Carregamento bidirecional de veículos elétricos

O carregamento bidirecional permite que um veículo elétrico exporte energia elétrica, além de a receber. A capacidade útil depende do destino dessa energia: uma carga portátil, outro veículo, um edifício isolado ou a rede elétrica pública.

As designações definem sistemas diferentes

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

V2L — veículo para carga: o veículo alimenta aparelhos ou ferramentas através de uma tomada a bordo ou de um adaptador.
V2V — veículo para veículo: um veículo fornece energia a outro, normalmente com potência limitada.
V2H — veículo para casa: o veículo alimenta uma casa, normalmente através de equipamento de transferência e isolamento.
V2B — veículo para edifício: o veículo fornece energia a um local de maior dimensão ou a circuitos selecionados de um edifício.
V2G — veículo para rede: o veículo exporta energia sincronizado com a rede pública, sob o controlo do operador elétrico e do mercado.
V1G ou carregamento gerido: a potência continua a fluir apenas para o veículo, mas o horário ou a taxa são controlados para apoiar o local ou a rede.

O V2L pode não exigir qualquer instalação fixa além da tomada aprovada do veículo. O V2H e o V2B exigem uma integração segura no edifício. O V2G acrescenta a interligação à rede, autorização, telemetria e um serviço ou tarifário viável.

Duas arquiteturas principais de conversão

A bateria de tração armazena energia DC. A potência exportada pode ser convertida no veículo ou fora dele.

Exportação AC a bordo

Um inversor bidirecional a bordo gera AC no veículo. Essa corrente alternada pode alimentar:

Uma tomada de fábrica
Um adaptador de conector com uma ou mais tomadas
Uma porta de carregamento AC compatível
Um sistema fixo de integração doméstica

Isto pode reduzir a quantidade de eletrónica de potência no equipamento externo, mas o veículo tem de fornecer tensão e frequência com qualidade de rede, proteção, limitação da corrente e o modo de funcionamento pretendido.

Conversão DC fora do veículo

Um carregador DC bidirecional liga-se à bateria de tração através da interface DC do veículo e contém o inversor que produz AC. Pode servir uma casa, um edifício ou a rede, mantendo estacionária uma maior parte do hardware de conversão.

O veículo, o carregador, o protocolo de comunicação e a instalação têm de suportar a mesma implementação de exportação. Um automóvel anunciado com V2L não é automaticamente compatível com uma wallbox DC bidirecional, e uma tomada compatível com as normas não comprova que o software do veículo ativa o V2G.

V2L: energia portátil

O V2L é o caso de utilização de exportação menos complexo, porque alimenta cargas locais em vez de funcionar em paralelo com a rede. As implementações comuns disponibilizam uma tomada de tipo doméstico no habitáculo, numa zona de carga ou através de um adaptador na tomada de carregamento.

A potência V2L é limitada pelo inversor, pela tensão da tomada e pela corrente do veículo. A corrente de arranque dos motores, compressores, bombas, aquecedores e ferramentas elétricas pode exceder a sua carga em funcionamento. São importantes tanto os limites contínuos indicados como os de curta duração.

Não alimente uma casa em sentido inverso através de uma tomada de parede comum. Um sistema V2H aprovado tem de impedir que o veículo energize as linhas da rede durante uma falha e tem de gerir o neutro, a ligação à terra, a proteção contra falhas e a transferência entre o funcionamento ligado à rede e em ilha.

V2H e V2B: uma bateria de emergência móvel

Um sistema para edifícios inclui normalmente:

Um veículo bidirecional compatível
Um EVSE ou unidade de conversão de potência compatível
Um comutador de transferência ou gateway de isolamento da rede
Circuitos protegidos de cargas críticas ou ligação de todo o edifício
Medição e controlos de energia
Uma definição do estado de carga de reserva
Colocação em serviço de acordo com as regras elétricas e de interligação locais

Quando a rede falha, o sistema tem de desligar o edifício do operador elétrico antes de formar uma ilha elétrica local. Esta fronteira anti-ilhamento protege os técnicos da rede e impede uma nova ligação descontrolada. Quando a alimentação da rede regressa, é necessário gerir a tensão, a frequência e a transferência antes de retomar o funcionamento normal.

A potência de emergência e a energia de emergência respondem a perguntas diferentes. A potência determina as cargas que podem funcionar simultaneamente; a energia determina durante quanto tempo podem funcionar.

Considere-se, a título ilustrativo, uma bateria de 75 kWh em que o condutor reserva 30% para a mobilidade e prevê outros 10% para perdas de conversão e margem de funcionamento. Restam cerca de 45 kWh para as cargas. Com uma média de 1 kW, correspondem a cerca de 45 horas; com 5 kW, a cerca de 9 horas. Os resultados reais variam com a eficiência do inversor, a potência em espera, a temperatura, os limites do veículo e as mudanças na procura doméstica.

