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sábado, 13 de outubro de 2012

O Arduino Uno (ou Duemilanove) Aplicado a uma EVSE (SAE-J1772) CA Nível 2 - Parte 3


Aqui começa a PARTE 3 deste artigo! Para ligação p/ a PARTE 1 siga:
O Arduino Uno (ou Duemilanove) Aplicado a uma EVSE (SAE-J1772 CA Nível 2) - Parte 1

Ou, para contextualizar sobre o Equipamento de Abastecimento de Veículo Elétrico, veja as postagens anteriores:
EVSE - Electric Vehicle Supply Equipment (Equipto de Abastec. de Veículo Elétr.) - Nível 1 e 2

Uma Shield (placa de expansão) Open-EVSE (onde EVSE é um acrônimo para Electric Vehicle Supply Equipment) para plataforma Arduíno é uma placa eletrônica única que se encaixa perfeitamente ás barras de conectores da placa controladora Aduíno Padrão (seja a Duemilanove ou a Uno). Essa expansão Open-EVSE dispõe dos circuitos eletrônicos necessária para, em conjunto com a placa Arduino, operar no controle adequado da todas as funções do processo da EVSE, que nada mais é do que uma fonte CA para carregamento da bateria do sistema de tração de Veículos Elétricos.

A EVSE, em conjunto com a ação do controlador do Carregador Embarcado presente nos Veículos Elétricos, operam o protocolo SAE J1772, via um único pino de sinal bidirecional de controle, denominado PILOTO, que faz a EVSE operar como uma fonte CA, em geral, mais adequada para a tensão de rede de 220V, 60Hz, regulada em corrente, limitada de acordo à capacidade máxima de fornecimento de corrente da EVSE e ajustada a demanda do Carregador Embarcado.

A EVSE apresenta o seguinte diagrama elétrico de blocos:


A entrada EVSE recebe rede bifásica (de preferência), fases L1 e L2, 220VCA nominal (ou monofásica, 127VCA, no caso NEUTRO ao invés de L2) e ainda o GND (definido como PE ou PEN na norma brasileira NBR-5410-2004). Convém que essa rede CA seja suprida a partir do Quadro de Distribuição de Circuitos, presente na Instalação Elétrica do imóvel onde a EVSE será instalada mas, nada impede que o circuito alimentador possa ser, também, derivado diretamente do Quadro Padrão de Entrada deste imóvel.

Todavia, em ambos os casos, mesmo sendo a EVSE dotada de dispositivo próprio de proteção contra choques elétricos, é altamente recomendável que haja uma proteção adicional, com emprego de um interruptor disjuntor DR, conforme foi tratado em postagens anteriores, aqui mesmo, neste blog. Também recomendo que quem pretenda executar esse projeto, seja cônscio da necessidade de conhecer a Norma Brasileira NBR 5410/2004.

Esta Norma estabelece as condições a que devem satisfazer as instalações elétricas de baixa tensão, a fim de garantir a segurança de pessoas e animais, o funcionamento adequado da instalação e a conservação dos bens, e se aplica-se principalmente às instalações elétricas de edificações, qualquer que seja seu uso (residencial, comercial, público, industrial, de serviços, agropecuário, hortigranjeiro, etc.), incluindo as pré-fabricadas.

A Shield para Arduíno Open-EVSE realiza as seguintes funções:
  • Fonte de Alimentação que provê a tensão CC de 12VCC para alimentação geral do controle;
  • Monitoramento da(s) Presença(s) da(s) Tensão(ões) de Fase da Rede CA, após o(s) Relé(s) Principal(is), na saída da EVSE (Monitor de Relé Principal Atracado);
  • Interrupção da Corrente de Carregamento por Falha de Terra (conhecido em inglês pelo acrônimo GFCI), para proteção;
  • Processamento da função PILOTO (incluindo aqui a Conversão CC/CC para obter saídas de tensão de alimentação CC simétricas, de +12V e de -12V, isoladas, que é necessária no processamento da função Piloto), conforme protocolo padrão internacional J1772;
  • Acionamento da(s) “bobinas” do(s) Relé(s) Principal(is), disponibilizando energia para o carregamento;
  • IHM,  composta de um LCD Multicolorido (RGB), de 2 linhas x 16 caracteres e com um teclado de 5 cinco teclas. A mudança da cor do fundo do LCD é usada como sinalização luminosa de estado e alertas, pertinentes a operação da EVSE, de acordo com o protocolo SAE J1772.
Assim, temos para essa Shield, o diagrama eletrônico que é apresentado na página a seguir:

Começando pelo bloco denominado “Fonte de Alimentação Avançada”, temos um conversor CA/CC compacto (tamanho miniatura), de 4W, o MPM-04S-12 da MicroPower Direct. A partir da tensão CA da rede (na ampla faixa de 90V a 264V) em sua entrada (pinos 9 e 7), ele produz em sua única saída 12VCC (pino 12).

Este módulo compacto é especificamente projetados para atender aos requisitos de "energia verde" da diretiva ErP, proporcionando pequeno tamanho, desempenho, robustez e economia, necessárias a muitas aplicações de energia a nível de placas de circuito.

