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terça-feira, 3 de julho de 2012

Por Dentro de uma EVSE (Estação de Carregamento EV SAE-J1772-AC Nível 2):


Numa primeira olhada por dentro de uma Estação de Carregamento EV SAE-J1772-AC-Nível 2, podemos rapidamente constatar que não há muito coisa dentro dela que justifique o custo de US$700,00 (R$1400,00), para se adquirir uma (fora o custo do serviço de instalação), lá nos EUA. Penso que é a novidade tecnológica dos EVs tendendo a se popularizar, que leva alguns a verem uma boa oportunidade de ganhar um bom dinheiro extra (principalmente com a aquisição do cabo e o conector de saída e com a mão de obra instaladora) e, a de outros a bancar o sacrifício de pioneirismo nessa inovação.

Trata-se de uma linha de CA bifásica (dois fios, L1 e L2), de 220V, normalmente de 30A ou 32A (EUA/Europa, ou de maior capacidade de corrente, limitado (pela Norma SAE-J1772) a um máximo de 80A), já visando o carregamento com o novo retificador embarcado do Nissan LEAF para carga de 6,6 kW), com um terceiro fio que provê devido aterramento (o famoso cabo condutor de encapamento verde e amarelo (ou, apenas verde, no Brasil) que, creiam, colegas, ainda é, de fato, muito raro de existir nas instalações elétricas das residências brasileiras).

Eu, particularmente, sugiro que, desde cedo, se especifique o ponto de tomada de energia para esse equipamento para ser além de 30A, seja no caso de instalação de um novo ramal interno, ou mesmo no caso de reforma de um ramal pré-existente, mesmo que seja para receber, hoje, por ora, apenas uma estação de apenas 30A mesmo.

Usando cabos condutores isolados em termofixo de seção de 6 mm2, possibilitará a instalação agora de uma estação de 30A ou 32A (ou mesmo 45A), e ainda deixará uma boa margem para um eventual futuro upgrade para uma estação até 20% mais potente (de 45A para até no máximo 54A, sem precisar trocar cabo algum depois). Todavia, caso se deseje deixar a instalação prevista para uma máxima corrente permitida pela norma do conector disponível comercialmente (75A), então empregar cabos condutores isolados em termofixo de seção de 10 mm2 na instalação do ramal para o equipamento

O que essa linha CA tem de especial é que é protegida por fusíveis próprios e adequados (veja FUSE no diagrama da figura a seguir), e que ela pode ser manobrada automaticamente, sendo ligada e desligada por meio de um contator bipolar (veja Relay DPST no diagrama) ou, melhor ainda, por meio de um relé do tipo SSR (Relê de Estado Sólido) Duplo (Bifásico), com saída a Tiristor até 280VCA (duplo SCR em antiparalelo) para serviço pesado, de 50A (para uma estação EVSE de 45A/220VAC nominal), que poderá ser acionado diretamente pela eletrônica de controle (sim, haverá necessidade de uma “alguma” eletrônica de controle) comandado por CC, normalmente de 3 a 32 VCC. Repare, no diagrama abaixo, que ambas as fases da rede CA devem ser interrompidas pelo SSR, portanto, ele precisa ser Duplo (Bifásico) e por isso custa ao em torno de US$ 59,90.



Até aqui nada de mais, ou seja, nada mesmo que qualquer eletricista qualquer não possa fazer num vapt-vupt, no entanto, temos algo mais: a linha CA é também monitorada! Isso significa que por meio de um componente conhecido por TC (Transformador de Corrente), a corrente de carregamento do EV que flui pela linha CA será permanentemente medida. O TC pode ser visto no diagrama anterior sob a designação “CT CR8420-1000-G”.

