“Ansiedade por Autonomia” ou “Carregadores Lentos”? Carregadores Embarcados de Veículos Elétricos Mais Rápidos Chegarão em Breve!

Muitas pessoas estavam apostando que seria para já, com o lançamento do modelo 2013, mas ainda não aconteceu. Provavelmente, o VE puro elétrico compacto Nissan LEAF irá incluir uma unidade de carregamento embarcada atualizada, de 3,3 kW e 6,6 kW, somente depois que a nova fábrica de Smyrna, no Tennessee, estiver pronta para iniciar suas operações para produzir o Nissan LEAF,  o que ocorrerá em dezembro de 2012.

Claramente, o principal problema (psicológico) com relação aos veículos elétricos (não aqui no Brasil, mas lá aonde eles, de fato, já existem) parece ser mesmo a tal "ansiedade por autonomia" - o medo dos motoristas de ficar sem eletricidade antes de chegarem ao seu destino e acabar presos na estrada. Mas o problema não pode decorrer “apenas” da limitação da autonomia.

Afinal de contas, os carros a gasolina também podem terminar sem combustível, se o motorista bobear na estrada. O problema é que a ansiedade por autonomia é agravada pelo tempo que se leva para a "recarga" dos carros elétricos.

Leva-se horas para recarregar carros elétricos em estações de carregamento em CA (que são equipamentos de baixo custo) e estações de carga CC (equipamentos de custo bem mais elevados) que são mais rápidas para recarga são, ainda, muito escassas, tornando a operação de um veículo elétrico bastante diferente daquilo que é viver com um carro a gasolina, que pode ser recarregado em 5 minutos a partir de um posto de gasolina perto de qualquer esquina.

Pesquisas revelam que, mesmo a autonomia dos veículos elétricos atuais já é suficiênte para a condução de dia-a-dia da maioria dos motoristas: mais de 90% da população de motoristas tem suas necessidades diárias atendidas.

A causa acrescentada para a ansiedade, então, é a necessidade de um processo prolongado de recarga, período em que o carro elétrico fica indisponível. Mesmo que, numa situação de incontingência, você encontre com facilidade um lugar para carregar, o ganho poderá não ser satisfatório, se você tiver que ficar “detido” por um “longo tempo” no local.

Se o carregador encontrado fornecer CA (Corrente Alternada, que é de baixo custo, menos de Us$1000 por equipamento), mesmo que ele seja de “relativa alta potência” (ou seja, de potência igual ou superior ao do carregador embarcado do carro), a velocidade da transferência de carga elétrica ficará limitada pelo carregador embarcado do carro. Por exemplo, o Nissan LEAF ano 2013 (modelo 2014) levará 45 minutos para recuperar apenas 17,2 km aproximadamente (os Táxis LEAF que entraram em testes em São Paulo a poucas semanas, no mesmo tempo, poderão recuperar menos ainda, apenas 8,6 km).

Para minimizar o problema com o tempo de carregamento, a próxima onda de VEs estarão sendo lançados com carregadores embarcados mais potentes (portanto mais rápidos para se carregar). Todo veículo elétrtico tem o seu carregador embarcado, que canaliza a energia elétrica que flui da rede elétrica CA para a bateria CC do carro e, fazendo uma analogia com carros a gasolina, o porte do carregador embarcado funciona como o diâmetro do tubo de saída de um funil, determinando, assim, o tempo de recarregamento da bateria.

Note que, se a estação de carregamento for CC, ela não dependerá do carregador embarcado e, por isso, pode recarregar muitíssimo mais rápido (nos mesmos 45 minutos carregaria a bateria a 100% e sobraria tempo para fazer a troca de óleo (se houve óleo para trocar, k kk kk kk kk k). Todavia, mesmo nos paizes sérios (k kk kkk kk kk) a implantação da rede pública (entenda-se carregadores em CC) a coisa não está ocorrendo tão rapidamente quanto num passe de mágica (cada estação CC custa de US$9000 até US$50000).

Outra coisa é o seguinte: qualquer fabricante de veículo elétrico honesto sempre alertará, em letras grandes e vermelhas, no manual do usuário do carro, que se você fizer do carregamento em CC (chamado carregamento rádido, já sendo possível carregar em até 15 minutos) o seu método de carregamento habitual, você poderá ser vitimado por uma considerável redução da vida útil da sua bateria, que poderá durar, digamos, 3 ou mesmo 4 anos a menos, do que duraria normalmente (priorizando carregamento normal em CA).

Por isso os modelos novos (a serem lançados em 2013) de VEs, entre os quais o Ford Focus EV e o Nissan Leaf, incluem entre as inovações a mudança da potência do carregador embarcado para 6,6 kW, ao invés de os carregadores de 3,3 kW dos modelos 2010-2013 do Nissan Leaf e Chevrolet Volt. Repare que a potência dobrou (o Toyota RAV4 EV (geração 2) já sinalizava por isso, quando foi lançado, “chutando o balde” com um carregador embarcado de 10kW (mas ele é um carro maior).