As características padrão incluem filtragem para EN55022 Classe B, isolamento entre E/S de 3kVCA, regulação estável de +/- 0,5%, proteção contra sobrecarga, sobre a tensão, e falhas de curto-circuito, porém, o uso de fusíveis para proteção na entrada da fonte de alimentação, no caso, de 1A com ação retardada, é recomendado.

O MTBF é maior do que 330000 horas e tem uma entrada de Classe II (IEC61140). Isto significa que ele pode ser utilizado sem uma ligação à terra. É embalado em um pacote miniatura de montagem em PCI, sendo especificado para operação em uma vasta gama de temperaturas de ambientes funcionamento de -25 ° C a +60 ° C.

Neste mesmo bloco da “Fonte de Alimentação Avançada”, encontramos dois pequenos CIs MID400, que operam em conjunto, na função de “Detecção de Relé Atracado”.

O MID400 é um dispositivo de interface de linha CA para sinal lógico opticamente isolado. É embalado em uma DIP plastico de 8 pinos. A tensão da linha CA é monitorizada por dois diodos LED GaAs arranjados em antiparalelo, em série com uma resistência externa. Um circuito detector de alto ganho detecta a corrente do LED e aciona a porta de saída para um estado lógico baixo.

O MID400 foi concebido apenas para uso como um monitor de linha CA, recomendado em qualquer aplicação de controle de CA para CC, onde o isolamento óptico, a confiabilidade do estado sólido, a compatibilidade TTL, o tamanho reduzido, a baixa potência, e operações em baixa frequência são necessários. O monitoramento é feito via um resistor de 22kW na entrada (R8; R2).

Ambos os sinais de monitoramento gerados pelos dois CIs MID400 (que eu denominei DRA_L1 e DRA_L2) são enviados, via conectores do barramento Arduino (respectivamente, pelos pinos 3 e 2 de J1), para entradas digitais do microcontrolador (entradas IO2 e IO1 no diagrama ArduinoTM Uno Reference Designe), para serem, ambos, constantemente avaliados.


Se, após o relé principal (que é do tipo SSR) ter sido comandado para o ligamento, a fim de iniciar um processo de carregamento, qualquer um (ou ambos) desses dois sinais de monitoramento assumir o estado de nível lógico 0, o controle entenderá que existe uma falha, com a ausência de uma, ou de ambas as tensões de fases da CA na saída da EVSE. Em condições normais da operação de carregamento, ou seja, com o relé principal devidamente atracado e as tensões da CA de saída da EVSE presentes, os sinais DRA_L1 e DRA_L2 são mantidos em estado de nível lógico 1.

O bloco denominado “Falha de Corrente de Carregamento”, por sua vez, tem como importante função produzir em sua saída um sinal digital (denominado “Falha de Corrente”), que é levado a nível lógico alto, para informar o microcontrolador do sistema, caso ocorra uma falha por fuga de corrente para terra na saída da EVSE. Em condições normais, em que não exista tal falha, o sinal “Falha de Corrente” permanece em nível lógico 0.

Este tipo de proteção protege, principalmente, pessoas contra acidentes por choque elétrico, em ambas as fases na saída da EVSE. Todavia, se por um eventual mal funcionamento do carregador embarcado do VE, houver uma fuga de corrente para a terra, esta proteção, conhecida especificamente pelo acrônimo GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter), também atuará. Um pequeno transformador especial, do tipo TC (transformador de corrente), é empregado como sensor para este fim.

O princípio de funcionamento do sensoriamento baseia-se no fato de que, em condição normal de operação (sem fuga de corrente alguma), a somatória da corrente que sai com a corrente que retorna, pelos dois pontos da saída CA da EVSE é zero. O arranjo físico da ligação do TC é montado de modo que os dois fios condutores da corrente de saída da EVSE, juntos, formam laços em torno do núcleo toroidal do TC, compondo, assim, aquilo que é o primário deste transformador.

Não havendo corrente de fuga para o terra, não há indução alguma no TC pois, para efeito de produzir campo magnético variável, as duas correntes se anulam. Porém, havendo uma corrente fuga para o terra, mesmo que pequena, da ordem de uns 10 mA, o batimento entre as correntes da CA que entra e que sai pelos pontos de saída da EVSE, já não se anulam mais completamente, surgindo uma diferença que corresponde, exatamente ao valor da corrente de fuga.

O surgimento de uma fuga de corrente para o terra, é típico de ocorrer quando alguém acidentalmente toca um dos pontos de saída da EVSE e, não estando adequadamente isolado da terra, resulta em um perigoso choque elétrico. Neste caso, o ramal de saída da EVSE precisa ser imediatamente desligado, desconectando ambos os cabos condutores da corrente. Isto é feito desligando-se o Relé Principal (que é SSR duplo). O diagrama ao lado ilustra estas duas situações:

Havendo falha por corrente de fuga, o TC cria uma pequena tensão CA, com a mesma frequência da CA da rede, em seu secundário. Este pequeno sinal de CA é enviado para o circuito amplificador (o primeiro Amplificador Operacional do bloco “Falha de Corrente de Carregamento”, que tem sua entrada protegida por um circuito de corte, que corta simetricamente os picos da forma de onda de aproximadamente a tensão dos diodos zener, com dois diodos zener (D5 e D6) ligados em série oposta.

