Tópicos:
- Introdução
- Plugues e conexões de carregamento
- Equipamento Eletrônico de Fornecimento de Veículos (EVSE)
- Opções de carregamento
- Tempos de carregamento
- Preços para carregar
- Comunicação entre estação de carregamento e veículo
- Piloto de Proximidade
- piloto de controle
- Rede elétrica
Introdução:
As baterias dos veículos elétricos ou híbridos plug-in podem ser carregadas com instalações de carregamento externas. Você pode conectar o carro com um cabo de carregamento a uma estação de carregamento pública, estação de carregamento pública ou caixa de parede privada (na fachada externa ou na garagem) para carregar a bateria através da rede elétrica. Muitas vezes também está disponível um carregador móvel que permite carregar através da tomada de parede, mas é recomendado usar este carregador apenas para emergências.
A imagem a seguir mostra o carregamento de um carro elétrico. Na lateral do veículo há uma aba que se parece muito com a aba de combustível de um carro com motor a combustão. Atrás da aba encontramos a conexão na qual o plugue de carregamento pode ser inserido.
O adesivo na aba indica qual cor o LED próximo ao plugue acenderá em determinado status.
Plugues e conexões de carregamento:
Os plugues e conexões de carregamento são padronizados na Europa. Usamos o Mennekes (tipo 2) para carregamento AC (corrente alternada) e o plugue CCS2 para carregamento DC (corrente contínua).
A imagem a seguir mostra um Mennekes Tipo 2 combinado com plugues de carregamento CSS2. Este plugue permite carregar (rápido) com corrente contínua.
A imagem abaixo mostra os plugues utilizados em outras partes do mundo. É feita uma distinção entre CA e CC, sendo a variante CC frequentemente uma extensão do conector CA.
Equipamento Eletrônico de Fornecimento de Veículos (EVSE):
Os postos de carregamento públicos estão sempre equipados com interface com EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Isso garante segurança e comunicação. As funções do EVSE incluem:
- Verificando as conexões: após confirmar que todos os plugues estão conectados e travados, o modo de carregamento é iniciado;
- Autodiagnóstico: quando são detectados erros, a alimentação da rede é interrompida;
- Detecção de corrente de fuga: a alimentação da rede é interrompida em caso de qualquer forma de corrente de fuga;
- Controle de corrente: comunica-se com o carregador integrado do carro usando um sinal PWM para limitar a corrente.
Opções de carregamento:
Ao carregar com corrente alternada (CA), a eletricidade da rede elétrica do carro é convertida em corrente contínua (CC). A desvantagem do carregamento CA é que existe um alto risco de fenômenos de indução e perdas devido à resistência do condutor. Uma conversão de CA para CC também ocorre no carro antes que a energia chegue à bateria, o que limita a corrente de carga.
O carregamento por corrente contínua (DC) permite um carregamento “super” rápido. A conversão AC/DC já não ocorre no carregador de bordo, mas fora do veículo. A bateria pode, portanto, ser carregada com uma maior capacidade de carga e, portanto, ficar cheia mais rapidamente. Isso é ideal para carregar durante uma pausa para o café ao longo da rodovia durante o restante da viagem.
As formas e velocidades nas quais um veículo pode ser carregado podem ser divididas em quatro modos diferentes. Os modos 1, 2, 3 e 4 indicam como o veículo está conectado à tomada de energia.
- Modo 1: o carregamento ocorre diretamente através da rede elétrica de uma ligação doméstica. No veículo a tensão é convertida de CA (corrente alternada) para CC (corrente contínua). O dispositivo de carregamento oferece segurança porque não há limitação de corrente ou feedback do veículo para a tomada. Este método de carregamento raramente é utilizado, pois existe risco de perigo e defeitos, sendo por isso proibido em muitos países.
- Modo 2: tal como no modo 1, é utilizada a tomada de parede de uma ligação doméstica e a corrente de carga é limitada a 16 A com um poder de 3,68 kW. No entanto, para evitar sobrecarga, a potência através dos cabos de carregamento é normalmente limitada a 2,3 kW (aprox. 10 A). Com o modo de carregamento 2, a estação de carregamento foi concebida como um carregador móvel, que pode ser levado consigo. No veículo, o carregador integrado converte CA em CC.
