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quinta-feira, 9 de agosto de 2012

Sobre Carregamento de Veículos Elétricos


Desde que a Nissan anunciou no início de 2012 que o Nissan LEAF (modelo 2013) teria um Carregador Embarcado mais potente do que o seu antecessor, todos passaram a esperar e a contar com isso. As vendas do modelo 2012 até chegaram a cair um pouco, acredita-se que, muito provavelmente, por causa deste anúncio, algumas compras foram adiadas. Um alto executivo da Nissan nos EUA chegou a anunciar que haveria uma atualização disponível para os LEAFs mais antigos (e que os cliente iniciais não ficariam na mão).

Todavia, por fim, depois deste "carnaval" todo, nada do anunciado se concretizou: o Nissan LEAF modelo 2013 saiu com o mesmo carregador embarcado do modelo 2012 (e continua, pelo menos até o dia de hoje), ou seja, com a potência de "apenas" 3,3 kW (3,3 quilowatts). (1)

O anúncio inicial apontava que era para o modelo 2013 ter saído de com um carregador de potência de 6,6 kW (o dobro). Apesar do fato, nada impede que a Nissan reveja isso, a qualquer instante, até o final do ano (e de fato o fez, atualizando, nos VEs Nissan LEAF ano de fabricação 2013, finalmente, passou a adotar o carregador embarcado de potência maior, mas como um opcional de custo maior).

Usar um carrergador embarcado no carro, de potência máxima de 6,6 kW, em vez de um outro de potência máxima de 3,3 kW, permite que o recarregamento da bateria de tração do veículo seja feito com uma alimentação de mesma tensão elétrica, porém com uma corrente elétrica que tem o dobro do valor da que era anteriormente permitida, e isso é algo que propicia, na hora de executar o processo de recarregamento, a REDUÇÃO DO TEMPO DE CARREGAMENTO PARA METADE.

Já, quanto a questão do caregador embarcado do Nissan LEAF, antes de tudo, é preciso entender o seguinte: uma eventual atualização dos carregadores embarcados dos carros já montados e vendidos não seria de algo tão simples de ser levado a cabo, algo que se resolvesse com a troca de uma única peça apenas.

De fato, além do carregador em si, um certo volume de cabeamento, terminais e conectores de entrada e de saída de energia elétrica, assim como também o firmware precisariam ser todos trocados, numa operação relativamente complexa, que consumiria várias horas-homem de mão de obra.

Pacote de Baterias do Nissan LEAF,  e o seu cabeamento estruturado e conectores vermelhos de energia e controle.
Enquanto a Nissan não conseguiu cumprir o anunciado (pelo menos muita gente afirma que eles prometeram), e ainda sofreu com alguma queda de vendas, quem se dá bem com isso é a Ford Motor com o seu Ford Focus Electric 2012 e a Coda Automotive's com o Coda Electric Vehicle Sedan 2012, ambos já dotados, desde o lançamento, com um carregador embarcado mais potente, exatamente de 6,6 kW.

O carregador embarcado é um dispositivo de eletrônica de potência que é responsável por converter o tipo de energia elétrica do padrão da rede elétrica da concessionária de energia, que é de C.A. (Corrente Alternada) em C.C. (Corrente Contínua), que é adequado para carregar baterias.

Mas, o que pode significar, para o usuário do VE, um carregador embarcado com uma potência maior (ou melhor, potência dobrada)? A resposta é: um tempo de carregamento proporcionamento reduzido, ou seja, se dobramos a potência do carregador embarcado, podemos reduzir a metade o tempo total de carregamento normal.

Vale lembrar que, um VE como o Nissan LEAF, tem, do ponto de vista da "velocidade" (rapidez) de carregamento, três diferentes métodos de carregamento:
  • Normal;
  • Lento e;
  • Rápido.
Somente o tempo de Carregamento Normal é que pode ser reduzido, com o aumento da potência nominal do Carregador Embarcado, já que:
  • Carregamento Lento depende de um cabo especial, de capacidade de corrente máxima preestabelecida (e mínima, de somente 15 Ampères (ou 16A), sem possibilidade de alteração, quando feita com o Trickle Charger Cable, uma mini-EVSE portátil, como por exemplo a da própria Nissan, com a operação devendo ser feita para rede CA de 110-127V, portanto sub-aproveitando a capacidade do carregador embarcado) e;
  • No Carregamento Rápido, o carregador embarcado nem sequer é empregado pois, a energia elétrica é fornecida ao VE, já na forma de Tensão de CC (Corrente Contínua, se o que chamamos de Carregamento Rápido for, tanto o feito em Modo CC Nível 1, com corrente acima de 51A, até 80A, pelo mesmo conector  SAE J-1772, ou pelo conector JARI/TEPCO, que usa protocolo CHAdeMO) e, portanto, passa direto para o estágio de conversão CC/CC da bateria, dispensando ter que passar pelo dito Carregador Embarcado.