Os semiciclos negativos que então surgem na entrada do amplificador, no ponto da junção dos resistores R20 e R17, produzirão pulsos positivos na saída do mesmo. Estes pulsos, rapidamente carregam o capacitor C9, via o diodo de sinal D3. O diodo D3 bloqueia o retorno, evitando que o capacitor C9 se descarregue.

Já, o capacitor C8 provê uma ação integradora ao amplificador, impedindo que eventuais ruídos espúrios de alta frequência sejam amplificados (filtro passa baixa).

Em seguida, a tensão do capacitor C9 é entregue à entrada não-inversora do circuito comparador de tensão (que é o segundo amplificador operacional), que tem em sua outra entrada (entrada inversora) uma tensão de referência de aproximadamente 0,83VCC, produzida no divisor de tensão formado pelos resistores R14 e R15.

Se a tensão sobre C9 (sinal do TC amplificado) for maior do que a tensão de referência, a saída do comparador vai a nível alto. A saída do comparador é enviada, via pino 1 do conector J1 (conector do barramento Arduino) para a placa controladora Arduino, chegando a uma entrada digital do microcontrolador (entrada IO0 no diagrama ArduinoTM Uno Reference Designe). Ao ler essa entrada digital, se ela estiver em nível lógico 1, o microcontrolador registra a interrupção e causa o desligamento imediato do relé principal, estabelecendo a proteção contra a falha.

Por óbvias questões de segurança operacional, não é recomendável que esse tipo de interrupção seja recuperável, automaticamente mas, exigindo, sim, uma interferência do operador, para que a operação normal de carregamento do VE possa ser retomada! Para isso, essa condição de falha é apresentada em alerta, no LCD colorido do sistema, enquanto o carregamento é interrompido, por tempo indefinido, até que alguém reinicialize a EVSE, pressionando um botão em seu painel.

O bloco denominado “Conversor +12V/-12V” é aonde a tensão de alimentação de 12VCC é comum, é reconvertida para fonte de saída simétrica, +12VCC e -12VCC, isoladas, a fim de alimentar o circuito que realiza a função de “PILOTO” da EVSE de protocolo SAE J1772;

Para obter-se as tensões simétricas isoladas, é empregado um Conversor CC-CC Subminiatura, da Murata Power Solutions, de potencia máxima nominal de 1W, o NKA1212SC, bloco padrão de construção para sistemas de energia distribuída, a nível de placa de circuito.

Esse conversor CC/CC oferece um envólucro de tamanho reduzido, com maior eficiência energética na conversão (81%), ondulação de saída menor e capacidade de isolamento 3kVCC através do emprego do estado da arte em embalagem e tecnologia. Ideal para fontes de alimentação duplas de tensões simétricas, em placas de circuitos híbridos analógicos/digitais, principalmente com o benefício adicional de isolação galvânica, para reduzir o efeito do ruído de comutação digital sobre a operação linear dos demais circuitos analógicos.

Apesar de possuir dupla saída, a potência nominal toda pode ser demandada a partir de um único dos pino da saída, desde que a carga total não exceda 1 watt.

Na prática, quando uma carga exige uma variação (aumento/redução) brusca de corrente (que ocorre devido as comutações dos circuitos alimentados, o amplificador de erro do conversor CC/CC satura e não consegue controlar adequadamente a malha. Isto acontece porque o transiente de carga ocorre mais rapidamente do que o amplificador de erro pode responde. Assim, o uso de um capacitor para filtrar a ondulação da tensão das saída (C6 e C7), precisa ser coordenado com o emprego de um indutor em série com a mesma (L1 e L2), eliminando a corrente transitória brusca, fazendo a malha de controle do conversor responder suavemente.

Às custas de uma maior ondulação na corrente de saída, indutor série de valor menor resulta em uma maior taxa de variação da corrente de saída, melhorando a resposta aos transitórios de carga do conversor. Por outro lado, indutor de valor maior causa diminuir a ondulação da corrente e reduzir as perdas de histerese do seu núcleo magnético. O indutor é escolhido em compromisso.

O designer pode reduzir o tamanho do capacitor de saída para economizar dinheiro e espaço na placa. A base para seleção do capacitor de saída é a ondulação de corrente e a ondulação de tensão permissíveis, bem como, considerações de estabilidade da malha.

A fonte simétrica +12V/-12V alimentará o funcionamento de um único componente: o Amplificador Operacional J-FET Duplo LF 353, usado no processamento da função “PILOTO”, que ocorre no bloco denominado “Piloto”. Como veremos, este é um bloco de operação relativamente complexa.

A função “PILOTO” é a função pertinente ao protocolo SAE J1772. A especificação técnica desta função foi descrita inicialmente na versão de 2001 da SAE J1772 e, posteriormente, na IEC 61851 que estabelece a sequência de detecção de conexão entre o PEV (Plug-in Electric Vehicle) e a EVSE.

