמים לתקשורת PLC ואת מסגרת העבודה השלמה של תוכנת plcSUITE, וכן את יכולות אמולציית JTAG דרך חיבור USB. היא מבוססת על כרטיס controlCARD ל- TMS320F28x ומאפשרת לכן להחליף בין נגזרות של בקר המיקרו שנמצאות בשימוש, באמצעות החלפת כרטיס  controlCARD  מכרטיס F28335 המסופק לכרטיס F2806x החדש.

איור 5. ערכת ההערכה לתקשורת PLC מאת טקסס אינסטרומנטס – TMDSPLCKIT–V2

איור 6: תרשים בלוקים של TMS320F2806x במשפחת Piccollo

משפחת בקרי המיקרו החדשה TMS230F2806x
משפחת TMS320F280xx Piccollo הפופולרית של בקרי מיקרו ל-32 סיביות הוסיפה והתרחבה עם ההכרזה על קבוצת TMS320F2806x החדשה. התקנים אלו מרחיבים את טווח הזיכרון של משפחת Piccollo לגרסאות של זיכרון הבזק עד 256 קילו-ביית ושל זיכרון RAM 100 קילו-ביית, תוך כדי שמירה על התקנים היקפיים רבי-יכולת, כמו למשל אפנון PWM ברזולוציה גבוהה ב–150 פיקו-שנייה, ממיר ADC ל-12 סיביות ב-3 מגה-דגימות בשנייה או רשת CAN, אך הוא מועשר בהתקנים היקפיים חדשים כדוגמת USB, eCAP או eQEP.
בן ההרחבות הנוספות רבות הערך אפשר למנות את יחידת נקודה צפה (FPU) ויחידת Viterbi ומתמטיקה מורכבת (VCU), אשר כוללת את קבוצת הפקודות העצמית שלה ב-75 פקודות ויכולה לשמש כדי להסיר עומס מהיע”מ (CPU) במקרה של חישובים עמוסי מתמטיקה. לשימוש ביישומי תקשורת PLC, מסנן טרנספורם FFT מבוצע על ידי יחידת המתמטיקה המורכבת. יחידת Viterbi תפענח את הקידוד של האות כולל תיקון שגיאות בהמשך (FEC). מודול CRC (בדיקת יתירות מעגלית) הכלול אף הוא ביחידת VCU מחשב את בדיקת CRC ב-32 סיביות הנדרשת בשלושה מחזורים בלבד. תכונות אלו של יחידת VCU מאפשרות לממש בקלות את תקן PRIME או תקן G3 PLC. מהירות MIPS השיא הנדרשת במימוש G3 PLC אופייני מוקטנת פי 2.5 (מהירות MIPS הממוצעת מוקטנת פי 2) בעת השימוש בבקר TMS320F2806x וביחידת VCU שלו לעומת המימוש עם TMS28335.
מאיץ הבקרה (CLA) מציע ליבת יע”מ נוספת עבור יישומים מונחי בקרה. באופן כזה, אפשר להוריד את העומס של פונקציות כדוגמת המרת הספק ספרתית למאיץ הבקרה, תוך יצירת רוחב פס בליבה הראשית עבור פונקציות תקשורת PLC – ולשפר עוד את האופטימיזציה לאינטגרציה של המערכת. למשפחת TMS320F280xx / Piccollo יש רקע חזק לטווח ארוך בשוק התעשייתי בתחום מערכות ספרתיות לאספקת מתח. כמה כלי פיתוח להמרת מתח ישר למתח ישר או מתח חילופין למתח ישר עם תיקון גורם ההספק (PFC) זמינים עם ספריה רבת יכולת הכוללת פתרונות תוכנה (controlSUITE) ויכולים לשמש להאצת מחזור התכנון. מאחר שההתקנים זמינים גם באיכות המתאימה לשימוש בכלי רכב, הם מאפשרים מחזור חלק של הידע הזה בשוק המוצרים לכלי רכב.
ביצועי העיבוד של TMS320F2806x וקבוצת ההתקנים ההיקפיים שלו מאפשרת יצירת שילוב של פונקציות מטען לרכב חשמלי הנדחף בהמרת הספק ספרתית – שבה משפחת Piccollo כבר משמשת – וכלי הרכב עם תקשורת בקווי אספקת המתח ולכן מסייעים להוריד את עלות המערכת.
מסקנות
בעשר השנים הבאות נראה באירופה תפוצה רחבה בהרבה של כלי רכב חשמליים עם סוגים שונים וממבחר של יצרנים. מצב זה מניע את הצורך ביצירת תקנים עבור תשתית הטעינה – לכל כלי רכב חייבת להיות אפשרות לפעול עם כל נקודת טעינה. יש לשקול את הפשרה הטובה ביותר בין התכונות הנדרשות לבין עלות המימוש – במיוחד עבור התקשורת של המכונית עם התשתית, כדי לאפשר גם מימוש של תכונות חדשות שיופיעו, כגון טעינה מבוקרת לצורך ייצוב רשת החשמל באמצעות מצברים של כלי הרכב החשמליים (החזרת טעינה לתוך רשת אספקת החשמל).
תקשורת בקו אספקת המתח (PLC) נראית כהתאמה מצוינת ויצירת התקנים כבר נמצאת בתהליך, כאשר כמה קבוצות עבודה ברמה לאומית וברמה בינלאומית המורכבות מיצרני ציוד מקור למכוניות, מחברות אספקת חשמל ומספקי מודולים ורכיבים. המטרה היא ליצור תקן עולמי לתקשורת בהתבסס על תקן ISO/IEC.
מערכת תקשורת PLC של טקסס אינסטרומנטס המבוססת על משפחת בקרי המיקרו TMS320F280xx שפעולתם הוכחה, ועל מערכת יצירת הממשק AFE031 מציעה פתרון קל למימוש והיא זמינה גם בגרסאות שעברו אישור עבור שוק כלי הרכב.