O carregador embarcado, portanto, afeta a performance do método de carregamento mais importante de todos: o Normal, que é o modo de carregamento preferencial (ou pelo menos deve ser, se as pessoas realmente quizerem se manter ecologicamente corretas), além de ser o que é recomendado por muitos fabricantes de VEs (os mais honestos) para ser o método de carregamento empregado com maior regularidade, a fim de maximizar o tempo de vida útil das baterias.

Quem tem um Nissan LEAF, pode comprovar o que eu estou dizendo, apenas por olhar no Manual do Proprietário, que contém  repetidas vezes esta recomendação:

Use os métodos de carga normal ou de carga lenta para carregar a bateria Li-ion e minimize o uso de Carregamento Rápido público ou Carregador Rápido.2

O carregamento normal é feito sempre em uma rede elétrica de C.A. (Corrente Alternada), com tensão de 220 V e, a corrente demanda depende tanto da capacidade do carregador embarcado do VE, quanto da capacidade da instalação elétrica do ponto de tomada de energia a partir do qual o abastecimento de C.A. é feito. Isso é diferente de somente enfiar um cabo na tomada (que é o que ocorre com o carregamento lento que opera apenas em 15 Ampères) pois, no Carregamento Normal, o VE poderá demandar uma corrente elétrica desde de 15A até 50A (acima de 50A (A=Ampère), já se considera carregamento rápido).

Assim, quando um VE é conectado para fazer um Carregamento Normal, depois que ele verifica que a conexão está, de fato, devidamente bem estabelecida, ele “pergunta” para a tomada: - Quanto de corrente você pode me fornecer? Essa pergunta3 é de vital importância no que concerne a segurança da sua instalação elétrica e do seu patrimônio imobiliário pois, caso o VE resolvesse, simplesmente, puxar o máximo de corrente que ele possa receber (que pode ir a 45 A, ou além), ele poderia vir a causar uma sobrecarga na instalação elétrica da residência, com riscos reais de causar incêndios, caso não haja dispositivos de proteção adequados instalados naquela instalação elétrica.

Então, o VE irá respeitar o limite de capacidade de fornecer corrente elétrica, que o ponto de tomada de energia informar para ele e, ai sim, procurara tirar o máximo proveito, dentro desse limite a ser respeitado. Por exemplo, um Nissan LEAF, ainda com seu mesmo velho carregador embargado, pode demandar apenas 15 A da tomada. Já, os mencionados VEs, Ford Focus e Coda Sedan, podem demandar corrente até 30 A. Já a Toyota Rav4 EV, com seu carregador embarcado de 9,9kW, está apto a demandar até 45A. Entretanto, todos, sempre respeitando o limite “informado” pelo ponto de tomada.

Mas acontece que, os pontos de tomadas de propósito geral em uma instalação elétrica residencial são “burros”, ou seja, não são capazes de informar coisa alguma para um VE. Por isso estes tais só se prestam mesmo ao carregamento lento. Se você está com a vida mansa, talvez a carga lenta te satisfaça plenamente e, dai, então você não precisa esquentar a cabeça com mais nada, basta usar o “Trickle Charge Cable” (Cabo de Carga Lenta), que a Nissan fornece, gentilmente, como assessório para quem compra um LEAF.

Agora, pensa num “pequeno grande” detalhe: em qualquer lugar do mundo, por mais "zuado" que seja, existe alguma norma que regulamenta ou, no mínimo, algumas prática que recomenda, sobre as questões relativas às instalações elétricas residenciais. Aqui, no Brasil, existe a norma NBR5410/2004 e, segundo essa norma, as cargas lentas de VEs padronizadas internacionalmente já estão fora de conformidade para aplicação aqui pois, pontos de tomada de propósito geral são definidos para fornecer até no máximo 10 A apenas, e não 15A.