A sequência de detecção de conexão entre o PEV e a EVSE é realizada, automaticamente, com o estabelecimento da conexão física do conector do cabo de energia/controle da EVSE ao PEV: O Conector SAE J1772.

O Protocolo SAE J1772 permite descartar a eletrônica de circuitos integrados mais complexos e caros, que são necessários para outros protocolos de carga, como o CAN Bus, usado com o CHAdeMO ou EnergyBus. O SAE J1772 é considerado robusto o suficiente para operação numa gama de temperatura de -40°C até +85°C, e se tornou padrão mundial em EVSEs e, obviamente, nos PEVs, que possuem, ou dois conectores (J1772 + ChaDeMo), ou um único conector COMBO (que engloba, em si, o J1772). Por isso, notadamente estações de carregamento de uso doméstico, com corrente de carregamento ≤ 80 Ampères, todas empregam, atualmente, conectores J1772.

O protocolo de sinalização J1772 foi concebido para que as funções de monitoramento e controle sejam realizadas em sequência, que começa com o veiculo detectando, automaticamente, a sua conexão com uma EVSE.

O Conector J1772 Macho possui um sensor do tipo micro-chave, embutido em seu corpo (ver diagrama elétrico de blocos da EVSE completa apresentado anteriormente), que atua quando este conector, que se encontra na extremidade final do cabo de energia / controle da EVSE, é manualmente engatado ao Portal de Carregamento do PEV (Conector J1772 Fêmea).

A micro-chave atua sobre o pino 5 do conector J1772 (sinal de controle denominado “Proximity Detector”), de modo que o Veículo Elétrico pode, então, “tomar ciência” de que ele está conectado a uma EVSE.

O veículo, então, entra em estado de “Bloqueio de Movimento”, enquanto permanecer conectado à EVSE, e o Controlador do seu Carregador Embarcado passará, agora, a considerar a informação que está contida na linha de sinal de controle denominada PILOTO, que está presente no pino 4 do conector J1772.


Aqui começa a funcionar o bloco denominado “Piloto”, na placa Shield Open-EVSE. De inicio, o bloco “Piloto”, pela atuação do IC2 (ADG419), coloca um sinal de tensão de 12VCC na linha de controle PILOTO, via o resistor de precisão R1 (1kW, 1%). Por colocar um sinal de tensão de 12V na linha PILOTO, a EVSE está sinalizando que ela está em estado de “Pronta”, podendo ser usada (ser conectada a um veículo elétrico e realizar o carregamento da bateria de tração dele).

Todavia, para compreender o funcionamento do protocolo, é importante notar que, mesmo antes do conector J1772 ser engatado, o sinal PILOTO já estava, previamente, internamente à EVSE e, em um valor de em 12V. Esta é a condição para que a EVSE sinalize que ela está “Pronta em Espera”, mesmo estando com o seu cabo de carregamento em aberto. A sinalização de “Pronta em Espera” só não ocorra, se houver, previamente, alguma falha interna na EVSE.

Então, mesmo com o conector J1772 desengatado, o sinal PILOTO está sendo realimentado, na própria placa Shield Arduino Open-EVSE, sendo “detectado” para ser avaliado, entregue a uma entrada analógica do microcontrolador da placa Arduino (sinal denominado ADC_PILOTO), passado pelo divisor de tensão, formado pelos resistores R7 (200kW) e R6 (100kW), em conjunção com o resistor R5 (56kW, que se encontra ligado a +5VCC).

A tensão lida pela entrada analógica do microcontrolador, com o conector J1772 desengatado do portal de carregamento do veículo e, com a EVSE “Pronta em Espera”, é de aproximadamente 4,54V, conforme pode ser verificado pela análise mostrada na figura ao lado:

Assim, a EVSE pode “saber” que, apesar dela própria estar “Pronta”, ela não tem, ainda, nenhum PEV conectado a ela.

Note que o CI ADG419 opera semelhante a pequenino relé de estado sólido (SSR), dotado de uma chave SPDT. Portanto, apenas duas situações existem para ele:

  • Põe em sua saída (D1) tensão de +12v, ou;
  • Põe em sua saída (D1) tensão de -12v.

Em ambos os casos, a tensão presente em sua saída, afetará a linha PILOTO, via o resistor R1.

O ADG419 é um interruptor SPDT linear (para sinais analógicos) com operação (comando de comutação) digital, compatível CMOS. Este interruptor é projetado em um processo LC2MOS (Linear Compatible Complementary Metal Oxide Semiconductor) melhorado, que fornece baixa dissipação de energia e ainda provê velocidade de comutação alta, baixa “resistência de contato” (On Resistance, RON=25W típico) e correntes de fuga baixas (da ordem de décimos de nanoampères).

O perfil da resistência sobre o ADG419 é muito plana sobre a faixa de entrada analógica completa (desde VDD até VSS), garantindo excelente linearidade e baixa distorção, além de ampla largura de banda do sinal. A construção CMOS garante dissipação de potência ultrabaixa, tornando esse componente ideal para instrumentos portáteis e movidos a bateria.

