Atualmente existem diversas empresas que já abraçaram o conceito de mobilidade elétrica e, por sua vez criaram soluções para o desenvolvimento da mesma. Estas soluções passam pelo desenvolvimento de equipamentos eletrónicos cada vez mais dinâmicos e eficientes.
Uma das grandes apostas das empresas atuais está no desenvolvimento de sistemas de carregamento para baterias de VEs. Estes desempenham um papel crítico na evolução dos VEs, pois o tempo de carregamento das baterias e a sua vida útil estão relacionadas com os mesmos. Os carregadores das baterias dos VEs devem ser eficientes e fiáveis, com grande densidade de potência e baixo custo, peso e tamanho, além de que devem garantir que a corrente fornecida pela fonte de alimentação seja praticamente sinusoidal, para evitar um grande impacto na qualidade de energia, e com alto fator de potência de forma a maximizar a potência real fornecida pela instalação elétrica [1].
A utilização de VEs no dia-a-dia requer instalações de carregamento seguras e fáceis de usar para os utilizadores. Estas instalações permitem ao utilizador carregar o seu veículo quando este se encontra parado, seja em casa, no trabalho, centros comerciais, estacionamentos, entre outros, e não devem requerer ao utilizador ter de parar só para efetuar um carregamento, pois o conceito de carregamento de VEs consiste em carregar quando se pára e não parar para carregar. Desta forma, diferentes infraestruturas de carregamento são necessárias para atingir o equilíbrio entre uma carga completa do veículo e os hábitos do consumidor em relação aos locais onde pára, como por exemplo [36]:
Para longas paragens (durante a noite em casa e durante o dia no trabalho), onde o carregamento completo demora entre seis a oito horas;
Para pequenas paragens entre uma a duas horas (parques de estacionamento, centros comerciais, paragens para refeições, entre outras), um carregamento mais rápido com terminais específicos é o necessário;
Existem casos onde o utilizador necessita mesmo de parar para carregar (quando se encontra numa viagem longa e faz uma pausa numa estação de serviço, ou para veículos de uso intensivo, como é o caso dos transportes públicos) e aqui o carregamento rápido é crucial, para que o utilizador consiga o carregamento quase total das baterias num tempo útil, de entre quinze a trinta minutos.
Em todo o caso, a segurança na operação de carregamento é essencial, seja ela para os utilizadores, seja ela para o veículo em si e para as próprias instalações onde o
carregamento está a ser efetuado. É este fator que limita o desempenho e utilização das tomadas elétricas existentes nas casas dos utilizadores. De forma a contrariar esta situação, foram criados padrões internacionais onde figuram os diferentes níveis e modos de carregamento [36].
O carregamento das baterias dos VEs pode ser efetuado por dois tipos de carregadores, on-board e off-board, de forma unidirecional ou bidirecional. Como é possível observar na Figura 2.10, caso os conversores apenas permitam o trânsito de potência unidirecional, este será efetuado no sentido das setas de sentido único a laranja. Para a transferência do fluxo de potência bidirecional é necessário que os conversores sejam bidirecionais, efetuando assim o percurso representado pelas setas de dupla direção a verde.
Figura 2.10 – Esquema genérico da transferência de potência unidirecional e bidirecional.
Os carregadores on-board estão integrados na arquitetura dos veículos, sendo estes os mais convenientes para os utilizadores devido à sua fácil utilização. No entanto, devido à sua inserção permanente no veículo é necessário diminuir o tamanho e peso dos mesmos, o que por sua vez irá limitar a potência que podem fornecer às baterias. Assim sendo, são apropriados para carregamentos de longa duração, como por exemplo durante a noite. Por outro lado, os carregadores off-board podem ser comparados aos atuais postos de abastecimento para os veículos com motor de combustão interna, só que em vez de combustíveis fósseis estes servem para efetuar o carregamento rápido das baterias [37].
Níveis e Modos de Carregamento
Os carregadores dos VEs podem ser classificados através dos seus níveis de potência e tempo de carregamento [38].