Pela NBR 5410, pontos de tomada acima de 10A devem ser considerados PTUEs, ou seja, Pontos de Tomada de Uso Específico – porém, isso conflita com a prática popular internacional dos VEs que vem difundindo a ideia de que “com o cabo de carga lenta, pode-se carregar o VE a partir de qualquer tomada”. Porém, isso é um engano! O manual do Nissan LEAF (em inglês) na página EV-9 diz:

Use apenas … circuito dedicado para carregamento.

Circuito dedicado, significa que aquela tomada deve mesmo ser especial, e não uma qualquer.

Quais podem ser as consequências de fazer pouco caso desse engano? Por exemplo, exacerbando, em havendo uma sobrecarga elétrica ao se carregar um VE, que eventualmente venha a resultar em um incêndio com perdas e danos materiais, a sua seguradora, poderá muito bem, usar a própria norma NBR 5410 contra você e se esquivar de te pagar o valor da apólice, mesmo que o seu pagamento de prêmio esteja perfeitamente em dia!

E a Nissan está devidamente isenta de culpa pois, o manual é claro: circuito dedicado ... que é aquele que tem cabos condutores exclusivos, a partir do Quadro de Distribuição dos Circuitos, e que emprega um dispositivo de proteção (no mínimo um disjuntor) próprio.

Assim, mesmo no caso do carregamento mais simples, que é o carregamento lento, você precisará de um PTUE, com fiação e dispositivo de proteção adequado, integrado ao seu Quadro de Distribuição de Circuitos (Q.D.C.). Abaixo, o diagrama recomendado de instalação de um EVSE – Electric Vehicle Supply Equipment.



Além do mais, uma outra boa razão para você não pensar só em carregamento lento e que, a cada três ou quatro anos, as baterias empregadas nos VEs terão suas capacidades de energia majoradas (o parâmetro medido em kW.h das baterias que irão eventualmente aumentar, a fim de atender ao desejo dos usuários por uma maior autonomia de rodagem, até que venha o dia em que a autonomia provida pelas as baterias irão suplantar a autonomia dos benditos tanques de gasolina).

Esse aumento da capacidade de energia das baterias irá ocorrer, mesmo sem que elas aumentem em tamanho físico, o qual espera-se que deverá ser mantido (ou mesmo poderá ser diminuído), porém, exigirá um maior tempo de carregamento, quando empregado o método de carga lenta (limitado aos mesmos 15A de sempre). Imagine a quanto esse tempo poderá chegar para encher essa capacidade maior das baterias, se hoje, o tempo de carga lenta de um Nissan LEAF (declarado pelo fabricante no manual do proprietário) já é de duração de 21 hs, no total, indo-se de zero a 100% de carga, para sua bateria de Li-íon atual de 24 kW.h.

Assim, ter uma “tomada dedicada inteligente” e de “satisfatória capacidade de corrente” instalada na sua garagem é algo altamente recomendável. Eu diria mesmo, praticamente uma necessidade, a fim que que você realmente possa desfrutar da tranquilidade e conforto que ser o proprietário de um VE pode lhe proporcionar.

Para que a tomada dedicada tenha essa tal “inteligência”, é necessário algo mais do que simplesmente cabos condutores e terminais de conexão: ela precisa ter alguns poucos componentes eletrônicos que permitam que ela informe ao VE que ela está efetivamente conectada ao VE e pronta para fornecer a ele no máximo XX Ampères de corrente elétrica. De fato, é necessário um pouco mais, pois é bom que você, o operador que, manualmente estabeleceu a conexão, participe dessa também dessa “troca de ideias” a fim de estar ciente de “o que se passa” entre eles. Alguns indicadores luminosos (LEDs) são empregados para isso.

Então, não é simplesmente uma tomada mas, sim, aquilo se denominamos Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico (em inglês é EVSE – Electric Vehicle Supply Equipment).

Sobre detalhes deste equipamento, especificamente, existem outras postagens anteriores aqui mesmo, neste blog:

EVSE - Electric Vehicle Supply Equipment (Equipto de Abastec. de Veículo Elétr.) - Nível 1 e 2:


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


Montar e instalar EVSEs é o que eu estou oferecendo a quem estiver interessado em ter uma  (ou mesmo apenas instalar EVSE já previamente adquirida). Me contate por e-mail para conversarmos.