O comando de comutação (sinal IN, pino 6) é digital e seleciona para ligar ao D1 (pino 1) uma dentre as duas vias do interruptor (S1 ou S2). Ambas as vias do interruptor do ADG419 conduzem igualmente bem e em ambos os sentidos. Na condição de “via deligada” o bloqueio é bastante elevado. O emprego do ADG419 é relativamente recente, antes, resolvia-se aplicações típicas com emprego de um Amp. Op. de entrada a JFET.

A reação inerente ao protocolo J1772 que ocorre em seguida após a EVSE colocar 12V na linha PILOTO é devida a parte do circuito de controle / monitoramento da linha PILOTO, que se encontra embarcado no Veículo Elétrico. Assim, precisamos passamos a olhar o diagrama elétrico que é apresentado a seguir, e que representa o circuito completo que se forma quando o conector J1772 do cabo de uma EVSE se torna devidamente conectado, engatado ao portal de carregamento de um VE:


Aqui, o ADG419 está sendo representado como um relé (K2), dotado de um interruptor SPDT (contato reversível do relé K2), que existe do lado da “EVSE Controller”. A colocação de 12V em sua saída indicando “EVSE Pronta”, irá provocar, via resistor R1 (1kW, 1%), uma corrente via o diodo D1, causando uma redução da tensão para algo em torno de 8,3V no lado do catodo de D1 (que está no “Vehicle Contoller” embarcado no VE), ou seja, teremos efetivamente 9V na linha PILOTO, devido ao divisor de tensão formado por R1 + R3 (R3=2,74kW, 1%).

Existe um certo grau de dificuldade para se enxergar o referido divisor de tensão pois, R1 está de um lado do sistema (na “EVSE Controller”) e, R3 está do outro lado do mesmo (no “Vehicle Contoller”) e, ainda mais, o diodo D1 encontra-se no meio, entre eles.

Importante ressaltar também que, neste momento, o estado do interruptor K1 (que também está no “Vehicle Controller”), ainda é o de DESLIGADO ou aberto (estado original que ele já tinha, antes mesmo do Conector J1772 ser engatado) pois, ele é um contato N.A..

A tensão de 8,3V do catodo de D1 é então detectada pelo detector (representado pelo buffer inversor) que existe no controlador do Carregador Embarcado do veículo, e isso informa a esse controlador, que a EVSE ao qual ele havia se conectado (quando atuou a micro-chave embutida no corpo do conector) está “Pronta” para fornecer energia.

Concomitantemente, já do lado da EVSE, devido ao engatamento do conector J1772 da EVSE “Pronta” ao portal de carregamento do PEV, o sinal ADC_PILOTO irá cair, dos anteriores 4,54V para, aproximadamente, 4,08V, e neste valor se manterá, enquanto na linha PILOTO na linha houver 9V nominais (8,94V, segundo simulação apresentada na figura a seguir):

Com ADC_PILOTO igual a 4,08V, o microcontrolador da placa Arduino sabe que agora a EVSE tem um PEV conectado a ela mas, ele sabe também que aquele PEV ainda não esta efetivamente demandando corrente de carregamento, até mesmo porque, a EVSE precisa, antes, informar ao PEV o valor da Corrente Máxima que estará disponível para o carregamento.

Assim, uma vez que a tensão de 4.08V já foi encontrada pelo microcontrolador como estando presente no ADC PILOTO, o microcontrolador pode passar, agora, a liberar o sinal de saída Piloto_1kHz, que é o sinal PWM cujo ciclo de trabalho serve para informar o PEV sobre a Capacidade  de Corrente Máxima para o carregamento.

A partir deste momento, o carregamento poderá começar imediatamente, ou não: isso agora é uma decisão exclusiva do veículo.

Apesar do veículo já saber que ele está conectado à uma EVSE e que esta EVSE se encontra pronta para fornecer uma determinada Corrente Máxima, ele pode fazer com que o carregamento seja adiado e, com isso, o sistema PEV-EVSE fique aguardando o inicio da operação, dependente de uma ordem do carro.

Esse recurso do protocolo J1772 é muito útil para quando você fizer a começão do seu PEV à sua EVSE logo que chegar à sua casa, entre o fim da tarde e o início da noite, quando costuma ser o período do dia de maior demanda quanto a consumo de energia elétrica: o chamado “horário de pico”.

Para isso, basta você parametrizar de antemão, a IHM no painel do seu carro, escolhendo uma hora propícia para inicio de carregamento, por exemplo, as 23hs.

Assim, ao chegar em sua garagem as 18hs 30min, por exemplo, você já pode conectar o carro para carregamento, imediatamente e, simplesmente esquecê-lo. O carregamento só iniciará, automaticamente, as 23hs, com a autorização dada pelo próprio carro à EVSE.

Além do mais, nenhum distraído conseguirá sair com seu carro enquanto ele aguarda o momento de iniciar o cargamento sem, antes, cuidadosamente ter que remover o conetor J1772 pois, o carro fica imobilizado com o conector engatado. Tudo muito bem bolado.

Se houver uma queda da energia da rede elétrica da residência enquanto o sistema esta neste estado de Carregamento em Espera, após o problema da queda de energia ser sanado, a EVSE retorna a essa mesma condição, automaticamente.

