Provocări ale Connected Mobility în integrarea protocoalelor de comunicare ale stațiilor de încărcare electrice

Albu Alexandru
Solution Architect & Software Developer for Charge Point Management System @ Centrul de Inginerie Bosch Cluj

PROGRAMARE

Conectivitatea deschide calea spre noi oportunități de a dezvolta și îmbunătăți vehicule și servicii de mobilitate, care fac mobilitatea mai sigură, mai eficientă și mai convenabilă. Conectarea utilizatorilor, vehiculelor, dispozitivelor și serviciilor prin internet vine cu propriile sale provocări, în special în noul domeniu al stațiilor de încărcare electrice, unde competiția pentru cota de piață conduce spre evoluția a noi standarde și protocoale de comunicare.

Introducere în ecosistemul stațiilor de încărcare electrice

O stație de încărcare, cunoscută ca stație de încărcare pentru vehicule electrice, punct electric de încărcare, punct de încărcare, stație electronică de încărcare (Electronic Charging Station) și EVSE (electric vehicle supply equipment), este un element într-o infrastructură ce oferă energie electrică pentru încărcarea vehiculelor electrice. Acestea vin în diferite modele și caracteristici.

Stațiile de încărcare sunt operate de către diferiți operatori, numiți CPO (Charging Point Operator). Ei sunt în general conectați prin rețele mobile cu sisteme numite Charge Point Management Systems, pentru a permite operațiile de la distanță asupra lor.

E-Mobility Providers (EMP) dețin contractele și datele utilizatorilor. Ei oferă soluții pentru consumatorii finali, pentru a permite accesul la stațiile de încărcare prin intermediul aplicațiilor pentru telefoane mobile, portale web sau aplicații integrate direct în unitatea mașinii.

EMP este responsabil pentru servicii precum înregistrarea utilizatorilor, autentificare, utilizare și plăți pentru serviciile oferite.

Furnizorii de Roaming Platform (sau eRoaming) permit CPO și EMP să își conecteze serviciile, astfel încât:

CPO poate să ofere infrastructura de încărcare mai multor EMP;
EMP poate agrega în serviciile sale infrastructuri ale mai multor CPO;

Protocoale de comunicare

Componentele principale ale ecosistemului EV Charging sunt ilustrate în diagrama de mai jos:

Open Charge Alliance (OCA) este un consorțiu global format din lideri ai infrastructurii publice și private de vehicule electrice (EV) , ce și-au unit eforturile pentru a promova standarde deschise. Ei oferă protocoale de comunicare puternice, deschise și interschimbabile pentru infrastructura de încărcare a vehiculelor electrice, așa cum este OCPP.

Open Charge Point Protocol descrie o metodă ce permite stațiilor de încărcare (Charging Station) să comunice cu un sistem central (Central Sistem). Conform protocolului OCPP atât Charging Station cât și Central System pot iniția operații.

Următoarea diagramă ilustrează rolurile descrise de protocolul OCPP:

Charge Point (CentralSystemClient) inițiază în mare parte operații de monitorizare precum sunt următoarele:

Boot Notification: când stația pornește sau repornește;
Authorize: când un utilizator inițiază o operație de încărcare (ex. folosind card sau token RFID);
Heartbeat: apeluri periodice spre Central System;
Status Notification: când starea unui socket se schimbă;
Start / Stop Transaction: pentru managementul tranzacțiilor;

Central System (ChargePointClient) inițiază în mare parte operații de control la distanță precum sunt următoarele:

Remote Start / Stop Transaction: cere deschiderea sau închiderea unei prize de încărcare;
Get / Change Configuration: reconfigurare în timp real;
Reboot: repornire de la distanță;
Change Availability: activează sau dezactivează prizele individuale sau toată stația;

Open InterCharge Protocol (OICP) este cel mai implementat standard de către sistemele EMP and CPO din Europa. Hubject GmbH a lansat acest protocol ca open source în Mai 2019.

Diagrama de mai jos ilustrează rolurile descrise de către protocolul OICP.

Charge Point Operator inițiază operații ce sunt inițiate mai întâi de către evenimentele stațiilor de încărcare, dar și acțiuni de management. Mai jos sunt descrise cele mai cunoscute operații:

eRoamingAuthorizeStart/eRoamingAuthorizeStop: când un utilizator așteaptă la stația de încărcare;
eRoamingChargeDetailRecord: când se încheie o tranzacție, detaliile (precum cantitatea de energie care a fost livrată) sunt incluse în scopul facturării;
eRoamingPushEvseData: când o stație de încărcare este adăugată sau ștearsă din sistem;
eRoamingPushEvseStatus: când starea unei prize se schimbă;

eRoaming Platform inițiază operații ce sunt inițiate mai întâi de carte furnizorii de E-Mobility (EMP), cum sunt:

eRoamingAuthorizeRemoteStart/eRoamingAuthorizeRemoteStop: utilizatorul solicită deschiderea unei prize;
eRoamingAuthorizeRemoteReservationStart/eRoamingAuthorizeRemoteReservationStop: utilizatorul solicită rezervarea sau anularea rezervării unei prize;

Provocările integrării

Charge Point Management System integrează două dintre cele mai comune protocoale de comunicare ale stațiilor de încărcare, OCPP (Open Charge Point Protocol) și OICP (Open InterCharge Protocol).