Estação de Carregamento OPEN-EVSE 2 - 220V / 45A - Conector SAE J1772 (padrão mundial para Carregamento Normal) ideal  p/ EVs com Carregadores Embarcados de até 9,9kW

Uma outra questão importante, e que vai "pegar" muito, principalmente aqui no Brasil, será com respeito ao condutor de aterramento (condutor PE ou condutor PEN), nas instalações elétricas residenciais. Isso irá ocorrer pelo simples fato que num grande número de instalações, tal condutor simplesmente inexiste.

O condutor de aterramento deve existir por dois motivos:
  • Segurança, proteção contra choques elétricos (obrigatório por norma NBR 5410);
  • Funcional: alguns equipamentos e dispositivos precisam de aterramento simplesmente para poder funcionar e uma Estação de Carregamento é um deles (assim como um interruptor de segurança DR).

Sobre isso, há também postagem específica neste blog:


Instalação Elétrica Residencial - Critérios Técnicos para Dimensionamento de Condutores e Proteção Elétrica para Tomada de Energia para EVSE:


Proteção por Aterramento e por Interruptor DR - Preparando a Instalação Residencial para os Veículos Elétricos


Mas o que eu quero fazer agora e continuar informando e orientando, ou melhor, educando. Essa orientação, eu recomendo que todos os usuários de VEs que conseguirem fazer o carregamento de suas baterias em casa (carregamento normal) o sigam desde já, para que se acostumem com esse procedimento, mesmo que “ainda”, pelo baixíssimo número de VEs existentes no Brasil, possa parecer que tal preocupação não faça sentido.

A medida que o número de VEs crescer, ao longo dos próximos anos, será necessário que as concessionárias de energia se unam em campanhas educacionais para este fim. Não vai ser difícil seguir essa recomendação pois, mesmo o manual do proprietário o recomenda. Do ponto de vista da operação, o carregamento normal de um EV pode ser de três modos (vide manual do LEAF em inglês, pag. CH9):
  • De carga imediata;
  • Com temporizador de carregamento e;
  • De carga remota pode ser executada no modo de carga normal.
Se você não programar nada, por padrão será assumido o modo “de carga imediata”, ou seja, ao conectar o cabo, o carregamento ira iniciar imediatamente, automaticamente. Mas acontece que no horário que a maioria das pessoas motorizadas costumam chegar às suas casas, vindas do trabalho (entre 18hs e 20hs) NÃO É um bom momento para se começar o carregamento pois, é justamente neste horário (na verdade das 18hs as 22hs) que o sistema elétrico que alimenta as grandes cidades do Brasil (que ainda é país do chuveiro elétrico) está sob a mais forte demanda de consumo (horário de pico).

O dia que houver um sistema de cobrança inteligente, este será o horário de energia mais cara do dia mas ,fora isso, a ideia é mesmo aliviar a carga no pior horário e colaborar com sistema elétrico. Assim, é altamente recomendável que os usuários programem os seus VEs por meio da IHM do carro, apara ser a operação seja realizada com uso do temporizador de carregamento, ou seja, você preestabelece um horário para que o carregamento se inicie, por exemplo, as 23hs, quando a demanda já está aliviando e você ao chegar em sua garagem, digamos, as 19hs, simplesmente conecta o cabo da estação de carregamento e mais nada. Fique tranquilo que o carregamento se fará sozinho, iniciando no horário preestabelecido.

Se você for inteligente o bastante, mesmo com algum sacrifício de custo, para instalar um Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico de boa capacidade de corrente (digamos, 45 A ou mesmo 50 A) você poderá recarregar completamente a sua bateria usando o sistema elétrico apenas a partir da 00hs e a operação será realizada em apenas 3hs e ½.

Se você não tem uma estação de carregamento, saiba que o temporizador de carregamento pode comandar o início da operação de carga no modo de Carga Lenta também. Além do mais, no Manual do proprietário do LEAF, a NISSAN recomenda que você conecte o cabo de carga normal (sempre) quando sair do veículo, mesmo que isso não vá ser usado. Ao fazer isso, você pode tirar o máximo proveito das funções do controle remoto do clima e o temporizador do aquecedor / ar condicionado (Clima Ctrl Timer), da próxima vez que utilizar o veículo.

Ao conectar o cabo, se começou a carregar ou se a bateria está em espera do temporizador para carregar, um alarme sonoro soará duas vezes e a indicador de corga irá mudar. Veja sobre "luzes indicadoras de estado de carregamento" no manual do seu VE.