- Modo 3: o carregamento utiliza uma estação de carregamento fixa ou caixa de parede, que, tal como no modo 2, está ligada à rede elétrica de um edifício. O carregador modo 3 é adequado para carregamento AC e para potências de 3,68 a 22 kW. Mais uma vez, a CA é convertida em CC na eletrônica de potência do veículo.
- Modo 4: Enquanto os modos de carregamento 1 a 3 utilizam corrente alternada e esta deve ser convertida em corrente contínua no veículo, com o modo 4 de carregamento a conversão de corrente alternada para corrente contínua ocorre na própria estação de carregamento. A corrente contínua é fornecida diretamente à bateria. Isso é conhecido como carregamento DC ou carregamento rápido. Uma estação de carregamento DC para carregamento em modo 4 requer uma tensão de entrada de pelo menos 480 volts e fornece uma potência de 43 kW.
Tempos de carregamento:
Os tempos de carregamento de veículos híbridos e elétricos podem ser determinados pelo capacidade de bateria a ser dividido pelo valor entregue poder do carregador.
A potência de carregamento disponível não é determinada apenas pelo tipo de carregador e cabo de carregamento, mas também pela potência máxima de carregamento para a qual a eletrónica de potência do veículo é adequada. Os novos carros de luxo estão cada vez mais a receber baterias maiores, com mais capacidade para uma maior autonomia, mas como a capacidade de carga aumenta, pode até significar que o tempo de carga diminui. Como exemplo, tomamos um VW e-Golf (32 kWh) em comparação com um Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Nem todos os veículos podem carregar até 100% com DC. O carregamento DC para em 80%. Os últimos 20% vão com menor capacidade de carregamento via AC. Isto é para proteger a bateria HV.
VW e-Golf (32 kWh)
Carregamento CA:
Com um plugue de carregamento Tipo 2, a bateria pode ser carregada via CA. A potência máxima de carregamento do carregador integrado é de 3,7 kW. Quando a bateria é carregada a partir de 20% através de uma estação de carregamento (modo 3), isto demora aproximadamente 7 horas. Explicação: 80% (carregamento) de 32 kWh = 25,6 kWh. Calculamos o tempo de carregamento dividindo a potência necessária pela potência entregue: (25,6 / 3,68) = 6,96 horas (6 horas e 58 minutos).
Ao carregar pela tomada (modo 2), a potência é limitada a 2,3 kW e o tempo de carregamento é de 11,13 horas (11 horas e 8 minutos).
Carregamento CC:
Ao carregar rapidamente usando corrente contínua com potência de 44 kW, a bateria está totalmente carregada após 0,58 horas (35 minutos).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
Carregamento CA:
Com um plugue de carregamento Tipo 2, a bateria pode ser carregada via CA. A potência máxima de carregamento do carregador integrado é de 11 kW. Mais uma vez assumimos que cobraremos a partir de 20%. A potência a ser fornecida pelo dispositivo de carregamento é de 86,72 kW. Ao carregar através da estação de carregamento, o tempo de carregamento é de 7,88 horas (7 horas e 53 minutos).
Carregamento CC:
Com o modo 4 é possível carregar até 207 kW. O tempo de carregamento é: (86,72/207) = 0,42 horas (25 minutos).
Preços para carregar:
Existem muitos fornecedores de cartões de cobrança. Vários sites oferecem visões gerais das taxas. Nesta secção assumimos as tarifas de energia em vigor em março de 2023 e não temos em conta taxas de subscrição ou tarifas iniciais por sessão de carregamento, mas apenas os preços da energia.
- Holanda AC € 0,60/kWh
- Holanda DC € 0,85/kWh
- Bélgica e Luxemburgo 0,65 €/kWh
- Europa: CA € 0,51/kWh
- Europa: CC € 0,87/kWh
Nos exemplos do VW e-Golf e do Mercedes EQS, calculamos os preços de carregamento com base na capacidade de carregamento e no facto de começarmos a cobrar a partir de uma faixa de 20%.
- VW e-Golf: com base na potência de carregamento de 25,6 kW, custa 15,36 euros para carregamento AC na Holanda e 21,76 euros para carregamento DC. Alcance total: 190 km.
