Carregamento de veículos elétricos: o sistema completo

O carregamento de veículos elétricos é um sistema coordenado de transferência de energia, e não apenas um cabo entre uma tomada e uma bateria. O veículo, o equipamento de alimentação, a instalação elétrica, o conector, as comunicações, o serviço de pagamento e os controlos da bateria têm de estar de acordo antes de a energia começar a fluir.

Um sistema, várias fronteiras

A palavra carregador é usada de forma imprecisa. Separar os componentes facilita a compreensão do carregamento:

A alimentação elétrica fornece corrente alternada (AC) a partir de uma casa, de um edifício ou de uma ligação à rede.
O equipamento de alimentação do veículo elétrico (EVSE) assegura a comutação, a proteção, a sinalização e uma ligação segura ao veículo.
O carregador de bordo converte AC em DC durante o carregamento em AC.
Uma estação de carregamento em DC realiza a principal conversão de AC para DC fora do veículo e fornece corrente contínua controlada ao sistema de alta tensão.
O controlador de carregamento do veículo e o sistema de gestão da bateria decidem quanta tensão e corrente o veículo pode solicitar.
Uma rede de carregamento pode gerir a autenticação, os tarifários, o pagamento, a monitorização e a operação remota.

O EVSE não força a potência anunciada a entrar no automóvel. Comunica o que está disponível; o veículo solicita uma quantidade dentro dos limites de segurança do sistema completo.

As quatro grandezas que importam

Nas conversas sobre carregamento, é frequente confundir potência, energia, tensão e corrente:

A potência, medida em quilowatts (kW), é a taxa instantânea de transferência de energia.
A energia, medida em quilowatts-hora (kWh), é a quantidade fornecida ou armazenada.
A tensão, medida em volts (V), é a diferença de potencial elétrico.
A corrente, medida em amperes (A), é a taxa de fluxo de carga elétrica.

Para uma ligação DC ideal:

Potência = Tensão × Corrente

Uma estação que forneça 700 V a 400 A entrega 280 kW nesse instante. Nem a indicação no armário da estação nem a potência de pico anunciada para o automóvel garantem que esta combinação ocorrerá. A temperatura do cabo, a distribuição de potência no local, a gama de tensões da estação, a corrente do conector, o estado da bateria e os limites do veículo podem reduzi-la.

O tempo de carregamento não corresponde simplesmente à capacidade da bateria dividida pela potência de pico. A potência de pico pode durar apenas alguns instantes, os sistemas auxiliares consomem energia e a potência permitida varia ao longo da sessão. A física do lado da bateria, a taxa C, a temperatura, a curva de carregamento e os efeitos do estado de carga são abordados em How an EV Battery Charges.

AC e DC são percursos de potência diferentes

Durante o carregamento em AC, a estação fornece corrente alternada controlada e o carregador de bordo do automóvel converte-a em DC. A potência utilizável fica, por isso, limitada pelo valor mais baixo entre as capacidades da alimentação do edifício, do circuito, do EVSE, do cabo e do carregador de bordo. O carregamento em AC é adequado a locais onde o automóvel permanece estacionado durante horas: casas, locais de trabalho, hotéis e destinos.

Durante o carregamento em DC, a eletrónica de potência externa ao veículo converte a corrente alternada da rede em corrente contínua controlada. A estação e o veículo estabelecem uma tensão segura, fecham os respetivos contactores e negoceiam continuamente a corrente. O equipamento DC é maior e mais dispendioso, mas pode transferir muito mais potência porque não depende do carregador AC de bordo do automóvel. É utilizado sobretudo para carregamento em viagem, rápida rotação de frotas e veículos sem acesso fiável a carregamento noturno.

A diferença prática é o tempo de permanência. Uma ligação de baixa potência pode ser a melhor solução quando o automóvel ficará parado durante dez horas; uma ligação de alta potência é importante quando cada minuto atrasa uma viagem.

Níveis, modos e designações comerciais

O vocabulário do carregamento varia consoante a região. Na América do Norte, AC Level 1, AC Level 2 e DC fast charging são categorias comuns. Os mercados que seguem as normas IEC também utilizam os Modos 1–4 para descrever a configuração de ligação e controlo. A expressão “Level 3” é muitas vezes usada informalmente para o carregamento em DC, mas não é uma norma universal para veículos ligeiros de passageiros.