Se você estiver interessado em adquirir e instalar uma Estação de Carregamento em sua casa, não deixe de me consultar, no mundo dos carros elétricos, há um grande número de engenheiros independentes, profissionais liberais, que gostam de pesquisar, de experimentar, de modificar e de melhorar os vários carros elétricos no mercado e seus assessórios, e eu sou um deles.

Além do mais, enquanto esse mercado não estabilizar, todo cuidado é pouco. Mesmo um fabricante tradicional e de renome como a GE tem encontrado problemas, tentando vender mercadorias caras que acabaram por ficar fora do padrão aqui no Brasil, como é o caso da estação DuraStation que usa um tipo de tomada conforme a IEC 62196 (que se tornou recentemente obsoleto) e que exige cabos adaptadores adquiridos a parte, lançando, outro produto correlato, que tem problemas de compatibilidade com alguns carros (como é o caso da estação WattStation, que tem causado problemas ao ser usada para carregar o Nissan LEAF, lá nos EUA).

Notas:


  1. Semanas depois que está postagem já havia sido originalmente publicada, enfim chegou ao mercado o carregador embarcado de 6,6 quilowatts, disponível como uma opção de custo extra no modelo base do Nissan LEAF. Isso propicia reduzir o tempo de carregamento usando a energia elétrica de 240 volts pela metade (4 horas). Mas o modelo base do LEAF continua sendo com um carregador de 3,3 kW;
  2. Além daquela recomendação, outras duas, também igualmente importantes, para ajudar a prolongar a vida útil da "sua majestade", a bateria são as de evitar proceder o carregamento, sem que a bateria atinja um mínimo de carga (obviamente que tomando sempre o cuidado de evitar o risco de ficar na rua, sem energia) e, também, o de evitar deixar seu VE estacionado por período longo de dias com o estado de carga da bateria em nível muito alto, principalmente quando o local de estacionamento for um ambiente quente, pois isso também ajuda a envelhece precocemente a bateria. Todavia, deixar a bateria parada, sem recarrega-la, em um estado de carga muito baixo, pode causar dela começar a "dormir", não aceitando mais ser carregada. Existe recomendação para armazenamento de bateria com química baseada em lítio para que o estado de carga seja ajustado em 40%.
  3. A "pergunta" é, na realidade, feita a partir do sinal elétrico de PWM que a EVSE entrega ao controlador de carregamento do VE. Uma EVSE envia um sinal de 1000 Hz de onda quadrada e o ciclo de trabalho deste sinal determina a máxima corrente disponibilizada pela estação, permitindo uma corrente de carga no Modo CA Nível 1, máximo de 16 A e Modo CA Nível 2 máximo de 50A (carregamento normal), e de 51A a 80A (carregamento rápido) para o mesmo modo.


Veja também:

Solução para Carregamento de VEs em Garagens Residenciais


4 comentários:

  1. Andre,

    Excelente material, obrigado pelas informações.

    Emanuel

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    1. Muitíssimo obrigado Emanuel, por ter o trabalho para me dar um retorno! São atitudes como a tua que me incentivam a continuar escrevendo aqui!

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  2. eu tava vendo um carro da renault o twizy ele é elétrico, mas tem que alugar a bateria e ainda tem que comprar o carregador. a renault deveria fazer o mesmo que a nissan.

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    1. Prezado Parkur, sobre o aluguel de baterias para os VEs, a ideia é a seguinte:

      É fato que o custo da bateria de tração de um VE pode chegar, para o consumidor, até a ordem de 50% do valor do carro. Assim, os que defendem o sistema de aluguel alegam o seguinte:

      "Você não precisa pagar, de uma só vez, por uma vida inteira de consumo de combustível quando você compra um carro com MCI (motor a combustão interna), então por que você deve comprar e pagar pela bateria de tração de um VE de uma só vez, quando o compra? A maioria dos VEs são mais caros para comprar, inicialmente, comparado com os seus homólogos a gasolina ou a diesel, por causa do custo da bateria. Na Renault, nós espalhamos o custo da bateria durante a vida útil do carro, e não apenas para ser paga no momento em que ele é adquirido. Então você não tem que pagar por isso tudo de uma vez. Isso torna o carro, inicialmente, mais barato."

      Outra questão interessante, é que, apesar de cada uma delas se apresentar ao seu público consumidor com uma estratégia de vendas diferente, a Renault e a Nissan formam, desde de o final dos anos 90, uma aliança em termos mundiais.

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