Carregamento rápido em DC

O carregamento rápido em DC desloca a principal conversão de potência do automóvel para a estação. Pode adicionar rapidamente a energia necessária para uma viagem, mas o resultado útil depende de toda a cadeia que inclui o local, a estação, o cabo, o veículo, a bateria e a rede de carregamento.

O percurso da potência DC

Um local público de carregamento rápido contém, normalmente, mais equipamento do que o posto visível:

Uma ligação à rede, um transformador e a aparelhagem de manobra e proteção alimentam o local.
Os armários de potência retificam AC em DC controlada.
Os módulos de conversão podem ser partilhados entre vários postos.
Um cabo refrigerado a líquido ou por convecção natural transporta DC até ao veículo.
Os contactores, a monitorização do isolamento e os sistemas de proteção mantêm a alta tensão isolada até à conclusão das verificações.
O veículo solicita tensão e corrente dentro dos seus limites de segurança.
A estação mede a energia e comunica a transação ao sistema de back-end da rede de carregamento.

Alguns locais acrescentam uma bateria estacionária para reduzir os picos na rede, servir uma ligação limitada ou alterar o momento em que a energia é retirada da rede. Essa bateria não cria energia; tem de ser recarregada, e a potência contínua do local continua a depender da ligação à rede e da estratégia operacional.

O que acontece depois de inserir a ficha

A sequência exata varia consoante o sistema de carregamento, mas uma sessão DC moderna segue a mesma lógica de segurança:

A estação deteta o conector e o veículo.
A sinalização de baixa tensão confirma o estado da ligação e a capacidade do cabo.
A estação e o veículo estabelecem uma comunicação de alto nível.
O condutor ou o veículo é autorizado, a menos que a estação inicie sem autenticação de conta.
Os sistemas verificam o isolamento, o bloqueio, a compatibilidade da tensão e a existência de falhas.
A estação eleva a sua saída até corresponder ao lado do veículo antes de fechar o percurso de alta tensão.
O veículo solicita repetidamente uma corrente e uma tensão permitidas.
Ambos os lados monitorizam a corrente, a tensão, o isolamento, a temperatura do conector, os sinais de emergência e a comunicação.
Ao terminar, a corrente diminui, os contactores abrem, a tensão é descarregada conforme necessário e o conector é desbloqueado.

Esta negociação explica por que razão uma ficha fisicamente compatível é necessária, mas insuficiente. Uma sessão pode falhar antes da transferência de potência devido à comunicação, aos certificados, ao back-end da estação, à autorização, às verificações de isolamento, à deteção do bloqueio ou a uma tensão incompatível.

O valor anunciado é um limite máximo

A designação “carregador de 350 kW” pode referir-se ao armário, a um posto em condições ideais ou ao máximo de um grupo com partilha de potência. Não promete 350 kW a todos os veículos ligados.

A potência instantânea é limitada por:

Potência disponível no local nesse momento
Atribuição dos módulos de conversão
Tensão e corrente máximas da estação
Corrente contínua ou temporariamente reforçada do cabo e do conector
Arrefecimento e temperatura dos contactos
Tomada, condutores e eletrónica de potência do veículo
Tensão da bateria e corrente solicitada pelo veículo

A potência é o produto da tensão pela corrente. Uma estação limitada a 500 A pode, idealmente, fornecer 200 kW a 400 V, 350 kW a 700 V ou 450 kW a 900 V. Um veículo de tensão mais baixa pode, portanto, ficar limitado pela corrente, mesmo quando ligado a um posto com uma potência anunciada em quilowatts muito superior.

A partilha de potência pode ser estática, dinâmica ou baseada em módulos. Um local pode dividir um armário em partes iguais, encaminhar os módulos livres para o automóvel que os consegue utilizar ou limitar a potência total devido aos limites do transformador ou da bateria. Os ecrãs e as aplicações das estações nem sempre explicam qual é o limite ativo.