Os níveis de potência dos carregadores dos VEs refletem a potência, o tempo de carregamento, a localização, o custo, os equipamentos e o impacto na rede. O desenvolvimento de infraestruturas de carregamento e equipamentos de abastecimento de VEs (EVSE – Electric Vehicles Supply Equipment) é de extrema importância devido aos
R ed e E lé tr ic a Conversor CA-CC Conversor CC-CC Pack de Baterias
Fluxo de Potência Unidirecional Fluxo de Potência Bidirecional
muitos problemas que têm de ser colmatados, como é o caso do tempo de carregamento, distribuição, extensão, políticas de procura, padronização das estações de carregamento e procedimentos regulamentares [1].
Um EVSE pode ser composto pelos cabos de carregamento, stands de carregamento (residenciais ou públicos), tomadas elétricas, conetores dos veículos e circuitos de proteção [39]. Estes são geralmente encontrados em duas configurações: um cabo de alimentação especializado e uma caixa instalada numa parede ou base. As especificações de configuração variam de local para local e país para país, dependendo da frequência, tensão, da conexão à rede elétrica e dos padrões de transmissão [40].
De acordo com o EPRI (Electric Power Research Institute) [13], a maioria dos proprietários de VEs fazem o carregamento dos mesmos durante a noite nas suas residências de habitação. Por essa mesma razão são utilizados equipamentos que estejam inseridos no nível 1 e 2 de carregamento [3]. Aquando a necessidade de obter um carregamento que não seja tão prolongado, infraestruturas com capacidade de fornecer níveis de potência elevados são necessárias, estando assim inseridas no terceiro e último nível de carregamento, o nível 3.
De seguida são apresentados cada um dos níveis de carregamento existentes: Nível 1
De entre os três níveis de carregamento existentes, o nível 1 é o nível de carregamento mais lento. Nos Estados Unidos, o nível 1 utiliza uma ligação monofásica de 120 V/15 A através de uma tomada padrão com ligação à terra, como é o caso da NEMA 5-15R [41]. A conexão com o VE pode ser efetuada através de um conetor padrão J1772, não sendo necessário mais nenhuma infraestrutura adicional. O custo de uma instalação residencial para carregamentos nível 1 é de aproximadamente entre 500 a 880 dólares [42], no entanto, no geral a instalação não é necessária pois é esperado que o carregador esteja integrado no VE, ou seja, um carregador on-board.
Nível 2
Para estações de carregamento dedicadas, públicas ou privadas, o método primário de carregamento é o nível 2. Por norma, o carregador, tal como no nível 1, encontra-se on-board, precavendo a utilização de eletrónica de potência redundante. Os equipamentos do nível 2 existentes oferecem carregamento monofásico de 230 V ou trifásico de 400 V, com correntes até 80 A. Este nível de carregamento pode necessitar de equipamentos e instalação de conexões dedicadas para unidades residenciais ou públicas [38], no entanto existem veículos como os Tesla que já contêm a eletrónica de potência necessária on- board sendo apenas necessária uma tomada [1].
A maioria dos utilizadores de VEs prefere a tecnologia de carregamento nível 2, devido à rapidez em que o carregamento é efetuado, superior ao nível 1, e a conexão com o veículo ser estandardizada. De notar que tipicamente é necessário ter um contador de eletricidade separado do que se utiliza para a eletricidade consumida no dia-a-dia [1].
No que diz respeito aos custos de instalação de equipamentos de carregamento nível 2, o preço é um pouco maior que o nível inferior, pode variar entre 1000 a 3000 dólares [43], em que uma unidade de carregamento residencial tem um custo aproximado de 2150 dólares [42].
Nível 3
O nível 3 de carregamento oferece a possibilidade de carregar os VEs em menos de uma hora. Os carregadores são off-board e podem ser instalados em áreas de serviço de autoestradas e pontos de carregamento específicos das grandes cidades, sendo estes análogos aos postos de abastecimento de combustível atuais. Devido aos elevados valores de potência necessários para efetuar o carregamento rápido, e tal como foi mencionado anteriormente, o carregador tem de ser off-board, pois contém toda a eletrónica de potência necessária para efetuar a conversão CA-CC necessária para o carregamento das baterias [1].