El joacă rolul de Central System (OCPP) și Charge Point Operator (OICP) în același timp. Integrarea acestor protocoale nu este o sarcină ușoară, iar restul articolului se va concentra pe cele mai mari provocări ale acestei integrări.

Având peste 100 de producători diferiți doar în Europa, gama de modele de stații de încărcare este una foarte largă. Competiția pentru cota de piață are două efecte principale asupra conectivității:

Caracteristici noi ale stațiilor de încărcare (Local list management, Smart Charging, Display and Messaging support). Nu toate aceste caracteristici sunt suportate de către protocoalele open și nu toate modelele implementează aceste caracteristici în același fel.
Reducerile de Cost și timp pentru producerea în masă pot fi principala cauză din care unele modele nu implementează toate operațiile prevăzute. Cu alte cuvinte, aceste modele nu sunt conforme cu protocolul.

Pe măsură ce stațiile evoluează, specificațiile protocolului sunt și ele îmbunătățite. În acest moment, OCPP are trei versiuni principale (1.5, 1.6 și 2.0). Smart Charging este acum un protocol separat, numit OSCP (Open Smart Charging Protocol). Scopul unui Management System este acela de a suporta în același timp atât stațiile de încărcare vechi cât și cele noi.

Suportul mai multor versiuni ale protocolului în același timp

Una dintre cele mai mari provocări este suportarea mai multor versiuni ale protocolului în același timp. Sistemul trebuie să își definească propriul domain model, în așa fel încât versiunea protocolului și tipul de comunicare sunt văzute ca atribute (metadata) ale stației de încărcare.

Pentru a aborda problema, Management System e nevoit să folosească un fel portal (gateway) ce are următoarele responsabilități:

transformă toate solicitările INCOMING de la stațiile de încărcare în solicitări specifice domeniului propriu (solicitări funcționale);
transformă toate solicitările OUTGOING spre stațiile de încărcare în solicitări specifice protocolului (în funcție de caracteristicile fiecărei stații);

Următoarea diagramă ilustrează un posibil model arhitectural care se concentrează pe extensibilitatea părții de Charging Station:

Integrarea stațiilor neconforme

În această provocare, o abordare ar putea fi cea de tip trial-and-error ce presupune că toate operațiile sunt suportate, rezultând o sumedenie de mesaje de eroare atunci când este invocată o stație neconformă. În cea de-a doua abordare putem crea categorii de stații, cu grade de conformitate și caracteristici speciale.

Este foarte greu să determinăm dacă o stație este conformă, trebuie să executăm un test end-to- end manual pentru acest lucru. Odată ce determinăm lista de caracteristici pentru un anumit model, toate instanțele modelului trebuie tratate în același fel. Problema poate fi rezolvată cu ajutorul șabloanelor de stații (Charging Station Templates) ce au următoarele caracteristici:

Impun utilizarea în limitele reale ale caracteristicilor suportate; Pot fi create la cerere, atunci când noi modele sunt adăugate;
Pot fi identificate automat pe baza caracteristicilor stației (producător, model), în așa fel încât selecția manuală a șablonului poate fi eliminată;

Conceptul este reprezentat în următoarea diagramă de clase. Acțiunea (action) poate fi inițiată fie de către Management System (operații de la distanță, cum ar fi Reset) fie de către Charging Station (de exemplu, Central System se poate abona la Status Notification).

Securitatea

Pentru a utiliza o anumită stație de încărcare în scopul încărcării unui vehicul electric, utilizatorul trebuie să se autentifice mai întâi folosind una dintre cele două variante de mai jos:

Scanarea unui card RFID la stația de încărcare (stația inițiază procesul de autorizare);
Autentificarea Mobilă (EMP inițiază procesul de autorizare);

Indiferent de abordare, EMP are în final capacitatea de a autentifica un utilizator și a autoriza o tranzacție de încărcare.

În comunicarea bazată pe SOAP, Message Level Security (securitate la nivelul mesajului) se asigură că securitatea informației e integrată în corpul mesajului și călătorește împreună cu mesajul. Acest lucru poate fi dobândit de standarde precum XML Encryption, XML Digital signature API sau SAML (Security Assertion Markup Language).