Um TC aplicado a medição da corrente é necessário (US$ 9,90). O principio de funcionamento de um TC, de maneira geral, é o mesmo de um transformado de CA qualquer: indução eletromagnética entre o primário e o secundário. Só que o primário não está presente nesta peça pois, ele será composto quando, na montagem da instalação, nós enrolamos o(s) cabo(s) condutor(es) de energia em torno do “anel” do TC (ver montagem próximas fotos):


Desde modo, aproveitamos a corrente induzida no secundário para desenvolvermos uma tensão V que, dentro de uma certa faixa de operação, é linearmente proporcional em relação a corrente circulante no condutor de energia (primário).

Esta tensão, entra para a placa eletrônica de controle, onde é convenientemente filtrada e acondicionada para, por fim, ser entregue ao microcontrolador, indicando para este que, efetivamente, se está “Carregando o Veículo”.


Nas primeiras unidade instaladas pela Eletropaulo na capital paulista, eu tive a nítida impressão, olhando por fotos, de ter visto que o TC, do tipo removível (Split Core Transducer), montado pelo lado de fora da caixa de instalação. Particularmente eu não creio que isso seja algo bom para a segurança da instalação em locais públicos, o ideal mesmo é que toda a fiação e componentes do circuito principal fique abrigada, e oculta aos olhos de curiosos, dentro dos eletrodutos e da caixa, conforme a foto ao lado (caixa propositadamente aberta apenas para foto).

A montagem é feita com o par de fios condutores da energia da rede CA, no segmento compreendido entre a proteção e a manobra, passando por dentro do “anel” do TC. O “anel” do TC, na verdade, corresponde a um “secundário de transformador”, encapsulado junto com o seu “núcleo” magnético em formato toroidal. Os fios da linha CA simplesmente passando por dentro do anel do TC cumprirão a função de “primário de transformador”, correspondente a um enrolamento de ½ espira para o primário.

A corrente que circula no primário do TC causará indução eletromagnética no secundário. A indução causada ao secundário tem uma intensidade que é proporcional a corrente que circula no primário, de modo que, assim, o valor do sinal elétrico induzido no secundário se presta como referência de medição da corrente circulante no primário. Assim, o EVSE poderá ter total conhecimento sobre a corrente de carregamento do EV que está a ela conectado, mas as informações sobre o carregamento estarão presentes, também, no painel do carro.

A fim de melhorar a sensibilidade da medição da corrente de carregamento, aumentamos a intensidade da indução do primário sobre o secundário do TC. Para fazer isso basta passarmos a, literalmente, enrolar o fio do primário em espiras: 1 volta (1 espira) e dobramos a sensibilidade. Já com 2 espiras quadruplicamos e, com 3 espiras, conforme o exemplo da foto ao lado acima, sextuplicamos. Detalhe: apenas os fios branco e preto precisavam ter sido enrolados ali, o fio verde (aterramento) não precisava. Isso não ajuda em nada, mas também não prejudica em nada.

O sinal elétrico captado pelo TC é enviado para um pequena placa eletrônica, que tratará de formatar esse sinal de modo a adequá-lo ao CI Microcontrolador (sim, se queremos ter um EVSE nível 2, precisaremos uma pequena placa eletrônica e, TALVEZ, com um pequeno microcontrolador).

Na foto ao lado não se pode ver a placa eletrônica pois, ela está presa e escondida por trás do tampo / painel frontal da caixa. Os botões de comando, START, STOP, assim como os 5 indicadores luminosos de estado, presentes no painel frontal, respectivamente:

  • Energia Presente;
  • Pronto Para Carregamento;
  • Veículo Conectado;
  • Carregando Veículo, e;
  • Falha.



Estão conectados, de fato, a essa placa eletrônica, assim como o chicote de fios coloridos que pode-se observar, descendo do interior da caixa para o painel frontal (o que não permite que tampa seja removida sem desconectar todos as conectores).

