EVSE - Electric Vehicle Supply Equipment (Equipto de Abastecimento de Veículos Elétricos) - Nível 1 e 2:

O Nissan LEAF, na versão SL, vem com dois diferentes receptáculos de conexão elétrica para recarga: um conector no padrão SAE J1772-2009, para conexão de carregadores nível 1 e 2 (120/220 volts AC) e um outro conector, JARI DC de alta tensão, projetado pela TEPCO para carregamento rápido em CC (480 V_CC, 125 A), usando o protocolo CHAdeMO (carregador nível 3).

O SAE J1772 é uma norma norte-americana (na verdade uma coleção de recomendações) para conectores elétricos para veículos elétricos mantidos pela Society of Automotive Engineers e tem o título formal "SAE - Prática Recomendada para Veículos de Superfície J1772 e SAE - Acoplador de Carga Condutiva para Veículos Elétricos" (1).

Ela cobre as características físicas gerais, os requisitos elétricos, o protocolo de comunicação, e o desempenho para o acoplamento condutor e o sistema de carga elétrica do veículo. A intenção é definir uma arquitetura comum para o sistema de carregamento dos veículos eléctricos, incluindo os requisitos operacionais e os requisitos funcionais e dimensionais para os correspondentes conectores de entrada dos veículos.

A SAE vem desenvolvendo também, uma variante de conector acoplador combinado, a partir do J1772, com pinos adicionais para acomodar carga CC rápida em 200-450V_CC, até 90 kW. Isso também irá usar a tecnologia Power Line Carrier para a comunicação entre o veículo, e o meio exterior, como o carregador e a rede inteligente. Eles estimam que o padrão seja aprovado e lançado ainda em 2012. Sete fabricantes de automóveis (Audi, BMW, Daimler, Ford, General Motors, Porsche e Volkswagen) concordaram em introduzir o "Sistema Combinado de Carregamento" em meados de 2012. Já, na Europa, o acoplador combinado é baseado em um conector de carga tipo 2 (VDE) AC, mantendo total compatibilidade com a especificação SAE para carga em CC e com o protocolo GreenPHY PLC (Power Line Communication).

O protocolo de sinalização J1772 foi concebido para:

• A estação de abastecimento, ou EVSE (Electric Veihicle Supply Equipment), fornece um sinal de detecção de sua presença conectado a entrada do veículo (EV);

• O Veículo detecta que ele está conectado de entrando assim em bloqueio (evitando que o veículo se movimente enquanto estiver conectado);

• As funções de monitoramento e controle são realizadas na sequência:

• O equipamento de abastecimento detecta a conexão com um veículo elétrico;

• O Equipamentos de abastecimento indica ao VE plug-in (Veículos Elétricos dotados de conector para recarga da bateria) que está pronto para fornecer energia;

• Os requisitos de ventilação do VE Plug-in são determinadas;

• A capacidade de fornecimento de corrente do equipamento, de acordo com o PEV.

• Comandos do fluxo de energia para o VE Plug-in:

• O PEV e o equipamentos de abastecimento monitoram, permanentemente, a continuidade do aterramento de segurança;

• A operação de carga continua, tal como determinado pelo VE Plug-in;

• A operação de carga pode ser interrompida por simplesmente desconectar o cabo do veículo.

A especificação técnica foi descrita, inicialmente, na versão de 2001 da SAE J1772 e, posteriormente, na IEC 61851.

Sequencia Operacional:

A sequência de detecção de conexão entre o PEV e a EVSE é feita com o estabelecimento da conexão física do conector do cabo de energia/controle entre o EVSE e o PEV: O conector SAE J1772 possui um sensor micro chave (S3) embutido em seu corpo, que é capaz de detectar a posição da trava do conector. O contato desta chave atuará sobre o pino 5 (Proximity Detector) do próprio conector, de modo que o EV pode, então, tomar ciência de que ele está conectado a alguma EVSE e poderá passar então a considerar a informação do sinal “Piloto”, presente no pino 4.