Em termos práticos, isso fará reduzir os tempos de carregamento em CA para estes novos VEs pela metade. Este avanço PODERIA mesmo cortar o tempo para carregar totalmente um Nissan LEAF em uma tomada de 120 volts padrão, em um carrregamento ecologicamente correto (que deve ser realizado prioritariamente durante a madrugada, entre meia noite e sete horas da manhã e não no começo da noite, pois o pico de consumo já é hoje próximo das 20hs).

Mas o fabricante do veículo sabe bem que demandar uma corrente de 15 ou 16 Amperes de uma instalação elétrica residência (caso atual do uso do cabo de carregamento lento que acompanha o carro e que proporciona carregamento em tempo de 16 hs) é algo tranquilo. Mesmo que as instalações elétricas da residência não foram planejadas pensado em VEs, as boas práticas sempre recomendaram se prever alguma margem de ampliações de demanda. No entanto, querer demandar 30 ou 32 Amperes da mesma instalação elétrica residencial já pode ser algo realmente muito sinistro e, eu não creio que eles se atreveriam, de modo algum, a fazer isso.

Na verdade, pela norma NBR 5410/2004, qualquer ponto de tomada para suprir demanda de mais de 10A jé é considerado caso especial, ou seja, deve ser um Ponto de Tomada de Uso Específico (PTUE). 9.5.3.1 Todo ponto de utilização previsto para alimentar, de modo exclusivo ou virtualmente dedicado, equipamento com corrente nominal superior a 10 A deve constituir um circuito independente. (ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008).

O problema, para se efetivamente se reduzir a metade o tempo para o usuário desprovido de uma estação de carregamento própria (do tipo residencial, obviamente), não será mais as limitações do carregador embarcado no veículo, mas será preciso, de fato, que se providencie um ponto de tomada de energia (e o respectivo circuito de alimentação com os seus condutores dimensionados e dispositivos de proteção) especialmente dimensionado e dedicado para quem quiser mesmo, carregar o seu VE em casa, em menos de 6 horas, caso contrário, correríamos o risco de ter uma epidemia de incêndios residenciais por causa de sobrecarga nas instalações elétricas e os culpados seriam os VEs.

Isso deve ser considerado de maneira muito série e, não pensem que eu estou brincando, ou mesmo exagerando, coincidentemente, agora mesmo, enquanto eu escrevo isso, olho para a TV que está ligada e o noticiário dá conta de que está acontecendo um incêndio em um estabelecimento comercial, no centro do Rio de Janeiro, e ao que tudo indica, justamente por causa de sobrecarga elétrica em instalação elétrica problemática.

Portanto, não saia instalando estações de abastecimento de VEs e PHEVs (veículos híbridos plug-in) em condomínios que estão sendo construídos apenas pra fazer bonito ou ser moderno. Antes, planeje com visão de tendências futuras, além das de curto prazo, ou corra o risco de que daqui a dois anos estes equipamentos poderem se tornar completamente obsoletos, e a propaganda esperta acabar funcionando como uma contra-propaganda.

Também não sonhem os proprietários de modelos 2011 a 2013 do Nissan LEAF, que seus carros, poderão, com facilidade, vir a ser modificados para atualizar, substituindo os carregadores embarcado antigos por novos carregadores embarcados, mais potentes, pois, muito provavelmente, eles não poderão. 

Além do retrabalho em si, ser bastante grande e complexo (penso que ao menos 4 hs de retrabalho x 2 técnicos), ela demandará ainda a substituição de muito mais peças do que simplesmente apenas o carregador em si.

Todavia, para quem vier a adquirir o modelo 2014 e encontrar uma estação de carregamento de 220V, 30A - 32A, uma forma útil de olhar para as melhorias no tempo de carga é a de considerar o número de quilômetros que você poderá recuperar em uma hora de tempo de carregamento.

Esse cálculo representa a situação análoga quando você descobre que está rodando com pouco combustível. A recuperação, ou seja, a relação alcance/tempo de carga, será dobrada, mas repito: nada deverá mudar para quem fizer o carregamento usando apenas o cabo que acompanha o carro (cabo de carga lenta).

Seja como for, enquanto eles (os EVs) não chegam (de verdade) por aqui, podemos continuar sonhando e, principalmente, aprendendo, enquanto os outros, lá fora, pagam o preço. Será que assim, dessa forma, em fim faremos as coisas direito por aqui?

O Protocolo CHAdeMO e as Estações de Abastecimento Públicas em CC:

CHAdeMO é o nome comercial de um método de carga rápida da bateria para veículos elétricos que disponibilizam até 62,5 kW de alta tensão em CC através de um conector elétrico especial. Propõe-se como um padrão global da indústria por uma associação do mesmo nome. CHAdeMO é uma abreviatura de "CHArge de MOve", equivalente a "Movimento de Carga". O nome é um trocadilho para "O cha demo ikaga desuka" em japonês, traduzido para o português como "Que tal um chá?", Referindo-se ao tempo que levaria para carregar um carro. CHAdeMO pode recarregar um EV em menos de meia hora.