Quando o carro decide ordenar o inicio do carregamento, por ativar o relé de comando K1, isso provoca nova alteração na linha PILOTO, informando a ordem à EVSE e a ela caberá responder ligando, em fim, o relé principal.

A EVSE só não o acatará a ordem de iniciar o carregamento dada pelo PEV, caso ela entre em alguma das condições de falha:
  • Fuga da corrente de carregamento para a terra;
  • Falta de uma ou de ambas as fases na Saída (ou do GND, aterramento PE);
Todavia, convém lembrar que, para que o carregamento efetivamente aconteça caberá, ainda, a EVSE, informar ao PEV sobre qual é o limite máximo de corrente que ela pode fornecer pois, sem essa informação, o carregador embarcado do veículo, mesmo tendo ordenado o inicio do carregamento, efetivamente não consumirá corrente.

O modo como o PEV informa a EVSE a ordem de início de carregamento é, também, por manipular a tensão do sinal presente na mesma linha de controle PILOTO. Quando o carro quer que o carregamento inicie, o controlador do seu carregador embarcado causa o fechamento do contato N.A. de relé de comando K1 do protocolo J1772 (no lado do “Vehicle Contoller”), inserindo, assim, no circuito de sinalização PILOTO, o resistor R2 (1,3kW, 1%).

Com com o ligamento de K1 e a consequente inserção do resistor R2, a tensão presente na linha de controle PILOTO, novamente é modificada, diminuindo ainda mais, conforme mostra a figura a seguir, relativa a simulação do circuito: temos agora 5,96V na linha PILOTO (6V nominais), resultando em 3,63V de tensão presente em ADC_Piloto que será lida pela entrada analógica do microcontrolador da placa Arduino.

Ao ler o atual valor de tensão presente em ADC_Piloto, a EVSE passa a saber que ela terá que acatar a ordem de iniciar o carregamento, de modo que ela deverá ligar o relé principal (o relê de potência) da EVSE, liberando a corrente para o carregamento da bateria do VE.

Todavia, antes disso, a EVSE precisa informar o controlador do carregador embarcado do VE sobre a sua limitação quanto a capacidade dela em fornecer corrente para o carregamento.

Para fazer isso, ela comuta o relé (virtual) K2. A comutação do relé K2 afeta, mais uma vez, o sinal presente na linha de controle PILOTO. O sinal presente na linha PILOTO modifica-se completamente: ao se comutar K2 e a EVSE passa a enviar pela linha PILOTO um sinal de trem de pulsos de forma de onda retangular de amplitude 24 Vpp (+12V ~ -12V) e de frequência fixa de 1kHz, ao invés de tensão contínua, o que significa que a fonte de tensão CC V2 deixa de existir e no seu lugar entra o gerador desta função de trem de pulso.

Este sinal de trem de pulsos de forma de onda retangular e de frequência fixa de 1kHz, transportará, em si mesmo, a informação sobre o valor da máxima corrente que a EVSE poderá estar fornecendo ao carregamento do veículo. É muito importante que o PEV saiba sobre esse valor limite e o respeite, para não causar sobrecarga na instalação da EVSE.

Apenas reflita: existem estações públicas de carregamento, conhecidas Carregadores Rápidos, Carregadores Super Rápidos e Carregadores Ultra Rápidos, os quais operam o carregamento da bateria de tração dos PEVs em correntes da ordem de 200 Ampères, 300 Ampères, 500 Amperes, etc. De fato, tais carregadores sequer usam os mesmos pinos 1 e 2 do conector J1772 para conduzir corrente de carregamento: eles exigem, ou o conector ChaDeMo, ou conector Combo (que contém, em si, a mecânica do J1772, porém, com dois pinos extra, estes fisicamente bem maiores, os quais tais estações de alta potência usam para transferir energia).

Estas estações de carregamento requerem ser alimentadas diretamente a partir de rede elétrica CA, mas que também é especialmente dimensionada, para a potência elevada em questão, para a qual as especificações do padrão de entrada de abastecimento CA dos imóveis do tipo residenciais, consumidores individuais, não suportam, não dispõem de capacidade e, normalmente, nem sequer poderão ser autorizadas pelas concessionárias de distribuição de energia a poder dispor. Estas super estações operam carregamento do VE diretamente com uma tensão já  convertida em CC, e eles custam dezenas de milhares de dólares.

Mas o que eu quero mesmo chamar a atenção é para o seguinte: a grande maioria dos VEs está, então, habilitada a consumir, sob carregamento, correntes elevadas da ordem centenas de Amperes. Por norma o protocolo SAE J1'772 define um limite para corrente de carregamento de no máximo 80A. Mas a realidade é que a grande maioria das Instalações Elétricas Residenciais existente atualmente, principalmente aqui no Brasil, teria SÉRIOS PROBLEMAS DE RISCOS DE INCÊNDIOS POR SOBRECARGA ELÉTRICA, ao receber um novo consumido interno, deste porte (220V, 80A), sem que fosse executada, antes, uma boa avaliação que resultasse  numa consequente reforma (com adequada substituição do elementos condutores e de manobra e proteção pertinentes).