Termos como rápido, muito rápido, ultrarrápido e carregamento de alta potência não têm um limiar global único. Uma descrição rigorosa indica o tipo de corrente, a potência disponível, a gama de tensões e correntes, o conector e a janela de carregamento relevante.

A compatibilidade física é apenas a primeira camada. A ficha tem de encaixar, mas o veículo e a estação também têm de suportar tensão, sinalização, comunicação digital, autorização e comportamentos de segurança compatíveis. EV Charging Connectors and Inlets explica as principais interfaces regionais e os limites dos adaptadores.

O que determina a potência efetiva

Em cada momento, a potência útil de carregamento é limitada pelo limite ativo mais restritivo:

Potência efetiva ≤ o limite mais baixo imposto pelo
local, estação, cabo, conector, hardware do veículo e controlos da bateria

Alguns exemplos:

Um posto de 350 kW ligado a um armário com partilha de potência pode ter menos potência disponível quando outro veículo está a carregar.
Uma estação limitada pela corrente pode não fornecer a potência anunciada a uma bateria de tensão mais baixa.
Um automóvel de alta tensão pode necessitar de um elevador de tensão ou de uma bateria reconfigurável para utilizar uma estação DC de tensão mais baixa.
Um EVSE trifásico de 11 kW não consegue fazer com que um automóvel equipado com um carregador de bordo monofásico de 7,4 kW aceite 11 kW.
Uma bateria fria, quente, quase cheia ou termicamente saturada pode solicitar substancialmente menos do que a estação consegue fornecer.

O número em destaque é, portanto, um limite máximo de compatibilidade, não uma previsão. No carregamento em DC, a potência média ao longo de uma janela de estado de carga indicada e a energia adicionada são, regra geral, mais informativas do que a potência de pico por si só.

Mapa da série sobre carregamento

Os restantes artigos desta série seguem as fronteiras do sistema, em vez de repetirem a teoria da bateria:

EV Charging Connectors and Inlets aborda fichas, tomadas no veículo, normas regionais, adaptadores e posicionamento da porta.
Home EV Charging aborda o dimensionamento de circuitos, a segurança da instalação, a gestão da carga, os tarifários e as necessidades diárias de energia.
DC Fast Charging aborda o percurso da potência no carregamento público, a sequência da sessão, a partilha de potência, o pagamento, a fiabilidade e o planeamento de rotas.
Bidirectional EV Charging distingue V2L, V2H, V2B e V2G e explica o equipamento necessário para conversão e isolamento da rede.
Battery Swapping analisa a troca automatizada de baterias, o inventário da estação, a normalização, a segurança e a viabilidade económica.

O carregamento condutivo predomina nos atuais veículos rodoviários, mas não é o único método de transferência de energia. O carregamento sem fios utiliza acoplamento magnético através de uma folga de ar, enquanto os sistemas condutivos automáticos dispensam o manuseamento manual de cabos. Ambos continuam a exigir hardware compatível no veículo, alinhamento, comunicações, proteção e uma instalação elétrica adequada.

A troca de baterias retira ao condutor o tempo de espera pelo reabastecimento energético: a estação instala uma bateria carregada e recarrega mais tarde a bateria retirada.

O que deve verificar quem compra um veículo elétrico

Uma especificação de carregamento útil responde a questões práticas, em vez de se limitar a apresentar o número mais elevado:

Que conectores AC e DC estão instalados no mercado em causa?
Quais são a potência AC máxima, o número de fases e a corrente?
Que gamas de tensão e corrente DC pode o veículo utilizar?
Quanta energia é adicionada numa janela de carregamento claramente indicada e qual é a potência média?
O sistema de navegação pré-condiciona automaticamente a bateria antes de uma paragem DC planeada?
O automóvel consegue utilizar estações mais antigas ou de tensão mais baixa sem uma penalização acentuada de potência?
As redes que o condutor utilizará suportam Plug & Charge, roaming e pagamentos ad hoc?
A capacidade bidirecional já está disponível para o caso de utilização pretendido ou é apenas descrita como preparada para o futuro?
Onde fica a tomada no veículo e os comprimentos habituais dos cabos serão adequados quando se reboca ou transporta equipamento montado na traseira?

Nenhuma especificação de carregamento responde, por si só, a todos os casos de utilização. O carregamento doméstico é um problema de planeamento energético; o carregamento em viagem é um problema de tempo e rede; a aceitação de carga pela bateria é um problema eletroquímico e térmico. Manter estas fronteiras claras permite fazer comparações justas.