As cargas elevadas podem exceder a potência de exportação mesmo quando ainda existe muita energia. Uma casa pode necessitar de deslastre de cargas para aquecimento resistivo, aquecimento elétrico de água, cozinha, ar condicionado ou vários motores.

V2G: exportação com ligação à rede

O V2G não é simplesmente V2H com o comutador de transferência fechado. A exportação em paralelo com a rede tem de estar sincronizada com o sistema elétrico e cumprir os requisitos locais relativos a tensão, frequência, fator de potência, anti-ilhamento, resposta a falhas e controlo remoto.

O sistema completo pode envolver:

Certificação do veículo e do carregador bidirecional
Análise da interligação pelo operador elétrico e autorização de funcionamento
Um tarifário ou programa de mercado que permita a exportação
Um agregador que coordene vários veículos
Horários do condutor, reserva mínima e necessidades à hora de partida
Comunicações e medição seguras
Remuneração por energia, capacidade, resposta da procura ou serviços de rede

A lista de equipamentos da California Energy Commission ilustra a distinção entre capacidade técnica e autorização: o equipamento incluído pode suportar o funcionamento bidirecional, mas o cliente continua a necessitar do processo de interligação e da autorização do operador elétrico antes de exportar.

O V2G pode responder mais depressa do que um condutor humano e agregar muitos veículos estacionados. Contudo, a sua disponibilidade é incerta porque os automóveis se deslocam. Um serviço de rede tem de respeitar a principal missão de transporte e não pode pressupor que todas as baterias inscritas estão ligadas.

O conjunto de normas

Nenhuma norma, por si só, cria 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 potência.
O OCPP 2.1 acrescenta funções entre o carregador e o sistema de gestão para carregamento bidirecional e controlo de recursos energéticos distribuídos.
A UL 9741/CSA 348 abrange equipamentos de exportação de potência bidirecional de veículos elétricos na América do Norte.
A UL 1741 e os códigos de rede locais abordam o comportamento dos inversores e da interligação em aplicações norte-americanas relevantes.
As regras nacionais de instalações elétricas, os procedimentos dos operadores, os tarifários, os requisitos de cibersegurança e as aprovações dos produtos completam a fronteira da instalação.

A compatibilidade com as normas reduz o risco de integração; não comprova a interoperabilidade de ponta a ponta. O software do veículo, o firmware do carregador, os ecossistemas de certificados, a implementação do back-end e as regras do operador elétrico também têm de estar alinhados.

Eficiência, custo e utilização da bateria

Todos os ciclos completos perdem energia. A corrente alternada da rede pode ser convertida em corrente contínua da bateria durante o carregamento e novamente em AC durante a exportação, com cargas adicionais do veículo, do cabo, do sistema térmico e em espera. Um cálculo de arbitragem de preços tem de incluir:

Preço de importação e remuneração da exportação
Eficiência do ciclo completo
Tarifas de rede e de potência
Hardware e instalação necessários
Pagamentos pela disponibilidade para o programa
Valor da energia de emergência
Fluxo de energia através da bateria

A degradação da bateria não pode ser reduzida às afirmações “o V2G é prejudicial” ou “o V2G é gratuito”. O fluxo adicional de energia consome parte da vida útil em ciclos de uma bateria, enquanto a temperatura, a janela de estado de carga, a corrente, o tempo com carga elevada e a química das células afetam o resultado. Por vezes, a exportação gerida pode evitar um armazenamento prolongado com SOC elevado, mas o resultado depende da estratégia de controlo.

Os condutores devem definir uma reserva de mobilidade e consultar a garantia do veículo e as condições do V2X. O envelhecimento, a reparação, a segunda vida e a reciclagem das baterias são abordados em EV Battery Lifecycle; os limites da garantia são abordados em EV Battery Warranty.

O que os compradores devem verificar

A indicação “preparado para funcionamento bidirecional” não é suficiente. Solicite o caso de utilização e o mercado exatos que são suportados:

V2L, V2H, V2B, V2G ou apenas carregamento unidirecional gerido?
Exportação AC ou DC?
Potência contínua e de pico à tensão local?
Combinação aprovada de veículo, EVSE, gateway e software?
Funcionamento de toda a casa ou apenas de cargas críticas selecionadas?
Emergência manual, transferência automática ou serviço em paralelo com a rede?
Reserva mínima e controlos da hora de partida?
Capacidade de arranque autónomo após uma falha da rede?
Funcionamento sem Internet ou sem a nuvem do fornecedor?
Instalador local, certificação do produto, autorização do operador elétrico e tarifário?
Tratamento da energia exportada ao abrigo da garantia?

O conector é apenas uma parte da resposta; consulte EV Charging Connectors and Inlets. A fronteira completa do sistema de carregamento é abordada em EV Charging: The Complete System.