220V, 80A ... Isso equivale aproximadamente a demanda de carga de três chuveiros elétricos comuns, funcionando simultaneamente. Portanto, os riscos de sobrecarga nas instalações elétricas devem ser cuidadosamente considerado e verificado. Caso contrário, o sonho de ter um Veículo Elétrico sendo carregado na sua própria garagem pode reverter em um eventual pesadelo de você perder o seu imóvel   por causa de um incêndio.

Eu costumo insistir neste assunto pois, em países pioneiros na tecnologia de carregamento doméstico de VEs, alguns casos de eventos sinistros assim já foram registrados e, gostemos nós de saber disso ou não, por mais que existam regulamentações, na prática, as instalações elétricas residenciais brasileiras acabam sendo pouco confiáveis. Assim, o fato da EVSE informar ao PEV sobre o limite de capacidade de corrente e, o PEV respeitar esse limite, é algo fundamental para a segurança da operação de carregamento dos VEs.

A seguir, os dados a respeito da característica da limitação de corrente (corrente máxima) de carregamento no protocolo J1772 é apresentada, em dois diferentes formatos, tabela e gráfico:


Como como ser constatado, a informação da corrente máxima está contida no Ciclo de Trabalho do sinal de trem de pulsos de forma de onda retangular de frequência fixa de 1kHz.

Ciclo de Trabalho, as vezes denominado, também, Razão Cíclica, de um sinal elétrico pulsante, geralmente de forma de onda retangular, é utilizado para descrever a razão entre o tempo em que o sinal está em um estado "ativo", geralmente em nível alto, e o tempo total da duração de um ciclo completo (ou período). Este parâmetro, usualmente, é expressado em porcentagem (%):




O termo Ciclo de Trabalho, está comumente associado a Modulação por Largura de Pulso, mais conhecida pela sigla em inglês PWM (Pulse Width Modulation) que é um processo envolve a modificação de um sinal eletromagnético inicialmente gerado, antes dele ser transmitido para um receptor, de forma que ele possa se comportar como uma portadora, transportando uma informação variável amostrada, cujo valor é proporcional à largura dos pulsos, ou seja ao ciclo de trabalho.

Deste modo, uma EVSE poderia assumir o controle da demanda de corrente no processo de carregamento da bateria de tração de um PEV, fazendo com que essa varie, pela ação de um PWM.

Todavia não é isso que ocorre, ainda, nas EVSEs atuais. O controle da demanda de corrente fica, totalmente a cargo exclusivo do controlador do carregador embarcado do veículo. A EVSE se restringe a ter apenas que informar o valor da corrente máxima que ela suporta. Não existe PWM, nas EVSE atuais. A largura do pulso do sinal de onda retangular de frequência 1kHz é fixa, ou seja, o ciclo de trabalho não varia, é sempre o mesmo, informa sobre a corrente máxima, nada mais.

A corrente máxima da EVSE é um parâmetro com valor definido ao nível do firmware do microcontrolador da placa Arduíno e, em geral, nem sequer pode ser modificado pelo usuário / operador. O microcontrolador produz em uma das suas saídas digitais (que eu denominei no diagrama da placa EVSE Shileld de “Piloto_1kHz”), o sinal de frequência fixa de 1kHz, que terá um ciclo de trabalho também fixo, definido pelo valor de corrente máxima que se quer representar.

Por exemplo, em uma EVSE com capacidade de corrente máxima definida para 45A, um algoritmo adequado fará o microcontrolador da placa Arduino produzir naquela saída digital um sinal de 1kHz, com ciclo de trabalho de (45 / 0,6)% = 75%. Este sinal é enviado a partir da placa Arduino para a placa EVSE Shield, e chega à entrada IN (pino 6) do IC2 (ADG419).

O desenvolvimento de melhorias que propiciem o carregamento inteligente dos veículos elétricos é uma meta permanente e, existir possibilidades para um maior poder de controle por parte da EVSE, por meio, por exemplo, do emprego da técnica de PWM sendo utilizado para variar o valor da transferência de potência entregue no carregamento.

Porém, eu, particularmente, não creio que isso venha a ocorrer nas EVSEs domésticas pois, todas as possibilidades mais interessantes de controle a serem implementadas, como por exemplo, a de se poder regular a corrente de carregamento ao longo do dia, reduzindo-a ao minimo nos horários de pico de demanda e aumentando nos horário de mais baixo consumo, pode ser feita pelos controladores que ora já estão presentes nos próprios PEVs, dotados, inclusive, um relógio de tempo real, que é necessário para isso, enquanto a EVSE doméstica típica, não o tem.

Uma tendência futura aponta para EVSEs com capacidade de operar em modo reverso, ou seja, no caso de uma eventual falha do sistema de distribuição de energia na rede elétrica, o ramal de ligação do imóvel é desconectado da rede pública, e a EVSE opera a conexão com o PEV, se este estiver presente, para que sua bateria alimente, de modo emergencial, os consumidores ligados a instalação elétrica da residência. Para isso, os carregadores embarcados nos veículos precisam ser bidirecionais e, de fato, muitos já o são.