O carregamento das baterias pode também ser feito através de alimentação CC, existindo já padrões para a transferência do fluxo de potência CC direto entre a rede e as baterias do veículo, como é o caso do protocolo japonês CHAdeMO [44].
O custo de instalação de infraestruturas de carregamento nível 3 é um dos grandes entraves na sua implementação, uma vez que os valores variam entre os 30000 a 160000 dólares [45]. Por sua vez, o custo de manutenção das estações de carregamento também é um fator a considerar [46].
Por fim, na Tabela 2.3, estão apresentados de forma resumida os três níveis de carregamento que foram apresentados anteriormente.
Tabela 2.3 – Níveis de carregamento dos VEs [39]. Níveis de Carregamento Localização do Carregador Uso Típico Interface de Fornecimento de Energia Nível de Potência Esperada Tempo de Carregamento Tipos de VE’s Nível 1 120 VCA (EUA) 230 VCA (EU) On-Board Monofásico Carregamento residencial Tomada Normal 1,4 kW (12 A) 4-11 horas PHEV (5-15 kWh) 1,9 kW (20 A) 11-36 horas EV (16-50 kWh) Nível 2 240 VCA (EUA) 400 VCA (EU) On-Board Monofásico ou Trifásico Carregamento ou tomadas públicas ou privadas EVSE Dedicado 4 kW (17 A) 1-4 horas PHEV (5-15 kWh) 8 kW (32 A) 2-6 horas EV (16-30 kWh) 19,2 kW (80 A) 2-3 horas EV (3-50 kWh) Nível 3 208-600 VCC Off-Board Trifásico Comercial, análogo a um posto de abastecimento EVSE Dedicado 50 kW 100 kW 0,4-1 hora 0,2-0,5 hora EV (20-50 kWh)
Além dos três níveis de carregamento, existem quatro modos para efetuar o mesmo. Os modos de carregamento referem-se à comunicação eletrónica entre o veículo e a fonte de alimentação, sendo um dos principais propósitos da comunicação garantir a segurança do carregamento. Estes modos são apresentados no padrão internacional IEC 61851-1. Seguidamente, são descritos cada um dos modos de forma resumida de acordo com [36], [47], [48]:
Modo 1: Na Figura 2.11 encontra-se uma demonstração gráfica de como é efetuado o modo 1 de carregamento. O veículo é conectado à rede elétrica através das tomadas normais, como por exemplo a tomada Schuko [49], que fornece corrente alternada até 16 A, através de um cabo normal de carregamento, sem a função de comunicação com o carregador on-board do VE.
Figura 2.11 – Modo de carregamento 1. Carregador
on-board Baterias Conector
A instalação elétrica deve estar de acordo com as normas de segurança e ter uma instalação terra e um disjuntor diferencial, caso contrário não é possível o carregamento no modo 1.
Modo 2: Tal como no modo 1, é possível fazer o carregamento do VE através de uma tomada estandardizada. No entanto, é necessário um cabo especial EVSE que contém uma caixa de controlo embutida, como se pode observar na Figura 2.12.
Figura 2.12 – Modo de carregamento 2.
O cabo inclui as seguintes caraterísticas: o Disjuntor diferencial residual; o Proteção contra altas temperaturas; o Proteção contra sobrecorrentes;
o Deteção de proteção terra (fornecida pela tomada). O carregamento apenas será efetuado caso:
o Seja detetada ligação à terra;
o Não seja detetada qualquer anomalia entre a tomada e o VE (sobrecorrente, sobreaquecimento, entre outras);
o O VE seja detetado;
o O VE tenha a potência mínima requerida.
Modo 3: Para se efetuar o carregamento neste modo é necessário a utilização de um EVSE dedicado com um cabo de carregamento embutido. A ligação do VE ao EVSE pode ser visualizada na Figura 2.13, onde se pode observar que o carregamento é efetuado através de corrente contínua que é fornecida diretamente ao carregador on-board. Este modo de carregamento permite que o VE seja carregado mais rapidamente, sendo o protocolo de segurança semelhante ao modo 2. No entanto, todos os dispositivos de segurança encontram-se instalados no EVSE.