- Mercedes EQS: com capacidade de carregamento de 86,72 kW, custa 52 euros na Holanda para carregamento AC e 73,70 euros para carregamento DC. O alcance é de cerca de 485 km.
Comunicação entre a estação de carregamento e o veículo:
O módulo de interface de carregamento fornece comunicação entre a estação de carregamento e o veículo. O chamado “Piloto de Proximidade” e o “Piloto de Controle”, abreviados como “PP” e “CP” indicam que um plugue de carregamento está conectado e determinam a quantidade de corrente de carregamento permitida. Os próximos dois parágrafos explicam o funcionamento do PP e do CP.
Na imagem vemos o CP e PP no plugue Mennekes Americano Tipo 1 (esquerda) e Europeu Tipo 2 (direita), ambos combinados com o plugue de carregamento DC. Concentramo-nos no plugue direito com o CP, PP, as três fases (L1 a L3) com fio neutro (N) e o chamado Terra Protetor (PE).
Esta seção utiliza o diagrama a seguir, que se baseia na norma europeia (IEC 62196-2). Trata-se do conector Tipo 2, também chamado de Mennekes. No diagrama vemos (da esquerda para a direita) os seguintes componentes:
- Controlador EVSE: é o módulo integrado na estação de carregamento ou na caixa de embutir;
- Plugue de carga: além da corrente de carga, ocorre a comunicação entre o controlador EVSE e o controlador do veículo via PP e CP;
- Controlador do veículo: a eletrônica do veículo ativa o processo de carregamento assim que diversas condições forem atendidas.
Piloto de Proximidade:
O piloto de proximidade tem duas funções: registrar se um cabo de carregamento está conectado e registrar qual tipo de cabo de carregamento está conectado, para que a corrente máxima de carregamento possa ser determinada.
No diagrama abaixo, o circuito PP é colorido em vermelho. Aqui vemos um divisor de tensão entre R1 e R2, que é alimentado por 5 volts. A unidade de controle mede a tensão entre R1 e R2 (isso é indicado com um voltímetro para maior clareza). O resistor R1 serve como um resistor pull-up.
- Se nenhum plugue de carregamento estiver conectado, não há divisor de tensão. O resistor R1 não absorve nenhuma tensão, portanto a tensão medida é de 5 volts;
- Quando o plugue de carregamento é conectado, é criada uma conexão em série. Com os valores de resistência fornecidos, a unidade de controle medirá uma tensão de 3,1 volts.
O valor da resistência no plugue de carregamento indica a corrente máxima através do cabo de carregamento. Esses valores de resistência são os seguintes:
- 100 ohms: máximo 63 A;
- 220 ohms: máximo 32A;
- 680 ohms: máximo 20 A;
- 1500 ohms: máximo 13A.
O valor da resistência no exemplo é de 220 ohms, o que significa que a corrente através deste cabo de carregamento pode ser de no máximo 32 A. Uma resistência maior ou menor garante uma divisão de tensão diferente e, portanto, uma tensão de entrada diferente para o controlador.
Os conectores norte-americanos se enquadram no padrão: SAE J1772. Este plugue de carregamento Tipo 1 difere da versão europeia:
- Tensão alternada monofásica em vez de tensão alternada trifásica no plugue europeu tipo 2;
- Gancho de travamento manual. O divisor de tensão extra possibilita a construção de segurança extra. Assim que for reconhecido que o botão foi pressionado, o sistema de carregamento desliga-se imediatamente.
O diagrama abaixo mostra a versão dos EUA.
O gancho de travamento, em particular, estende o circuito do Piloto de Proximidade.
- Existe um divisor de tensão no conector;
- A chave S3 está em paralelo com o resistor R7. Quando em repouso, a chave é fechada e a resistência R7 é ligada;
- Ao remover o plugue, o motorista deve acionar o gancho de travamento para retirar o plugue do veículo. Ao pressionar este gancho, S3 abre. O resistor R7 faz parte do divisor de tensão.