Transport Level Security (securitate la nivelul transportului) este bazat pe SSL/TLS (Secure Sockets Layer/Transport Layer Security) care rulează sub HTTP. SSL/TLS oferă caracteristici de securitate ce includ autentificare, protecția datelor, suport pentru token criptografic în vederea securizării conexiunilor HTTP.

Protocoalele stațiilor nu specifică nimic legat de Message sau Transport Level Security. Este mai ușor să implementăm securitatea în platforme cloud precum eRoaming sau EMP, dar mai dificil în cazul stațiilor de încărcare fizice.

OCPP este mai concentrat pe operații și structura informației din mesaje, iar el poate fi implementat folosind servicii SOAP sau JSON (WebSockets). Nu toate versiunile protocolului pot fi implementate folosind SOAP din cauza naturii asincrone a unor operații.

Rămâne la latitudinea producătorilor de stații de încărcare să adauge suport pentru HTTPS sau WSS (Secure Web Sockets), iar versiunea de protocol suportată e în general aliniată cu caracteristicile unității de încărcare.

Central (Management) System devine o potențială țintă pentru atacuri de tip Sniﬃng, MITM (Man- In-The-Middle) și Replay. Încrederea unui client de tip stație devine astfel o provocare în sine.

Pentru a diminua câteva dintre amenințări, următoarele soluții pot fi implementate de către stațiile ce au caracteristici slabe de securitate:

Mecanism de autentificare pentru stația de încărcare însăși; acest lucru poate fi realizat prin folosirea unui token de securitate, controlat de către Central System.
IP whitelisting și Trusted Networks, extinse de către VPN (Virtual Private Networks) sau APN (Access Point Names).

Testarea

Este aproape imposibil de testat integrarea cu toate modelele de stații de încărcare. Cu toate că un număr rezolvabil de stații pot acompania echipa în procesul de dezvoltare, acest lucru nu este de ajuns pentru a garanta o calitate bună a sistemului soft.

Din fericire, protocoalele sunt deschise și pentru producători, iar acest lucru permite construcția unor stații de încărcare virtuale sau simulatoare. Un simulator are multe avantaje, iar cele mai importante sunt enumerate mai jos:

oferă feedback ce ajută la explorarea scenariilor de test excepționale; folosind stații reale, aceste teste pot consuma foarte mult timp, unele dintre ele fiind chiar imposibil de testat; pot fi configurate să reproducă exact comportamentul modelelor neconforme, făcând prin aceasta posibilă integrarea lor;
comportamentul lor poate fi programat sau automatizat, permițându-le să facă parte dintr-o soluție de test end-to-end;
un simulator poate rula un număr foarte mare de instanțe folosind resurse foarte puține, astfel că testele de performanță se pot baza pe scenarii reale;

Multi-tenancy

Atunci când avem de-a face cu multi-tenancy, întâlnim provocări la fiecare pas: proiectarea aplicației, izolarea datelor, performanță, scalabilitate și multe altele. O stație "aparține" unui tenant și poate fi gestionată doar de către utilizatorii autorizați ai aceluiași tenant.

Controlul informației trebuie extins la toate nivelele, chiar și urmărirea evenimentelor sau expunerea serviciilor (endpoints). Nici stațiile de încărcare și nici utilizatorii nu ar trebui să știe că sunt parte dintr-un sistem multi-tenant.

Nu toate stațiile sunt conectate direct la un Central System, în special în cadrul aceluiași sit (Charging Site, cum ar fi o parcare). Acestea pot face parte dintr-o configurație de tipul Master/Slave, unde doar stația părinte poate comunica direct cu Central System și își reprezintă stațiile componente ca fiind propriile sale extensii logice (ca și cum ar avea mai multe prize).

Central System are responsabilitatea de a reprezenta precis acest tip de configurație și de a restricționa operațiile la distanță ce pot fi efectuate de către stațiile de tip Slave. Cu alte cuvinte, operațiile la distanță pot fi împărțite în două categorii:

Operații pe prize (Sockets), cum este Start/Stop Charging; acestea afectează doar prizele ca unități individuale;
Operații pe stații (Stations), cum este Reset (sau Reboot); acestea afectează toată stația, iar în cazul Master/Slave toata configurația (toate stațiile implicate);

Concluzii

Connected Mobility este un domeniu relativ nou ce are o viziune puternică. A fost o călătorie lungă de când fiecare producător folosea propriul protocol de comunicare cu stațiile sale de încărcare până la formarea de alianțe ("charging alliances") ce încearcă să definească un limbaj comun în lumea încărcării de vehicule electrice.

În ciuda îngrijorărilor pentru integrare și securitate, se descoperă deja soluții ce se asigură că un viitor pe deplin conectat va deveni realitate.