Pinagem do Conector SAE-J1772

A EVSE colocará, inicialmente, uma tensão de 12 Volt via o resistor R1 no Contato Piloto (CP – Contact Pilot ou Control Pilot, pino 4 do diagrama da página a seguir), o qual chega ao lado do veículo como Piloto Presente (PP também denominado Presente Plug).

A tensão original de 12v, colocada pelo EVSE no “Piloto”, provocará uma corrente, via o diodo D1, causando uma redução da tensão para algo em torno de 8,3V no catodo de D1 (ou seja, 9V do lado do EVSE), devido ao divisor de tensão formado por R1 + R3) e, considerando que o cabo está efetivamente conectado, a tensão de 8,3V do catodo de D1 é então detectada pelo detector (buffer) do veículo, que informa o controlador.

Este protocolo permite descartar a eletrônica de circuitos integrados que são necessários para outros protocolos de carga, como o CAN Bus, usado com o CHAdeMO ou EnergyBus - a SAE J1772 é considerado robusto o suficiente para uma gama de temperatura de operação de -40 °C até +85 °C.

EVSE = Electric Vehicle Supply Equipment (Equipamento de Abastecimento de Veículo Elétrico)

Confirmando a detecção da conexão, o controlador do veículo comutará o relê K1, que insere o resistor R2, provocando a redução da tensão de 8.3V para 5.3V (do lado do EVSE a tensão cai de 9V para 6V) de modo que EVSE detectando isso, entenda como uma confirmação da parte do PEV de uma conexão plenamente estabelecida.

Resumindo tudo, se no pino 4 tivermos 12V, significa o estado “Não Conectado”, se tivermos 9V, significa o estado “Conectado e Não Pronto” e, por fim, se tivermos 6V, significa o estado “Conectado e Pronto”.

Os fios condutores das estações de carregamento públicas estarão sempre inativos se o circuito de detecção de conexão presente CP-PE estiver em aberto. Se o circuito é fechado, a estação de carga também pode testar a funcionalidade do terra de proteção. Já a micro chave embutida no conector (S3) tem ainda um segundo papel: se o motorista remove o conector no meio de uma carga, deslizando o interruptor de volta, o sinal “Proximity” avisa imediatamente ao PEV que ele está sendo desconectado.

Estando pronto, o controlador da estação de carga, então, comuta o relé K2 e passa a enviar um sinal de onda quadrada de 1KHz de frequência, 12 Vpp ± 0,4 V, por meio do mesmo Contato Piloto (CP), ao veículo.

A estação de carregamento usa esse sinal de onda quadrada para informar ao VE sobre a corrente máxima que está disponível a partir da dela (estação de carregamento). Isso é realizado pela modulação desse sinal em largura de pulso (PWM): um ciclo de trabalho de 10% nos pulsos PWM, significa uma corrente máxima de 6 A, por sua vez, um ciclo de trabalho de 16%  nos mesmos pulsos, significa um máximo de 10 A de corrente, enquanto que 25% de ciclo de trabalho (o minimo que se encontra na prática do padrão SAE J-1772), significa uma corrente de 16 A. Já, um ciclo de trabalho de 50% no PWM significa uma corrente máxima de de 32A, enquanto que, por fim, um ciclo de trabalho de 90% sinaliza uma opção de carga rápida (>50A). 

Será sugerida, aqui, uma EVSE de 45 A máximo nominal (com ciclo de trabalho de PWM de 70,3%).

A norma americana limita a corrente de carregamento CA doméstica em 16 A (para nível 1) e 80 A (para nível 2), todavia, o desejo preferencial dos consumidores é por investir em uma EVSE nível 2, que os permitam estar previamente prontos para uma necessidade de upgrade em termos de corrente de carregamento.

Hoje, quando você põe, por exemplo, um Nissan Leaf para carregar, independente se ligá-lo a uma rede elétrica CA de tensão de 127V ou de 220V, a corrente ficará limitada a um mesmo valor 15A. Isso ocorre pois é o próprio VE que limita a corrente, em conformidade com o porte do seu carregador embarcado, cuja potencia atual é de 3,3 kW. Acontece que no curto prazo isto está para ser revisto, e o porte do carregador embarcado dobrará,  passando para a potência de 6,6 kW, no que o limite de corrente será de 30A.