Piloto de controle:
O CP monitoriza o processo de carregamento desde o pedido de início do carregamento até ao final do carregamento, quando a bateria está totalmente carregada. O CP permite a comunicação entre o controlador EVSE na instalação de carregamento e o veículo.
- Depois de conectar o cabo de carregamento à estação de carregamento, o controlador EVSE aplica uma tensão de 12 volts à conexão do Control Pilot do plugue de carregamento.
- assim que o plugue de carregamento é conectado ao veículo, a tensão cai para aproximadamente 9 volts devido ao divisor de tensão entre R3 e R4;
- O controlador mede a tensão de entrada através do ST2 (gatilho Schmitt).
O fluxo de corrente com um cabo de carregamento conectado está marcado em vermelho.
- Após registrar os 9 volts, o controlador EVSE energiza o relé K2. Em vez da fonte de alimentação de 12 volts, o oscilador está incluído no circuito;
- o oscilador produz uma tensão de onda quadrada de -12 a +12 volts;
- o diodo garante que a tensão na conexão CP mude entre +9 e -12 volts;
- Com o duty cycle no sinal PWM, o controlador EVSE indica a corrente máxima de carga que o veículo pode consumir.
Após estabelecer o sinal PWM, o controlador do veículo liga o relé K1 quando o veículo está pronto para iniciar o carregamento.
- O relé K1 liga o resistor R5 ao terra;
- devido à conexão paralela entre R4 e R5, o pulso positivo do sinal PWM cai para 6 volts;
- A tensão de 6 volts é medida pelo controlador EVSE no dispositivo de carregamento e agora conecta a fonte de alimentação ao cabo de carregamento para carregar a bateria.
A imagem abaixo mostra o sinal do Piloto de Controle, mostrando o desenvolvimento da tensão versus o tempo. Este perfil de tensão pode ser medido na conexão do Control Pilot do plugue de carregamento enquanto ele está conectado.
- Status A: Não há conexão com o veículo. Enquanto nenhum cabo de carregamento estiver conectado, a tensão permanecerá em 12 volts;
- Status B: Veículo Elétrico está conectado. O relé K2 está energizado. A tensão cai para 9 volts devido ao diodo no circuito;
- Status C: O relé K1 está energizado. Este é “o sinal” para a unidade de carregamento iniciar o processo de carregamento.
Os status D e E indicam quando uma ação é necessária para ventilação ou para encerrar o processo de carregamento porque foi detectado um erro.
Rede elétrica:
Na seção “opções de carregamento”, foram mostrados os modos 1 a 4. Você pode optar por carregar o veículo em casa através do carregador doméstico, wallbox, estação de carregamento ou através de um carregador rápido ao longo da rodovia. O carregamento em casa através do seu próprio carregador, em particular, está se tornando cada vez mais popular. Um carregador doméstico pode simplesmente ser conectado a uma tomada, mas para obter o menor tempo de carregamento possível com mais corrente de carregamento, você pode conectar sua própria caixa de parede ajustando a caixa de distribuição. Primeiro, examinamos os conceitos: corrente alternada monofásica e trifásica.
Com uma conexão monofásica vemos um cabo elétrico “padrão” com três núcleos:
- marrom: fio de fase;
- azul: fio neutro;
- amarelo/verde: fio terra.
Com uma estação de carregamento monofásica ou caixa de embutir, a eletricidade flui através de dois fios (o fio de fase e o fio neutro).
Uma Wallbox ou estação de carregamento monofásica utiliza a ligação padrão de 1 V dos eletrodomésticos. A potência máxima é de 230 A, o que eleva a potência máxima de carregamento de um carregador monofásico para 16 kW. Uma bateria de 1 kW é carregada em aproximadamente 3,7 horas com esta capacidade de carregamento, o que leva um tempo relativamente longo. A maioria dos novos carros elétricos tem maior capacidade.
