La Agencia Valenciana de la Innovación (AVI), como entidad de derecho público de la Generalitat, y con el apoyo financiero de la Unión Europea a través del FEDER, apoya la generación de I+D en Nunsys, en base a la Resolución de 7 de abril de 2022, modificada por resolución de 20 de mayo de 2022, del vicepresidente ejecutivo de la Agencia Valenciana de la Innovación (AVI), por la que se convocaron ayudas en materia de fortalecimiento y desarrollo del Sistema Valenciano de Innovación para la mejora del modelo productivo para los ejercicios 2022 a 2024.

El proyecto CLEANERGY consiste en el desarrollo de un prototipo funcional de una estación de recarga para vehículos eléctricos por intercambio de baterías. Las estaciones de recarga son gestionadas por una plataforma IoT que está concebida para abordar las necesidades críticas en un entorno en el que resulta esencial contar con una infraestructura que permita no solo la recarga eficiente de baterías, sino también la gestión automatizada de su intercambio, reduciendo el tiempo de inactividad de los vehículos y optimizando el uso de recursos energéticos.

Este sistema integrado abarca múltiples componentes, desde el software que se ejecuta en las estaciones de recarga que pueden almacenar y cargar baterías, hasta una plataforma en la nube que centraliza los datos generados por las estaciones, gestionando las operaciones de carga, monitoreo, y análisis en tiempo real. Además, la plataforma incluye una Aplicación Móvil de Usuarios, que permite la interacción directa con las estaciones para realizar intercambios de baterías, y un Panel Web de Administración, desarrollado para gestionar, supervisar y controlar todas las estaciones desplegadas.

El prototipo funcional desarrollado en CLEANERGY tiene como principal objetivo validar y demostrar la viabilidad técnica y operativa de la solución IoT propuesta. Este prototipo debe cumplir con una serie de metas clave para asegurar que la integración de tecnologías y sistemas proporciona una base sólida sobre la cual se puede escalar el desarrollo completo del proyecto a futuro. Los objetivos específicos perseguidos han sido los siguientes:

• Optimización de los Tiempos de Recarga e Intercambio: Facilitar a los usuarios un proceso rápido y sencillo para el intercambio de baterías, minimizando el tiempo de espera en las estaciones. La plataforma proporciona información en tiempo real sobre el estado de carga y salud de cada batería disponible, permitiendo a los usuarios realizar decisiones informadas.
• Automatización de Procesos Críticos: Automatizar la gestión de operaciones, desde la monitorización del estado de las baterías hasta la realización de operaciones de carga y descarga, todo ello coordinado entre la aplicación móvil, el gestor local de las estaciones, y el panel en la nube.
• Mejora Continua mediante Análisis Predictivo: A través del uso de análisis predictivo, la plataforma anticipa el estado de las baterías (carga y salud), optimizando los ciclos de recarga y sustitución, lo que reduce el desgaste de las baterías y aumenta la eficiencia operativa de las estaciones.

En definitiva, la solución propuesta en CLEANERGY responde a las crecientes necesidades de sostenibilidad y eficiencia en el mercado de vehículos eléctricos, ofreciendo una infraestructura tecnológica avanzada que garantiza una experiencia optimizada para los usuarios y una gestión eficiente de los recursos para los operadores de estaciones de recarga.

Alcance y Limitaciones en el Desarrollo

El desarrollo del prototipo funcional abarca una serie de componentes y funcionalidades clave orientadas a validar la viabilidad del sistema y asegurar que los diferentes módulos de software interactúan de manera eficiente. Para alcanzar el consenso en la definición y alcance de la aplicación, se realizaron distintas propuestas implicando a todas las empresas del consorcio con objeto de que se contemplasen los datos necesarios para la correcta gestión del sistema de recarga y se montó un equipo de trabajo formado por técnicos de NUNSYS e ITERA para llevar a cabo con la mayor eficiencia posible el desarrollo de la misma. Veamos en detalle cada una de las partes de la plataforma.

Gestor Local

El Gestor Local es un software que ha sido desarrollado con Node-RED que se instala en cada estación de recarga, y tiene la responsabilidad de coordinar todas las operaciones que se llevan a cabo en la estación de forma autónoma, en conexión con la nube.

Prototipo de estación de recarga

Las principales funciones del gestor local incluyen:

• Monitorización de la estación y los boxes: El gestor local recopila y gestiona la información de los sensores instalados en los boxes y en la estación, tales como temperatura, humedad y estado de las baterías.
• Gestión de la telemetría: Los datos de estado de las baterías y las operaciones de recarga son recopilados y enviados al API en la nube para su explotación posterior.
• Operaciones de carga e intercambio: El software gestiona el intercambio de baterías a través de la interacción con la aplicación móvil. Esto incluye la apertura y cierre de los boxes para el intercambio de baterías y la coordinación del proceso de recarga.
• Comunicación con la pantalla interactiva: El gestor local controla la pantalla de la estación, mostrando al usuario información sobre el estado de las baterías y guiándolo en el proceso de intercambio, incluyendo la validación mediante código QR.
• Desde el Gestor Local, los operarios de mantenimiento también pueden configurar la estación de recarga, como abrir manual mente los cajones, configurar las comunicaciones, etc.