Todavia, é importante saber, também, quanto as concessionarias de energia brasileiras, como é que elas lidarão com isso e a quantas, exatamente, elas irão limitar a capacidade de corrente abastecimento a partir da rede CA. Até onde eu sei, isso ainda está para ser decidido. Poderá haver uma padronização a nível nacional, o que será bastante conveniente, ou poderá haver diferenças por região, mas eu aposto numa cópia muito aproximada da norma americana.

Riscos de Áreas Classificadas (Atmosferas Explosivas):

Quando uma estação de carregamento de VE situa-se dentro de casa, em certos casos, alguns tipos de baterias liberam gás de hidrogênio durante o carregamento e o acúmulo de gás hidrogênio em aplicações internas é um possível risco de explosão. Existindo o risco de um aumento no acúmulo de hidrogênio, um subsistema de ventilação suplementar é exigida, para a operação segura de recarga dos veículos que contêm estes tipos de baterias. O artigo NEC 625, por exemplo, contém requisitos específicos para a sistema de ventilação , incluindo a vazão mínima do ar que devem ser fornecidas.

Nos EVs comercializados por grandes montadoras de automóveis, baterias mais avançadas têm sido empregadas, as quais não liberam gás de hidrogênio durante a operação carregamento. Para evitar criar uma situação onde o gás de hidrogênio possa vir a ser acumulado dentro de um espaço fechado, como uma garagem, as normas exigem a atuação de um subsistema de ventilação.

Na publicação "Using electric storage batteries safely" de 2011, o órgão do governo Inglês "Health and Safety Executive", declarou: "Todos os anos, pelo menos 25 pessoas são gravemente feridas na utilização de baterias no trabalho".

O procedimento intertravado para atuação do subsistema de ventilação por exaustão desempenha três funções, a fim de atender as exigências de normas de segurança internacionais:

• Primeiro, ele consulta o veículo para determinar se o mesmo necessita, ou não, de ventilação durante a operação de carregamento;

• Em segundo lugar, o mesmo determina se a própria EVSE pode ou não, proporcionar tal ventilação por exaustão;

• Finalmente, se a oferta de ventilação está disponível, garante que a ventilação efetivamente opere durante todo o processo de carregamento (recomendando-se um tempo extra de atuação ao final do carregamento).

Três cenários podem ilustrar como o intertravamento de ventilação opera:

1. Se uma estação de carregamento possui o subsistema de ventilação exaustor incluído, então o intertravamento permitirá tanto que um veículo usando baterias de gaseamento, quanto um veículo usando baterias que não geram gases sejam, ambos, carregados nela;

2. Se uma estação de carregamento está localizada em área exterior (aberta), onde há ventilação natural suficiente, o intertravamento permitirá que qualquer veículo se carregue;

3. Se um subsistema de ventilação não está incluída no sistema, então o encravamento irá permitir apenas que veículos dotados de baterias que não liberem gases sejam carregados, mas não um veículo que produz gaseamento.

O bloqueio de ventilação oferece garantia ao proprietário EV que o gás de hidrogênio, se gerado, não irá ser acondicionado em espaços fechados, independentemente do tipo de baterias ou de veículos. Esta garantia prevê o sucesso de mercado a longo prazo de EVs produzidos comercialmente.

Se o veiculo requerer ventilação forçada na operação de carregamento, o resistor R2 é modificado de 1K3Ω para 270Ω, de modo que a relação das tensões no pino 4 se alteram e, com isso, por exemplo, 3V ao invés de 6V estará presente, para indicar conectado e pronto.

Assim, a estação de carregamento pode reagir por apenas a verificação da presente faixa de tensão no circuito CP-PE. Note-se ainda que o diodo D1 somente irá conduzir avante uma tensão positiva e qualquer tensão negativa no circuito CP-PE irá desligar a corrente, considerando como um erro fatal, estado que requer a intervenção do usuário operador para reinicializar o EVSE, restaurando a operação normal.

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