Carregamento bidirecional de veículos elétricos

O carregamento bidirecional permite que um veículo elétrico forneça energia elétrica, além de recebê-la. A capacidade que pode ser aproveitada depende do destino dessa energia: uma carga portátil, outro veículo, um edifício isolado ou a rede elétrica pública.

Os nomes definem sistemas diferentes

“V2X” é um termo abrangente. Os casos de uso mais comuns não são intercambiáveis:

V2L — veículo para carga: o veículo alimenta aparelhos ou ferramentas por meio de uma tomada embarcada ou de um adaptador.
V2V — veículo para veículo: um veículo fornece energia a outro, geralmente com potência limitada.
V2H — veículo para residência: o veículo alimenta uma residência, normalmente por meio de equipamentos de transferência e isolamento.
V2B — veículo para edifício: o veículo atende a uma instalação maior ou a circuitos selecionados de um edifício.
V2G — veículo para rede: o veículo fornece energia em sincronismo com a rede elétrica pública, sob o controle da concessionária e do mercado.
V1G ou carregamento gerenciado: a energia continua fluindo apenas para o veículo, mas o horário ou a taxa de carregamento é controlado para apoiar a instalação ou a rede.

O V2L pode não exigir uma instalação fixa além da tomada aprovada do veículo. V2H e V2B exigem uma integração segura com o edifício. O V2G acrescenta interconexão à rede, autorização, telemetria e um serviço ou uma tarifa viável.

Duas arquiteturas principais de conversão

A bateria de tração armazena energia em corrente contínua. A potência fornecida pode ser convertida no veículo ou fora dele.

Exportação de corrente alternada embarcada

Um inversor bidirecional embarcado gera corrente alternada no veículo. Essa energia pode alimentar:

Uma tomada de fábrica
Um adaptador de conector com uma ou mais tomadas
Uma porta de carregamento em corrente alternada compatível
Um sistema fixo de integração residencial

Isso pode reduzir a quantidade de eletrônica de potência nos equipamentos externos, mas o veículo precisa fornecer tensão e frequência com qualidade de rede, proteção, limitação de corrente e o modo de operação pretendido.

Conversão de corrente contínua externa ao veículo

Um carregador bidirecional de corrente contínua se conecta à bateria de tração pela interface de corrente contínua do veículo e contém o inversor que produz corrente alternada. Ele pode atender a uma residência, um edifício ou a rede, mantendo uma parcela maior dos equipamentos de conversão em uma instalação fixa.

O veículo, o carregador, o protocolo de comunicação e a instalação precisam oferecer suporte à mesma implementação de exportação. Um automóvel anunciado com V2L não é automaticamente compatível com um wallbox bidirecional de corrente contínua, e uma entrada compatível com os padrões não comprova que o software do veículo habilite o V2G.

V2L: energia portátil

O V2L é o caso de uso de exportação menos complexo, pois alimenta cargas locais em vez de operar em paralelo com a rede. As implementações mais comuns oferecem uma tomada semelhante à residencial dentro da cabine, na área de carga ou por meio de um adaptador na entrada de carregamento.

A potência do V2L é limitada pelo inversor do veículo, pela tensão da tomada e pela corrente. A corrente de partida de motores, compressores, bombas, aquecedores e ferramentas elétricas pode exceder a carga durante o funcionamento. Tanto o limite contínuo informado quanto o limite de curta duração são importantes.

Não alimente uma residência em sentido reverso por meio de uma tomada comum. Um sistema V2H aprovado deve impedir que o veículo energize as linhas da concessionária durante uma interrupção e precisa gerenciar o neutro, o aterramento, a proteção contra falhas e a transferência entre a operação conectada à rede e a operação isolada.

V2H e V2B: uma bateria móvel de reserva

Um sistema para edifícios normalmente inclui:

Um veículo bidirecional compatível
Um EVSE ou uma unidade de conversão de potência compatível
Uma chave de transferência ou um gateway de isolamento da rede
Circuitos protegidos para cargas críticas ou conexão de todo o edifício
Medição e controles de energia
Uma configuração de reserva do estado de carga
Comissionamento de acordo com as regras locais de instalações elétricas e interconexão

Quando a rede falha, o sistema deve desconectar o edifício da concessionária antes de formar uma ilha elétrica local. Essa barreira anti-ilhamento protege os profissionais que trabalham nas linhas e evita uma reconexão descontrolada. Quando a energia da rede retorna, é preciso gerenciar tensão, frequência e transferência antes que a operação normal seja retomada.

A potência de reserva e a energia de reserva respondem a perguntas diferentes. A potência determina quais cargas podem funcionar simultaneamente; a energia determina por quanto tempo elas podem funcionar.

Considere, como exemplo, uma bateria de 75 kWh na qual o motorista reserva 30% para mobilidade e separa outros 10% para perdas de conversão e margem operacional. Restam cerca de 45 kWh para as cargas. Com uma média de 1 kW, isso corresponde a aproximadamente 45 horas; com 5 kW, a cerca de 9 horas. Os resultados reais variam conforme a eficiência do inversor, o consumo em espera, a temperatura, os limites do veículo e as mudanças na demanda da residência.