Carregador on-board Baterias Conector Tomada Caixa de controlo
Figura 2.13 – Modo de carregamento 3.
Neste modo a tomada, o socket e o acoplador carregamento são específicos. Dado permitirem valores de potência maiores, o carregamento é efetuado em menos tempo. A escolha do EVSE vai depender do protocolo de carregamento do VE que o fabricante deste indica.
Modo 4: Este modo de carregamento é o mais rápido, denominando-se de carregamento rápido CC, em que se utiliza um carregador off-board que fornece corrente contínua diretamente para as baterias, fazendo o bypass ao carregador on-board, tal como se pode observar na Figura 2.14.
Figura 2.14 – Modo de carregamento 4.
Devido aos elevados valores de potência utilizados (de 20 kWh a 120 kWh), o modo 4 de carregamento permite que um VE carregue as suas baterias até 80 % num período entre 15 a 30 minutos.
Exemplos de Carregadores Rápidos no Mercado Atual
Atualmente existem diversas empresas que já abraçaram o conceito de mobilidade elétrica. Como referido anteriormente, concentram-se em desenvolver equipamentos com melhores performances, incidindo bastante no desenvolvimento de carregadores para VEs. Carregador on-board Baterias Conector EVSE CA Baterias Conector CC
Atualmente, existem diversas empresas que desenvolvem carregadores para VEs, empresas estas nacionais e internacionais. De entre essas empresas existe um nicho delas que produzem carregadores rápidos para VEs, onde figuram as seguintes:
Magnum Cap; EFACEC; ABB; Bosch; Eaton; Schneider Electric.
Seguidamente, serão apresentadas algumas soluções no que diz respeito aos carregadores rápidos disponíveis no mercado atual. Primeiramente serão apresentados carregadores que são desenvolvidos por duas empresas de origem nacional, nomeadamente a Magnum Cap e a Efacec, e posteriormente de duas empresas internacionais, a ABB e a Bosch.
Magnum Cap MCR63
A Magnum Cap é uma empresa com sede em Aveiro, que tem como objetivo o desenvolvimento de equipamentos eletrónicos para fazer a gestão, controlo e distribuição de energia, estando atualmente focados na produção de sistemas de carregamento para VEs, tendo soluções para carregamento de VEs de duas ou quatro rodas, com carregadores normais, residenciais (uso privado) ou de carregamento rápido. Um dos carregadores rápidos que a Magnum Cap produz é o MCR63 (Figura 2.15), carregador este que foi desenvolvido para carregamento de todos os VEs que estejam de acordo com o padrão IEC6181 [50].
Trata-se de um sistema compacto, inteligente e seguro que integra uma interface amigável na ótica do utilizador, com o recurso a uma interface gráfica (display) e um teclado capacitivo (sensível ao toque). No display é possível visualizar o estado de carregamento, o tempo decorrido e a potência transferida em kWh. Existe uma API – Application Programming Interface – para a gestão e integração da estação de carregamento, sendo possível comunicação com a mesma através da rede móvel 3G ou ethernet. Dependendo do tipo de VE que se está a carregar, pode ser efetuado o carregamento total das baterias do mesmo em menos de trinta minutos [50].
Na Tabela 2.4 pode ser visualizada a ficha técnica do carregador rápido MCR63.
Tabela 2.4 – Ficha técnica do Magnum Cap MCR63 [50]. Especificações Elétricas
Tensão nominal de entrada 400 VCA ± 10 % (3L-N-PE), 50 Hz
Corrente nominal de entrada 63 A
Stand-by <20 W
Proteção diferencial 30 mA
Carregamento
Tensão de saída 400 VCA ± 10 %
Corrente de saída/Potência de saída 63 A/43 kW
Proteção 80 A
Tipo de cabo IEC62196-2
Modo de carregamento Modo 3
Medição de energia Calibrado (≤ 100 Wh de resolução)
Operação e Display
Identificação RFID (Mifare/Calypso)
Display 7̋’’(800×480)
Teclado numérico tátil Comunicação
Ethernet Sim
Modem GPRS/GSM integrado Opcional
WLAN Por encomenda
Dimensões
Dimensões (C×L×A) 600×230×1690 mm
Peso ≈ 60 Kg
Por fim, por se tratar de um sistema de carregamento rápido, a sua instalação é normalmente efetuada em locais onde o tempo de carregamento seja um fator determinante, como por exemplo é o caso de estações de serviço, frotas de veículos comerciais e parque de estacionamento de centros comerciais.
