Carregamento de veículos elétricos: o sistema completo

O carregamento de veículos elétricos é um sistema coordenado de transferência de energia, 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 controles da bateria precisam estar de acordo antes que a energia comece a fluir.

Um sistema, várias fronteiras

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

A alimentação elétrica fornece corrente alternada (AC) a partir de uma residência, um edifício ou uma conexão à rede.
O equipamento de alimentação do veículo elétrico (EVSE) oferece comutação, proteção, sinalização e uma conexão segura com o veículo.
O carregador embarcado 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 gerenciamento da bateria decidem quanta tensão e corrente o veículo pode solicitar.
Uma rede de carregamento pode cuidar da autenticação, das tarifas, do pagamento, do monitoramento e da operação remota.

O EVSE não força a potência anunciada para dentro do carro. Ele comunica o que está disponível; o veículo solicita uma quantidade dentro dos limites seguros do sistema completo.

As quatro grandezas que importam

Discussões sobre carregamento frequentemente confundem potência, energia, tensão e corrente:

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

Para uma conexão DC ideal:

Potência = Tensão × Corrente

Uma estação que forneça 700 V a 400 A entrega 280 kW naquele instante. Nem a indicação no gabinete da estação nem a potência de pico declarada para o carro garantem que essa combinação ocorrerá. A temperatura do cabo, a distribuição de potência no local, a faixa de tensão da estação, a corrente do conector, o estado da bateria e os limites do veículo podem reduzi-la.

O tempo de carregamento não é simplesmente a capacidade da bateria dividida pela potência de pico. A potência de pico pode durar pouco, os sistemas auxiliares consomem energia e a potência permitida muda 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 caminhos de potência diferentes

Durante o carregamento em AC, a estação fornece corrente alternada controlada, e o carregador embarcado do carro a converte em DC. Portanto, a potência utilizável é limitada pelo menor valor entre as capacidades da alimentação do edifício, do circuito, do EVSE, do cabo e do carregador embarcado. O carregamento em AC é adequado a locais onde o carro permanece estacionado por horas: residências, locais de trabalho, hotéis e destinos.

Durante o carregamento em DC, a eletrônica de potência externa converte a corrente alternada da rede em corrente contínua controlada. A estação e o veículo estabelecem uma tensão segura, fecham seus contatores e negociam continuamente a corrente. O equipamento DC é maior e mais caro, mas pode transferir muito mais potência porque não depende do carregador AC embarcado no carro. Ele é usado principalmente para carregamento em viagens, rápida rotatividade de frotas e veículos sem acesso confiável ao carregamento noturno.

A diferença prática é o tempo de permanência. Uma conexão de baixa potência pode ser a melhor solução quando o carro ficará parado por dez horas; uma conexão de alta potência faz diferença quando cada minuto atrasa uma viagem.

Níveis, modos e nomes de marketing

O vocabulário de carregamento varia por região. Na América do Norte, AC Level 1, AC Level 2 e DC fast charging são categorias comuns. Os mercados baseados nas normas IEC também usam os Modos 1–4 para descrever a configuração de conexão e controle. “Level 3” é frequentemente usado de maneira informal para o carregamento em DC, mas não é uma norma universal para carros de passeio.

Termos como rápido, muito rápido, ultrarrápido e carregamento de alta potência não têm um único limite global. Uma descrição precisa informa o tipo de corrente, a potência disponível, a faixa de tensão e corrente, o conector e a janela de carregamento relevante.

A compatibilidade física é apenas a primeira camada. O plugue precisa encaixar, mas o veículo e a estação também devem oferecer tensão, sinalização, comunicação digital, autorização e comportamento de segurança compatíveis. EV Charging Connectors and Inlets explica as principais interfaces regionais e os limites dos adaptadores.

O que determina a potência real

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

Potência real ≤ o menor limite imposto por
local, estação, cabo, conector, hardware do veículo e controles da bateria

Alguns exemplos:

Um terminal de 350 kW conectado a um gabinete com compartilhamento de potência pode ter menos potência disponível quando outro veículo está carregando.
Uma estação limitada pela corrente pode não fornecer sua potência anunciada a uma bateria de tensão mais baixa.
Um carro de alta tensão pode precisar de um elevador de tensão ou de uma bateria reconfigurável para usar uma estação DC de tensão mais baixa.
Um EVSE trifásico de 11 kW não consegue fazer um carro com carregador embarcado monofásico de 7,4 kW aceitar 11 kW.
Uma bateria fria, quente, quase cheia ou termicamente saturada pode solicitar muito menos do que a estação é capaz de fornecer.

Portanto, o número em destaque é um teto de compatibilidade, não uma previsão. No carregamento em DC, a potência média ao longo de uma janela de estado de carga informada e a energia adicionada costumam ser mais esclarecedoras do que apenas a potência de pico.

Mapa da série sobre carregamento

O restante desta série acompanha as fronteiras do sistema em vez de repetir a teoria da bateria:

EV Charging Connectors and Inlets aborda plugues, entradas, normas regionais, adaptadores e posicionamento da porta.
Home EV Charging aborda o dimensionamento do circuito, a segurança da instalação, o gerenciamento de carga, as tarifas e as necessidades diárias de energia.
DC Fast Charging aborda o caminho da potência no carregamento público, a sequência da sessão, o compartilhamento de potência, o pagamento, a confiabilidade e o planejamento de rotas.
Bidirectional EV Charging diferencia V2L, V2H, V2B e V2G e explica os equipamentos necessários para conversão e isolamento da rede.
Battery Swapping examina a troca automatizada de baterias, o estoque da estação, a padronização, a segurança e os aspectos econômicos.

O carregamento condutivo predomina nos veículos rodoviários atuais, mas não é o único método de transferência de energia. O carregamento sem fio usa acoplamento magnético através de um espaço de ar, enquanto os sistemas condutivos automáticos eliminam o manuseio manual do cabo. Ambos ainda exigem hardware compatível no veículo, alinhamento, comunicações, proteção e uma instalação elétrica adequada.

A troca de baterias retira do motorista o tempo de espera pela reposição de energia: a estação instala uma bateria carregada e recarrega mais tarde a bateria removida.

O que um comprador de veículo elétrico deve verificar

Uma especificação de carregamento útil responde a perguntas práticas, em vez de apenas indicar o maior número:

Quais conectores AC e DC são instalados no mercado pretendido?
Quais são a potência AC máxima, o número de fases e a corrente?
Quais faixas de tensão e corrente DC o veículo pode usar?
Quanta energia é adicionada em uma janela de carregamento claramente informada e qual é a potência média?
A navegação pré-condiciona automaticamente a bateria antes de uma parada DC planejada?
O carro consegue usar estações mais antigas ou de tensão mais baixa sem uma grande perda de potência?
As redes que o motorista usará oferecem Plug & Charge, roaming e pagamento avulso?
A capacidade bidirecional já está disponível para o uso necessário ou é apenas descrita como preparada para o futuro?
Onde fica a entrada e os comprimentos comuns de cabo funcionarão ao rebocar ou transportar equipamentos montados na traseira?

Nenhuma especificação de carregamento responde sozinha a todos os casos de uso. O carregamento residencial é um problema de planejamento 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 essas fronteiras claras torna as comparações justas.