API en la nube

El API en la nube, desarrollado en PHP, sirve como el núcleo central que conecta todos los elementos de la plataforma. Este API permite la comunicación entre las estaciones de recarga, la aplicación móvil y el panel web de administración, asegurando que toda la información esté siempre actualizada y accesible en tiempo real.

Las principales responsabilidades del API en la nube son:

• Recepción y procesamiento de datos de telemetría: El API recibe los datos generados por las estaciones de recarga (estado de carga, salud de las baterías, operaciones realizadas) y los almacena para su visualización y análisis.
• Gestión de solicitudes de intercambio: El API procesa las solicitudes iniciadas desde la aplicación móvil, coordinando con el gestor local de la estación para garantizar que el intercambio se realice de manera segura.
• Validación de usuarios: Durante el proceso de intercambio, el API valida las credenciales del usuario mediante el código QR generado en la estación y se asegura de que esté autorizado para realizar la operación.
• Interacción con el módulo predictivo: El API también se encarga de integrar el módulo predictivo que analiza el estado de las baterías y realiza predicciones sobre el estado de carga y salud de las mismas. Esto ayuda a optimizar el uso de las estaciones y ofrecer información precisa a los usuarios.

Panel Web de administración

El Panel Web de CLEANERGY permite a los operadores y administradores gestionar las estaciones de recarga, supervisar el estado de las baterías, y llevar a cabo tareas de mantenimiento y monitoreo de usuarios. El Panel Web desarrollado en CLEANERGY dispone de funcionalidades avanzadas como la Visualización en tiempo real del estado de las estaciones de recarga sobre las que proporciona una visión detallada del estado de cada estación, incluyendo el número de baterías disponibles, el estado de carga de cada una de ellas y el estado de salud de cada batería, así como conocer las operaciones en curso. Del mismo modo la plataforma permite recibir alertas y estadísticas del uso de las mismas.

Aplicación Móvil de Usuarios

La aplicación móvil permite a los usuarios interactuar con la plataforma de manera sencilla y eficiente. Los usuarios pueden realizar operaciones clave como la solicitud de intercambio de baterías, la búsqueda de estaciones, y la consulta de su historial de actividades.

Módulo predictivo sobre el estado de carga las baterías

El módulo predictivo juega un papel clave en la plataforma IoT al calcular el estado de carga y la salud de las baterías de las estaciones de recarga. Este módulo está diseñado para mejorar la eficiencia del sistema, permitiendo a los usuarios recibir información precisa y anticipada sobre el rendimiento de las baterías, optimizando el intercambio y recarga. Está implementado utilizando tecnologías modernas que garantizan su fiabilidad, escalabilidad y seguridad, accesible solo desde el backend para garantizar un alto nivel de protección.

El módulo predictivo ha sido implementado como una imagen Docker que corre en un entorno aislado dentro de la infraestructura cloud. Esto facilita su despliegue y actualización, permitiendo un entorno controlado y reproducible sin interferir con otros componentes del sistema.

El objetivo del módulo es procesar datos en tiempo real obtenidos de los sensores de las estaciones de recarga y, utilizando estos datos, predecir el estado de carga de las baterías en función de múltiples factores, como ciclos de carga anteriores, temperatura, voltaje y otras métricas que reflejan el uso de las baterías.

Arquitectura del Sistema

La interacción entre los diferentes componentes del sistema de gestión de estaciones de recarga e intercambio de baterías se basa en una arquitectura distribuida, donde cada servicio cumple un rol específico y se comunica con los demás a través de protocolos bien definidos. El flujo de datos y comandos entre estos servicios es esencial para el correcto funcionamiento del sistema, permitiendo una coordinación fluida entre las estaciones de recarga, la nube y los dispositivos móviles.

Fig.- Diagrama de interacción entre servicios de la Plataforma CLEANERGY

El modelo de comunicación entre los módulos del sistema se basa en una arquitectura distribuida orientada a servicios. Los distintos componentes del sistema interactúan mediante protocolos de red estándar para asegurar una transmisión segura y eficiente de los datos. La arquitectura sigue un patrón cliente-servidor, donde el API en la Nube centraliza las comunicaciones entre el Gestor Local, la Aplicación Móvil y el Panel Web.

En caso de fallos en la red o desconexiones temporales, el sistema está diseñado para reintentar las operaciones de forma automática y registrar los fallos en los logs para su posterior resolución. Esto asegura que las operaciones críticas, como el intercambio de baterías, se reintenten o reprogramen cuando sea necesario, manteniendo la fiabilidad del sistema.

Interfaz API

La API desarrollada en CLEANERGY actúa como el núcleo de la comunicación entre los distintos componentes de la plataforma IoT, como el gestor local de la estación de recarga, la aplicación móvil, el panel web y el módulo predictivo. Esta API permite una integración eficiente y segura de los diferentes servicios, garantizando el flujo de información en tiempo real y gestionando las operaciones relacionadas con el estado de las baterías y su salud.