Avalie um automóvel pela energia adicionada e pelo tempo

A potência de pico é fácil de anunciar e muitas vezes uma métrica pouco adequada para uma viagem. Uma comparação justa identifica:

Estado de carga inicial e final
Quilowatts-hora adicionados
Tempo de carregamento decorrido
Potência média durante essa janela exata
Temperatura da bateria e temperatura ambiente
Estado do pré-condicionamento
Capacidade de tensão e corrente da estação
Se o valor foi medido, certificado ou declarado pelo fabricante

Adicionar 60 pontos percentuais a uma bateria de 120 kWh transfere muito mais energia do que adicionar 60 pontos percentuais a uma bateria de 60 kWh. Dois tempos de “10–80%” não são comparáveis sem conhecer a energia adicionada.

A potência média para a janela de uma sessão é:

Potência média = energia fornecida ÷ tempo decorrido

Se 56 kWh chegarem ao veículo em 18 minutos, a potência média fornecida pela estação é de cerca de 187 kW:

56 kWh ÷ 0,3 h ≈ 187 kW

A distinção entre o contador e a bateria continua a ser importante. A energia fornecida pela estação pode ser superior à energia armazenada, porque o veículo utiliza potência nas bombas, ventoinhas, aquecimento, arrefecimento, eletrónica e perdas internas.

A temperatura da bateria, as curvas de carregamento, a taxa C, a arquitetura de tensão e o comportamento térmico em sessões repetidas são explicados em How an EV Battery Charges. Este artigo trata da fronteira entre a estação e a viagem, em vez de repetir essa teoria da bateria.

Chegue com pouca carga, mas com uma margem

Muitos veículos elétricos aceitam a sua potência DC mais elevada com um estado de carga relativamente baixo, reduzindo depois a potência à medida que a bateria enche. O planeamento da rota pode tirar partido desse facto, chegando com uma reserva baixa, mas segura, e carregando apenas o suficiente para alcançar a próxima paragem adequada.

A percentagem teórica de chegada mais baixa raramente é o melhor objetivo. Tenha em conta:

Condições meteorológicas e vento
Elevação
Desvios e estradas encerradas
Reboque ou cargas no tejadilho
Falha ou fila no carregador
Bateria fria ou pré-condicionamento não realizado
Energia necessária para chegar a um local alternativo

Partir com 80% também não é uma regra universal. Se a potência continuar elevada, a próxima estação fiável estiver distante ou as condições forem desfavoráveis, pode ser racional carregar além dos 80%. Se a potência tiver diminuído acentuadamente e existir outra estação fiável por perto, partir mais cedo pode encurtar a viagem.

A eficiência do veículo relaciona a velocidade de carregamento com a velocidade em estrada. Um automóvel que adiciona energia a 180 kW, mas consome 30 kWh/100 km, ganha autonomia ao mesmo ritmo que um automóvel que adiciona energia a 120 kW e consome 20 kWh/100 km, antes de considerar outras diferenças. Os quilowatts, por si só, não determinam o ritmo da viagem.

Pré-condicionamento e paragens repetidas

Selecionar uma estação DC compatível no sistema de navegação do veículo pode permitir que o automóvel prepare a bateria antes da chegada. Também pode estar disponível uma preparação manual, uma automatização baseada na rota ou uma partida programada.

O pré-condicionamento exige tempo e energia. Não consegue superar uma estação incompatível, um estado de carga muito elevado à chegada, a partilha de potência no local ou uma bateria fora da gama de temperaturas controlável pelo veículo. Um carregador introduzido apenas numa aplicação de telemóvel pode não ativar a preparação do automóvel baseada na rota.

Nas viagens longas, a repetibilidade é importante. A condução a alta velocidade, o reboque, o calor do verão e várias paragens de carregamento consecutivas exigem mais do sistema de arrefecimento. Um veículo com uma curva moderada, mas estável, pode superar outro com um pico mais elevado na primeira sessão que não consiga repetir.