Efacec QC45
A Efacec foi criada em 1948 em Portugal e atualmente tem sede em São Mamede de Infesta. Foi o maior grupo elétrico de capitais portugueses, e está presente em cerca de 65 países. A Efacec é um grupo multifacetado que opera nas mais diversas áreas da engenharia [52].
Atualmente a empresa, tal como outras mencionadas anteriormente, de forma a manter-se dentro das tendências do mercado, tem também um departamento dedicado à mobilidade elétrica, sendo das pioneiras a desenvolver carregadores rápidos a nível mundial [53]. De entre os diversos modelos de sistemas para o carregamento rápido destaca-se o modelo QC45, que se pode visualizar na Figura 2.16, e que além do carregamento rápido CA, também permite que os VEs que tenham entradas CHAdeMO (carregamento rápido CC) e CCS (Combo Coupler System) usufruam das mesmas [54].
Figura 2.16 – Efacec QC45 [55].
As principais caraterísticas do QC45 são [54]: Múltiplos padrões de carregamento;
Múltiplas saídas;
Carregamento CC até 50 kW; Carregamento CA até 43 kW; Eficiência superior a 93 %; Alto fator de potência (0,98); Fácil instalação (plug&play);
Carregador autônomo ou ligado à rede de comunicações; Controlo e monitorização local ou remota;
Personalização;
Proteção contra corrosão C3.
Na Tabela 2.5 é possível obter uma informação mais completa do QC45.
Tabela 2.5 – Ficha técnica do QC45 [54]. Valores Nominais de Entrada
Ligação 3F+N+PE
Tensão e Frequência 400 VCA ± 10 %, 50 Hz
Corrente e Potência 73 A, 50 kVA
Eficiência >93 %
Fator de potência 0,98
Valores Nominais de Entrada CA (Opcional)
Fases 1F ou 3F+N+PE
Tensão e Frequência 400 VCA ± 10 %, 50 Hz
Corrente e Potência Até 32 A, 22 kVA
Saída CC
Tensão 50 VCC a 500 VCC
Corrente 0 a 120 A
Potência Nominal (@ 400 V) 45 kW (contínuos), 50 kW (pico)
Saída CA (Opcional)
Tensão 230 V ou 400 V
Corrente De 16 A a 63 A
Potência Nominal De 3,7 kVA a 43 kVA
Especificações Gerais
Modo de carregamento Modo 3 (CA) e Modo 4 (CC)
Comunicação com o VE
JEVS G104 (CHAdeMO) IEC61851-23 PLC (CCS / Combo-2)
IEC61851-1 (CA)
Cabos CC JEVS G105 (CHAdeMO)
Combo T2 (CCS / Combo-2)
Cabo CA IEC62196 Type-2
Display 6,7̋’’
Identificação RFID (Mifare/Desfire EV1 ou outros mediante pedido)
Comunicação com a rede Ethernet, 3G (GPRS ou CDMA) e Wi-Fi
Dimensões (C×L×A) 600×600×1800 mm
Peso ≈ 600 kg
ABB Terra 53
Após a fusão da empresa sueca Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget (ASEA) com a empresa suíça Brown, Boveri & Cie (BBC) em 1988, nasceu a multinacional ABB, com sede em Zurique, umas das maiores empresas do mundo na construção de redes elétricas [56]. À semelhança da portuguesa Efacec, a ABB faz pesquisa, desenvolvimento
e produção nas mais diversas áreas, incluindo também a mobilidade elétrica, mais propriamente os sistemas de carregamento para VEs.
De entre a vasta oferta que existe em carregadores rápidos por parte da ABB, destacam-se os modelos Terra 53, que estão disponíveis em 4 configurações diferentes, nomeadamente C, CT (CCS e tomada CA), CJ (CCS e CHAdeMO) e CJG (CCS, CHAdeMO e cabo CA) e que podem ser visualizados na Figura 2.17, pela ordem que foram mencionados anteriormente [57].