Além de monitorar a amplitude da corrente de carregamento, de fazer o monitoramento de estado pelo laço CP-PE (com o veículo conectado ou não), se a operação de carregamento já esta em curso ou não e se a operação requer ventilação por exaustão ou não, de gerar os pulsos de PWM que controlam no veículo o limite da demanda por corrente de carregamento, precisaremos, que a eletrônica do lado do EVSE proveja, ainda, uma baixa tensão de CC (12 VCC) para alimentar o seu próprio funcionamento. Note que a placa de controle do EVSE deve ser aterrada para o piloto para operar corretamente. Se estiver usando uma fonte de alimentação CC isolada (não aterrada) a placa EVSE vai precisar, obrigatoriamente, para funcionar adequadamente, de uma conexão adicional para o aterramento.

Ai fechou? … ou não? … depende! Depende do gosto do freguês!

Já que temos que ter uma eletrônica de controle, por que não incrementá-la? Por exemplo, a indicação por Leds projetada a princípio para o EVSE da Nissan me parece um tanto tosca e pode ser melhorada para, digamos, um mostrador de cristal liquido (LCD), que tal? Que tal um mostrador colorido? Se ainda estiver dentro do orçamento de US$ 700, beleza!

Já existe uma boa gama de variedades de projetos pré desenvolvidos por técnicos aficcionados, com base no emprego de microcontroladores, principalmente o ATMEL AVR de 8 bits e essas placas já podem ser adquiridas como kit para montagem. Aqui estão algumas fotos de amostra alguns dos estados de uma das placa Open-EVSE, apresentados na tela de mostrador colorido:


Ao lado uma foto de um carregador usando placa de controle Open-EVSA J1772 compatível, 120V, 16A (nível1) feita em casa. A mesma placa eletrônica pode ser usada é usada para upgrade do carregador para 220V, 30A, ou mesmo 220V, 45A, visando, por exemplo, carregamento de um Toyota RAV4 EV, cuja bateria elétrica Lítio-íon apresenta um pacote de 41,8 kW.h, (autonomia de 161 km) com um retificador embarcado (via conector SAE J1772) para até 10 kW, para tempo de carga de cerca de seis horas. Isso é possível, apenas por se ajustar o firmware da placa eletrônica de controle e, obviamente, requerendo o emprego de cabos, fusíveis, SSR e caixa de portes maiores adequados.

Quanto a caixa,. a caixa AA 701 da Taunus é normalizada IP 65 (NBR 6146, DIN 40050, IEC 529) - totalmente protegido contra a entrada de poeira e protegido contra jatos de baixa pressão de água de qualquer direção. Ela possui placa de montagem em chapa de aço zincado de 2,0 mm (opção por 1,0 mm) de espessura e o fecho é por meio de parafusos de aço inoxidável, tipo prisioneiro, com trava e molas.

A caixa e a tampa são feitas em poliéster reforçado com 15% de fibra de vidro (FIBRAMAX - SMC), vedação em borracha neoprene, placa de montagem, parafusos e molas. As medidas são Altura (A) 310 mm; Largura (L) 215 mm; Prof. (P) 95 mm + trampa; Peso (Kg) 3,3 Kg (Taunus AA 701).

O ponto crítico para que um hobista possa construir o seu próprio EVSE, com segurança e qualidade, aqui no Brasil, não é com respeito eletrônica de controle, mas sim, quanto a aquisição do material adequado para a confecção do cabo saída da estação. Os padrões atuais envolvem, basicamente, três modelos predominantes:
  1. Corrente Nominal 16A, para tensão CA de 120V (nível 1) ou de 220-240V (nível 2);
  2. Corrente Nominal 32A, para tensão CA de 220V-240V (nível 2);
  3. Corrente Nominal 75A, para tensão CA de 220V-240V (nível 2);
Em todos estes modelos, o conector, em geral, é o mesmo, o SAE-J1772, com micro chave sensor de proximidade embutido, terminais de energia para 70A (US$ 170,00 ... takai desune!!!!) que apesar de estar se tornando o padrão mundial, não é (e não creio que será tão cedo) fabricado no Brasil, no entanto, a diferença entre eles está na área da seção transversal dos três condutores de energia contidos no cabo que serão: 2,5 mm2 (para 16A), 4 mm2 (para 32A) e 13.3 mm2 (para 75A).