Enfim, a curto prazo, as inovações visando carregamento inteligente de veículo, não devem afetar EVSE J1772 domésticas, que são, essencialmente, estações de carregamento de veículos elétricos para fins de emprego popular e, o seu custo precisa ser mantido o mais baixo possível, para ser competitiva, vantajosa para cada usuário de PEV desejar ter a sua própria em casa.


Na figura a seguir, tem-se um diagrama que apresenta uma visão geral de todo o contexto de carregamento dos VEs:




Assim, se você, precisar de uma EVSE J1772 220V, nas opções de corrente máxima de:
  • 30 A (ideais para carregamento de PEVs dotados de carregadores embarcados de até 6,6 kW), ou;
  • 45A (ideais para carregamento de PEVs dotados de carregadores embarcados de até 9,9 kW), ou;
  • 75A (ideais para carregamento de PEVs dotados de carregadores embarcados de até 16,6 kW);
Por, favor, me contate para um orçamento: eu monto o equipamento na versão mais recente e o instalo em poucos dias, dando-lhe garantias de instalá-lo adequadamente em seu local de residência ou trabalho, dentro dos padrões das normas técnicas brasileiras e internacionais pertinentes. Isso, pelo menor custo possível.

Na verdade, o Custo Total de Propriedade (os materiais mais os serviços, até o fim do comissionamento) é muito mais dependente das condições atuais da instalações elétricas do imóvel, que irá receber a EVSE, do que da capacidade de potência da EVSE escolhida. Isso precisará ser avaliado por rápida inspeção prévia no local.

Se a instalação elétrica da residência for propícia, uma EVSE de 30A montada, instalada e comissionada, pode sair por até R$ 2.500,00.

A placa EVSE é uma expansão (shield) para Arduíno. A versão mais recente do Arduino é a versão Uno Rev. 3, de modo que, o leiaute dela deve ser elaborado considerando o leiaute preexistente da Arduino, que é apresentado na figura a seguir:




Essa dissertação será retomada e continuará, na parte 4, em breve, assim que Deus permitir. Talvez demore um pouco pois, eu estarei, por esses dias, "tentando aprender" um novo CAD para desenvolver a PCI dessa expansão Arduino para EVSE: O Eagle CAD (novo para mim). Caso você se interesse também, comece olhando esse tutorial: How to make an Arduino shield with Eagle CAD – Tutorial


Eu publiquei a 1ª Parte do  meu próprio tutorial sobre uso da ferramenta EAGLE CAD aqui, pelo EBAh:

2 comentários:

  1. Antes de tudo, saudações e muitíssimo obrigado pelos cumprimentos!

    Ok, creio que entendi sobre as tensões do padrão de fornecimento de energia elétrica residencial ai em Portugal. Apenas para constar, aqui no Brasil, apesar de haver alguma variação de região para região, de um modo mais geral, as residências são alimentadas a 3 fios (fase 1, fase 2 e Neutro).

    Ainda no caso brasileiro, as tensões nas residências são 127V (entre fase e Neutro) e 220V (entre fase e fase).

    A Estação de Carregamento de Bateria de VEs que está sendo proposta aqui é para operar, sim, em uma tensão de alimentação com valor nominal entre 220V e 240V. Deste modo, no caso português, sim, deverá ser alimentada com Fase e Neutro, 230V como o senhor mesmo se referiu ... (enquanto que no caso brasileiro, deve ser alimentada com fase e fase, 220V).

    Devo ressaltar, também, que a Estação de Carregamento proposta aqui é de acordo o padrão SAE J-1772, no entanto, até o presente momento, padrão algum foi definido para emprego específico aqui no Brasil (mas eu, particularmente, aposto que, por fim nós acabaremos por seguir mesmo o SAE J-1772, por aqui). Não obstante, eu não sei dizer se eu recomendaria esse mesmo padrão ai para Portugal, pois eu sei que na Europa, outros padrões vinham sendo defendidos e já faz alguns meses que que eu deixei de acompanhar o desenrolar disso.

    Outra questão importante a e considerar é a seguinte, aqui no Brasil, o condutor de neutro (N) que chega à uma residência deve ser aterrado junto ao painel de entrada da mesma e, deste ponto em diante deriva-se dois condutores: Neutro (N) e GND (PEN), ou seja, adotamos, predominantemente, o sistema TN-C (nas instalações elétricas mais antigas) e TN-C-S (nas instalações mais novas).

    Já, ai em Portugal, com tensões residenciais mais elevadas, como é a questão entre Neutro e Aterramento?? Por acaso existe um condutor Terra e um condutor Neutro totalmente separados entre si chegando às residencias (com num sistema T-T)??

    Espero que o senhor saiba sobre isso pois, eu não sei mas, sei que o aterramento precisa existir, necessariamente, para que a proteção de "falta a terra" (fuga de corrente para o terra) possa existir e atuar corretamente.

    Abraços

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    1. Se tiver alguma dúvida sobre TN-C, TN-C-S, T-T, veja a postagem:

      http://automoveiseletricos.blogspot.com.br/2012/07/protecao-por-aterramento-e-por.html

      Talvez ajude!

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