Figura 2.17 – Possíveis configurações do Terra 53 (da esquerda para a direita): Terra 53 C, Terra 53 CT, Terra 53 CJ e Terra 53 CJG [58].
Como caraterísticas principais estes sistemas de carregamento são bastante parecidos ao sistema de carregamento rápido da Efacec, o QC45, tal como se pode observar na Tabela 2.6.
Além da sua flexibilidade no que diz respeito aos protocolos de carregamento suportados, todos os carregadores têm ligação à internet, o que possibilita aos utilizadores uma fácil conexão aos mesmos via sistemas de software, como por exemplo plataformas de pagamento, sistemas de energia de smart grids e sistemas de back-office. Isto também torna possível a assistência remota, diagnóstico de problemas e updates remotos [57].
Tabela 2.6 – Ficha técnica dos modelos ABB Terra 53 [57].
Especificações C (Padrão) J (Opcional) G (Opcional) T (Opcional)
Padrão de
carregamento CCS CHAdeMO Cabo Type 2 Tomada Type 2
Potência máxima na saída 50 kW 50 kW 43 kW 22 kW Tensão na saída 50 – 500 VCC 50 – 500 VCC 400 V ± 10 % 400 V ± 10 % Corrente máxima na saída 125 A 125 A 63 A 32 A Padrão de conexão EN61851-23 /
DIN 70121 CHAdeMO 1.0 EN61851-1:2010 EN61851-1:2010 Tipo de conetor/tomada Combo-2 CHAdeMO / JEVS G105 IEC62196 mode- 3 type-2 IEC62196 mode- 3 type-2 Comprimento cabo 3,9 m 3,9 m 3,9 m –– Especificações Gerais Ligação 3F+N+PE
Tensão de entrada 400 VCA ± 10 % (50 Hz ou 60 Hz)
Potência/Corrente de entrada máxima
C, CJ: 80 A, 55 kVA CT: 112 A, 77 kVA CJG: 143 A, 98 kVA
Fator de potência >0,96
Eficiência 94 % na potência nominal de saída
Identificação
RFID (ISO/IEC14443A/B, ISO/IEC15693, FeliCa™ 1, NFC reader mode, LEGIC Prime &
Advant)
Dimensões (C×L×A) 760×525×1900 mm
Comunicação com a rede GSM / CDMA / 3G modem, 10/100 Base-T
Ethernet
Peso ≈ 400 kg
Schneider Electric EVlink Fast Charge
A Schneider Electric é uma empresa multinacional francesa, fundada em 1836. As suas principais áreas de especialização são a distribuição elétrica, automação industrial, produção e distribuição de componentes para a gestão de energia [59]. Tal como todas as empresas mencionadas anteriormente, a Schneider Electric também tem soluções para o carregamento rápido de VEs, onde figura a sua gama de produtos EVlink [2].
Na Figura 2.18 está representado o sistema de carregamento rápido EVlink Fast Charge.
À semelhança das soluções apresentadas anteriormente, este carregador permite que as baterias dos VEs alcancem 80 % da sua capacidade máxima em menos de 30 minutos, sendo ideais para estações de serviço e parques de estacionamento. Na Tabela 2.7 estão descritas algumas das caraterísticas do EVlink Fast Charge [61].
Tabela 2.7 – Ficha Técnica EVlink Fast Charge [2]. Valores Nominais de Entrada
Ligação 3F+N+PE
Tensão e frequência 400 VCA (+10/-15 %), 50-60 Hz
Carregamento CC
Modo de carregamento Modo 4 (IEC 61851-23)
Tipo de conetor CHAdeMO, Combo-2
Tensão e corrente de carregamento 500 VCC, 125 A
485 VCC com conetor CHAdeMO
Proteções 1F ou 3F+N+PE
Comprimento do cabo 4 m
Carregamento CA
Modo de carregamento Modo 3 (IEC 61851-22)
Tensão e corrente de carregamento 400 VCA, 63 A
Proteções
Comprimento do cabo 4,4 m