A Associação CHAdeMO foi formado pela empresa de energia Tokyo Electric, pela Nissan, pela Mitsubishi e pela Fuji Heavy Industries (fabricante dos veículos Subaru). A Toyota mais tarde se juntou como quinto membro executivo. Três dessas empresas desenvolveram veículos elétricos que utilizam conector da TEPCO para carregamento rápido em CC.

A maioria dos veículos elétricos (EVs) são dotados de um carregador embarcado, que usa um retificador para transformar corrente alternada da rede elétrica (rede elétrica VCA) em corrente contínua (V_CC) adequado para recarregar o conjunto de baterias do EV.

Questões de custos e problemas térmicos limitam o quanto de energia o retificador pode manipular, algo em torno de 240 VAC e 75 A, desse modo, é melhor que uma estação de carregamento externo forneça corrente contínua (CC) diretamente à bateria do veículo. Tendo em conta estes limites, a maioria das soluções convencionais de carga são baseadas tanto em serviço 230V/15A na Europa, quanto em serviço 240V/30A na América do Norte e Japão.

Para agilizar o carregamento, carregadores dedicados podem ser construídos em locais permanentes e dotado ramais de ligação a rede elétrica de alta capacidade de corrente. Neste tipo de conexão, a saída do carregador CC não tem limite eficaz, teórico ou prático. Tais carregadores de alta tensão e de alta corrente são chamados de carregadores CC rápidos e são também referidos como carregadores de nível 3 (em contraste com os de CA de níveis de carregamento menos potentes nível 1 e 2).

Tendo sido concebida para carregamento rápido, os carregadores com a arquitetura CHAdeMO tendem a ser aplicados, de modo praticamente exclusivo, em postos de reabastecimento de beira de estradas, de modo que deve-se prever uma parada de reabastecimento de ½ hora (em breve, de apenas 10 ou 15 minutos) a cada 140 a 150km rodados, enquanto que, os carregadores de carga lenta, que são os de uso mais recomendados, em termos número de carregamentos a serem realizados, a fim de prolongar a vida do conjunto de baterias, tente a ter uma maior aplicação como carregadores de uso domésticos ou instalados em locais de pousadas e, competindo, nas cidades e rodovias, com uma rede recarregadores CHAdeMO, instalados em postos de abastecimento públicos. Uma boa ilustração do conceito de rede de carregamento é retratada nesta ilustração da Nissan:

A TEPCO desenvolveu para a arquitetura CHAdeMO uma tecnologia patenteada e uma especificação para carregamento em relativamente alta tensão (até 500 V_CC) e de alta capacidade corrente (até 125 A), para carregamento rápido das baterias automotivas principais dos EVs, através de um conector de carga JARI CC para carga rápido.

Parece que esta é a base para o protocolo CHAdeMO. O conector é especificado pelo JEVS (Japão Electric Vehicle Standard) G105-1993 do Japan Automobile Research Institute.

Além de realizar a conexão da alimentação, ele também faz a conexão de dados, usando o protocolo CAN-Bus. Este executa funções como intertravamento de segurança para evitar energização do conector antes que seja seguro (similar ao que é feito no SAE J1772), transmissão de parâmetros da baterias para a estação de carregamento, incluindo quando encerrar a operação de carregamento, a tensão alvo, e a capacidade total da bateria, e durante o carregamento como a estação deve controlar a variação da sua corrente de saída.

O conector possui 10 contatos. Os dois com um diâmetro maior (pinos 6 e 5), são respectivamente, os polos positivos e negativos da potência, que fornecem a CC de carga e os outros 8 pinos são uma combinação de sinais de comunicações analógicas e digitais para a gestão e controle do carregamento. As ligações físicas mais importantes neste sistema são mostrados na imagem ao lado:

A sequência de procedimentos de carregamento no protocolo CHAdeMO é como se segue:

1. Preparação para a carregamento: o veículo verifica a sua compatibilidade com o carregador com base na informação transmitida através do bus CAN. Depois de o conector é bloqueado, o carregador se aplica uma tensão de carga de curto prazo para o seu circuito de saída e conduz um teste sobre o circuito incluindo a interface conector para confirmar que não existem anormalidades como um curto-circuito ou falha de terra;

2. Inícialização da fonte de alimentação: Após os procedimentos de preparação, o veículo calcula o nível de corrente com base no desempenho da bateria e as circunstâncias, o que pode ser carregada e envia o valor para o carregador cada 0,1 segundo através do barramento CAN. O carregador fornece uma corrente eléctrica que se encontra com o valor do veículo através do controle de corrente constante;

3. Fim de Carregamento: O veículo envia sinais de corrente a zero apesar de CAN, em seguida, carregador para de sua saída. Após a confirmação de corrente zero em linhas de entrada de veículos, EV abre contator e envia proibir sinal a um carregador, o carregador e confirma que a sua corrente de saída é zero.