Os três condutores de energia de um cabo SAE-J1772 tem a mesma bitola e conduzem, respectivamente, fase 1, fase 2 (ou neutro) e aterramento. Além dos três condutores de energia, o mesmo cabo agrega mais duas vias que são dois condutores de sinais de controle (de áreas de seção transversal igual a 0,75 mm2), perfazendo um cabo do tipo redondo multivias de 5 vias, extra flexível (por exemplo, 3 x 10mm2 + 2 x 0,75 mm2).

Nos modelos de 220V-240V, nível 2, há uma grande brecha entre 32 e 75A, por isso o padrão de 45A também vem se mostrando uma opção, algo mais realista até, convergindo as necessidades do mercado e os limites de fornecimento por parte das concessionárias. Neste caso, o cabo redondo multivias flexível terá cinco vias: 3 x 10 mm+ 2 x 0,75 mm2. Tal cabo não é fabricado no Brasil e, mesmo que a demanda pareça apontar para uma necessidade algumas centenas de quilômetros desse cabo, só nos próximos anos, poucos fabricantes ainda o fazem, no mundo todo e não é de admirar que os chineses lideram a produção, fornecendo-o como subconjunto, já montado ao conector J1732, a preços que variam atualmente, de US$200 (32A) a US$300 (75A), com comprimentos de cabo de 6 a 8 m (US$ 230,00 para cabo com conetor montado para 45A). Ao lado vemos um exemplo de cabo para 75A, onde o encapamento do condutor de aterramento se apresenta nas cores preto e amarelo (aqui deveria ser verde e amarelo).

O EVSE que é capaz de fornecer 45A (9,9kW), gera um sinal PWM de 1kHz com ciclo de trabalho de 75% para o controle do carregamento e atende, ao limite de capacidade de carregamento normal de um grande números de aplicações.

Para realizar a função de “piloto” e para alimentar a placa de controle, uma fonte CC de 12V, 2A é necessária (custo R$ 40,00). Dimensões: 85 x 58 x 32 mm. Atentar para entrada em 220VCA e para a ligação do aterramento juntamente a caixa de metal.

Finalmente, a placa de controle, a versão 2 da DIY Through Hole Board. Esta atualização traz a versão DIY da placa OpenEVSE em linha, com as placas sendo fornecidas em forma de Kit para montagem ou pré montadas, adicionando os pinos I2C para mostrador RGB LCD e os pinos para os controlos de segurança avançados. Preço US$ 80,00.


Esta pesquisa tem um prosseguimento a partir da postagem: O Arduino Uno (ou Duemilanove) Aplicado a uma EVSE (SAE-J1772 CA Nível 2) - Parte 1

3 comentários:

  1. 1- Para fazer consultas sobre "Equipamento de Carregamento de Veículos Elétricos" em Corrente Alternada para Uso Residencial, normas e tecnologias;

    2- Para saber sobre as tendências, melhores opções ou fazer uma avaliação das condições atuais de uma instalação elétrica residencial e saber sobre as opções e custos de adaptações ou expansões para receber uma Estação de Carregamento (de 15A a 75A).

    email-me: andrellenz@hotmail.com

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  2. Parabéns pela pesquisa aprofundada.

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    1. Obrigado, Marcio Ederson! Existem mais 4 postagens posteriores a esta, que aprofundam e complementam, fechando o assunto "Solução para Carregamento de Baterias de VEs em Garagens Residenciais". Basta seguir o linque do final da postagem e ir em frente!

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Este trabalho de André Luis Lenz, foi licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição - NãoComercial - CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.