A cobertura é mais do que pontos num mapa

Um marcador de estação não comprova que se trata de uma paragem de carregamento útil. O planeamento da rota deve considerar:

Número de lugares utilizáveis de forma independente
Compatibilidade do conector e da tensão
Alcance do cabo e orientação do estacionamento
Estado atual da estação e fiabilidade recente
Partilha de potência
Horário de funcionamento e acesso físico
Lugares adequados a reboques ou de atravessamento
Iluminação, proteção contra as condições meteorológicas, instalações sanitárias e alimentação
Cobertura móvel e formas alternativas de autorização
Preço, taxas de ocupação e restrições de estacionamento
Um local alternativo credível

O mapa seguinte é um retrato histórico de junho de 2023. Ilustra a geografia da rede, não a cobertura atual da Electrify America.

As redes podem diferir tanto na conceção dos locais como na escala. O ecossistema integrado da Tesla para veículos, planeamento de rotas e Superchargers reduziu várias variáveis de compatibilidade para os seus próprios veículos. O acesso aberto e a adoção da SAE J3400 aumentam o conjunto possível de veículos, mas a geração da estação, a aprovação do adaptador, a tensão, o alcance do cabo e a autorização da rede continuam a determinar o resultado.

A IONITY é um exemplo de uma rede CCS europeia de alta potência concebida em torno dos principais corredores rodoviários. A avaliação prática de um condutor deve, ainda assim, ser específica para cada local, em vez de pressupor que todos têm equipamento ou disponibilidade idênticos.

Autenticação, pagamento e protocolos

Coexistem várias fronteiras de comunicação:

A comunicação entre o veículo e a estação controla a transferência de energia.
O ISO 15118 Plug & Charge pode utilizar certificados de contrato guardados no veículo para autenticação e faturação automáticas.
O OCPP liga um ponto de carregamento ao seu sistema de gestão para autorização, transações, monitorização, configuração e carregamento inteligente.
Os sistemas de roaming ligam prestadores de serviços de mobilidade e operadores de carregamento.
Um terminal de pagamento, uma aplicação, uma credencial RFID, um processo por código QR ou um cartão bancário podem permitir uma autorização ad hoc.

O suporte de uma camada não garante o das restantes. Uma estação pode implementar OCPP sem Plug & Charge baseado no veículo, e um automóvel pode suportar ISO 15118 enquanto a rede não dispõe do ecossistema de certificados e contratos necessário.

As regras da UE constituem um exemplo útil dos requisitos destinados aos clientes: os locais públicos instalados ao abrigo das disposições aplicáveis têm de suportar pagamentos ad hoc, e as estações com 50 kW ou mais têm de apresentar, antes da sessão, um preço ad hoc da energia por kWh, acrescido de qualquer taxa de ocupação. As regras noutros mercados são diferentes.

Os condutores devem comparar o tarifário final, não apenas a componente de eletricidade. Taxas por sessão, cobranças por tempo, margens de roaming, planos de adesão, encargos de estacionamento e taxas de ocupação podem alterar o total.

Se uma sessão não iniciar

Uma verificação metódica é mais rápida do que voltar a ligar repetidamente:

Leia as mensagens da estação e do veículo antes de as ignorar.
Confirme que o conector está totalmente inserido e que o cabo não está a exercer tração lateral.
Experimente o comando de paragem da estação, destranque o veículo e volte a ligar uma vez.
Verifique se a estação exige autorização por aplicação, RFID, cartão bancário ou Plug & Charge.
Experimente outro posto no mesmo local; poderá utilizar módulos de potência ou hardware de cabo diferentes.
Se for seguro e viável, dirija-se a uma alternativa próxima em vez de esgotar a reserva.
Comunique ao operador o lugar, o conector, a hora e o erro exatos.

Não utilize adaptadores improvisados, não mantenha à força um conector danificado no lugar, não contorne um bloqueio nem prossiga após observar arcos elétricos, condutores expostos, entrada de líquidos, fumo ou aquecimento intenso do conector. Utilize a paragem de emergência da estação apenas numa emergência, não como forma habitual de terminar uma sessão.

As famílias de conectores e os limites dos adaptadores são abordados em EV Charging Connectors and Inlets. A visão geral do sistema completo encontra-se em EV Charging: The Complete System.