É possível aumentar a corrente máxima na caixa de distribuição dos eletrodomésticos, para que haja mais capacidade para um carregador monofásico de 32 A. Nesse caso, o carregamento pode ser feito com no máximo 1 kW. No entanto, com um carregador monofásico existe a possibilidade de a caixa de distribuição ficar sobrecarregada, resultando numa falha de energia. Além de um posto de carregamento, existem mais eletrodomésticos que utilizam a rede elétrica, nomeadamente a máquina de lavar roupa, a máquina de lavar loiça, a placa e a bomba de calor. Com a ajuda do balanceamento de carga, a capacidade máxima pode ser utilizada:
- Durante o dia há uma boa chance de que vários aparelhos elétricos sejam usados. A corrente de carga do veículo é reduzida;
- A maioria dos aparelhos é desligada à noite, para que o veículo tenha mais capacidade de carga.
Para um carregamento mais rápido, é possível ligar a estação de carregamento ou a Wallbox à caixa de distribuição através de uma ligação trifásica. Isso não precisa necessariamente ser um fluxo de energia. Com uma conexão trifásica vemos dois fios extras:
- preto: fio extrafase;
- cinza: fio de fase extra.
Com uma estação de carregamento trifásica, a eletricidade flui através de quatro fios (os fios trifásicos e o fio neutro).
A capacidade de carregamento de uma estação de carregamento ou caixa de parede numa ligação trifásica é superior à de uma ligação monofásica, o que significa que o veículo carrega mais rapidamente. A corrente máxima de carga do veículo nunca é excedida. Alguns veículos só são adequados para carregar até 3 kW. Então não faz sentido criar uma conexão trifásica. Os veículos também podem ser adequados para 1 ou 3,7 kW: vale a pena aumentar a capacidade (3 * 7,4 A) da caixa de distribuição.
Em casas mais antigas vemos frequentemente uma ligação monofásica (até 1 A) na caixa de distribuição. Todas as três fases estão presentes, mas apenas uma está conectada.
A caixa de distribuição pode ser convertida para que todas as três fases sejam utilizadas. As casas mais novas, onde a caixa de distribuição está preparada para mais consumidores elétricos (como painéis solares, placa de indução e bomba de calor), já podem ser equipadas com ligação trifásica desde a entrega. Nesse caso, o medidor de eletricidade indica “3×3/220V ou 230×3/380 volts”. Há também um total de quatro fios - os fios trifásicos e o fio neutro - vindos da parte inferior da caixa de distribuição. Dependendo da caixa de distribuição, o grupo é protegido até 400x1A, 25x1A ou 30A. Quanto maior a amperagem indicada, mais corrente pode ser usada ao mesmo tempo.
A imagem abaixo mostra cinco situações de ligação monofásica para trifásica na caixa de distribuição e uso de carregador monofásico ou trifásico.
1 fase: Com o carregador de emergência você pode carregar o veículo através da tomada. Com uma wallbox, um grupo monofásico pode carregar até 1A sem balanceamento de carga e 16A com balanceamento de carga. O 32A só pode ser alcançado quando nenhum outro consumidor estiver ativo na casa.
Para potências até 7,4 kW é possível uma rede monofásica com balanceamento de carga. Ao utilizar vários aparelhos eléctricos de elevado consumo em casa, incluindo máquina de lavar/secar roupa, máquina de lavar loiça e bomba de calor, a potência diminuirá para proteger contra sobrecargas. Na prática, isso significa que a potência pode diminuir até 1%. A mudança de 50 para 1 fases é, portanto, sensata.
3 fase: Se for solicitada muita energia ao mesmo tempo, isso pode causar sobrecarga e acionar a proteção, causando queda de energia. Portanto, é importante que a rede possa fornecer eletricidade suficiente. Com uma conexão trifásica, mais corrente pode ser fornecida simultaneamente. Os grupos trifásicos são protegidos até 3A como padrão.
- 11 kW: é necessário reforçar o armário dos contadores. O ajuste de 1 fase para 3 fases é suficiente;
- 22 kW: além do ajuste de monofásico para trifásico, é necessário um aumento de 1A.
O ajuste para 22 kW e 35A dificilmente é interessante para particulares. Devido ao aumento, deverão ser pagas taxas permanentes anuais adicionais de 1000€. Para cada degrau mais pesado (3x63A ou 3x80A) deverá ser paga uma taxa adicional. Além disso, muitos veículos elétricos (ainda) não são adequados para carregamento com correntes alternadas tão elevadas:
Espera-se que o número de veículos que podem carregar 22 kW em CA aumente nos próximos anos.