Cargas elevadas podem exceder a potência de exportação mesmo quando ainda há bastante energia disponível. Uma residência pode precisar desligar cargas como aquecimento resistivo, aquecimento elétrico de água, equipamentos de cozinha, ar-condicionado ou vários motores.

V2G: exportação durante a conexão à rede

O V2G não é simplesmente um V2H com a chave de transferência mantida fechada. A exportação em paralelo com a rede deve estar sincronizada com o sistema elétrico e cumprir os requisitos locais de tensão, frequência, fator de potência, anti-ilhamento, resposta a falhas e controle remoto.

O sistema completo pode envolver:

Certificação do veículo e do carregador bidirecional
Análise de interconexão pela concessionária e autorização para operar
Uma tarifa ou um programa de mercado que permita a exportação
Um agregador que coordene vários veículos
Horários do motorista, reserva mínima e necessidades de partida
Comunicação segura e medição
Compensação por energia, capacidade, resposta à demanda ou serviços de rede

A lista de equipamentos da California Energy Commission ilustra a diferença entre capacidade técnica e autorização: os equipamentos listados podem oferecer operação bidirecional, mas o cliente ainda precisa passar pelo processo de interconexão da concessionária e obter autorização antes de exportar energia.

O V2G pode responder mais rapidamente que um motorista e agregar muitos veículos estacionados. Sua disponibilidade, porém, é incerta, pois os automóveis se deslocam. Um serviço de rede deve respeitar a função principal de transporte e não pode presumir que toda bateria inscrita esteja conectada.

O conjunto de padrões

Nenhum padrão isolado forma um sistema bidirecional completo.

A ISO 15118-20 define mensagens e sequências de comunicação entre o veículo e o EVSE para a transferência bidirecional de energia.
O OCPP 2.1 acrescenta funções entre o carregador e o sistema de gerenciamento para carregamento bidirecional e controle de recursos energéticos distribuídos.
A UL 9741/CSA 348 abrange equipamentos bidirecionais de exportação de energia para veículos elétricos na América do Norte.
A UL 1741 e os códigos locais da rede tratam do comportamento do inversor e da interconexão em aplicações pertinentes na América do Norte.
Regras nacionais de instalações elétricas, procedimentos das concessionárias, tarifas, requisitos de segurança cibernética e aprovações de produtos completam os limites da instalação.

A compatibilidade com os padrões reduz o risco de integração, mas não comprova a interoperabilidade de ponta a ponta. O software do veículo, o firmware do carregador, os ecossistemas de certificados, a implementação do backend e as regras da concessionária também precisam estar alinhados.

Eficiência, custo e uso da bateria

Todo ciclo completo perde energia. A corrente alternada da rede pode ser convertida em corrente contínua da bateria durante o carregamento e novamente em corrente alternada durante a exportação, com consumos adicionais do veículo, do cabo, do sistema térmico e do modo de espera. Um cálculo de arbitragem de preços deve incluir:

Preço de importação e compensação pela exportação
Eficiência do ciclo completo
Encargos de rede e de demanda
Equipamentos e instalação necessários
Pagamentos pela disponibilidade no programa
O valor da energia de reserva
Energia processada pela bateria

A degradação da bateria não pode ser reduzida a “V2G é prejudicial” ou “V2G é gratuito”. O processamento de energia adicional consome parte da vida útil em ciclos da bateria, enquanto temperatura, faixa do estado de carga, corrente, tempo em carga elevada e química das células afetam o resultado. A exportação gerenciada às vezes pode evitar longos períodos de armazenamento com estado de carga elevado, mas o resultado depende da estratégia de controle.

Os motoristas devem definir uma reserva para mobilidade e consultar a garantia do veículo e os termos de V2X. O envelhecimento, o reparo, a segunda vida e a reciclagem da bateria são abordados em EV Battery Lifecycle; os limites da garantia são abordados em EV Battery Warranty.

O que os compradores devem verificar

“Preparado para operação bidirecional” não é suficiente. Pergunte qual é o caso de uso exato e o mercado compatível:

V2L, V2H, V2B, V2G ou apenas carregamento unidirecional gerenciado?
Exportação em corrente alternada ou corrente contínua?
Potência contínua e de pico na tensão local?
Combinação aprovada de veículo, EVSE, gateway e software?
Operação de toda a residência ou apenas de cargas críticas selecionadas?
Reserva manual, transferência automática ou serviço em paralelo com a rede?
Controles de reserva mínima e horário de partida?
Capacidade de partida autônoma após a falha da rede?
Operação durante a perda da internet ou da nuvem do fornecedor?
Instalador local, certificação do produto, autorização da concessionária e tarifa?
Como a garantia trata a energia exportada?

O conector é apenas uma parte da resposta; consulte EV Charging Connectors and Inlets. Os limites do sistema completo de carregamento são abordados em EV Charging: The Complete System.