Com base na arquitetura de sua relação MOTOR vs CARGA, os acionamentos elétricos podem ser dividos em três categorias:
Unidade individual (um motor elétrico para uma carga mecânica);
Unidade de grupo (um motor elétrico para várias cargas mecânicas);
Acionamento multimotor (vários motores elétricos para uma carga mecânica).
Um mecanismo no qual motores separados são usados para operar diferentes uma mesma é unica máquina é conhecido como acionamento elétrico multimotor. O diagrama de blocos de um acionamento multimotor é mostrado na figura abaixo.
As vantagens do acionamento elétrico multimotor estão listadas a seguir:
Os acionamentos multimotores proporcionam melhor controle do processo;
Com a ajuda de acionamentos multimotores, um processo complicado pode ser automatizado;
Em um acionamento multimotor, a máquina pode ser acionada por dois motores concorrentes, ou por apenas um dos motor em separado e, portanto, o processo pode ser iniciado e interrompido individualmente conforme desejado;
Nos acionamentos multimotores, a ausência de correias e eixos de linha reduz bastante a perda de potência e o risco de quebras e de acidentes;
O layout do acionamento multimotor é flexível na instalação de diferentes máquinas.
Já, as desvantagens do acionamento multimotor incluem o seguinte:
Os acionamentos multimotores envolvem alto custo inicial;
A manutenção de um motor causa perturbações em todo o processo;
Drives multimotores já são comunente empregados em talhas, elevadores, guindastes, misturadores de borracha (na indústria automotiva), aplicações de movimento de longo curso; aplicações de movimento de deslocamento cruzado, etc e ...
Motocicletas elétricas !!!
Aumentar a eficiência é um objetivo importante no desenvolvimento de sistemas de transmissão elétricos. Paralelamente aos BEVs estabelecidos com um motor elétrico e uma relação de transmissão fixa, os conceitos de multivelocidade e multimotor estão ganhando cada vez mais importância.
Uma abordagem para aumentar a eficiência energética dos acionamentos é a utilização de um sistema de acionamento multimotor (MMDS - Multi-Motor Drive System), que consiste em um sistema de acionamento de dois ou mais motores e, dependendo da aplicação, um redutor, que juntos resolvem o problema do acionamento. Os MMDS são uma alternativa atraente aos acionamentos convencionais compostos por um um motor (SMDS - Single-Motor Drive System).
Sim, N motores elétricos podem ser acoplados em um único eixo de transmissão, enquanto a potência transmitida será a soma da potência dos motores elétricos individuais. Isso é conhecido como Sistema de Acionamento Multimotor. Existem diferentes maneiras de acoplar os motores, como por meio de engrenagens ou acoplamentos de acionamento direto. A escolha do método de acoplamento dependerá da aplicação específica e dos requisitos do sistema.
Um acionamento multimotor é um acionamento no qual motores individuais são acoplados mecanicamente de maneira livre de deslizamento e acionam em conjunto um único eixo. Os motores individuais geram o mesmo torque a qualquer momento (em termos de valor e de direção relativa).
Todos os motores em um acionamento multimotor devem ser do mesmo tipo e ter os mesmos dados de enrolamento. Exemplo de Sistema de Acionamento Multimotor:
É importante observar que os motores precisam ser dimensionados e combinados adequadamente para funcionarem juntos em um sistema de acionamento multimotor. Além disso, o sistema de distribuição e controle de energia para o sistema de acionamento multimotor precisa ser projetado adequadamente para garantir que os motores estejam operando dentro de seus limites operacionais seguros.
Eles suportam inerentemente conceitos de produtos modulares e oferecem graus adicionais de liberdade em relação aos sistemas convencionais de acionamento de motor único (SMDS) devido à sua estrutura mecânica.
Para utilizar plenamente os benefícios resultantes desses graus de liberdade, é necessária uma estratégia operacional inteligente (IOS), enquanto as distribuições ideais de torque entre os motores e estados de comutação ideais do MMDS são identificados usando técnicas de otimização.
Do ponto de vista científico, os MMDS são quase completamente inexplorados em termos de modelagem de sistemas, estratégia de operação e design. Especialmente as influências de um conceito MMDS em componentes eletrônicos de potência, e dos custos totais destes, ainda não foram consideradas.
Um diferencial é um dispositivo mecânico do tipo caixa de engrenagens que transfere, mediante engrenagens cônicas, a energia cinética aplicada pelo motor a um eixo de entrada (eixo do pinhão ou eixo Cardan) para ambos dois semieixos na saída. Em geral, o diferencial é aplicado nos veículos terrestres tracionados por motores de qualquer natureza (incluindo muitos dos VEs).
O torque que é produzido pelo motor chega ao diferencial através do eixo do pinhão, e é dividido entre os dois semieixos para as duas rodas de tração.
Como os diferenciais, de maneira geral, operam como redutores de rotação, e também permitem rotações ligeiramente diferentes nos semieixos, a média das rotações entre os dois semieixos corresponde a um submúltiplo de valor fixo da rotação de entrada do diferencial.
Os dentes das engrenagens de alguns dispositivos diferenciais (mas não todos) são concebidas não apenas por tais engrenagens serem cônicas, mas, também, tais dentes apresentam alguma inclinação ou curvatura longitudinal. Isso significa que tais dispositivos são concebidos para serem muito mais robustos e duráveis ao serem operados num determinado sentido de giro.
Isso posto, você pode me perguntar: mas no que um Diferencial pode ser útil na arquitetura de uma Motocicleta Elétrica (e o que isso tem haver com Sistema de Acionamento Multimotor)?
Bem, o questionamento que eu me fiz foi outro. Eu me perguntei: Dá para fazer uma motocicleta elétrica com dois motores iguais que eu já tenho aqui? Sim, porque a motocicleta que eu quero converter para elétrica é uma Suzuki GS-500, uma das motocicletas mais baratas do mercado na categoria de potência dela, e eu não quero perder nada de torque e de velocidade que eu tinha com ela, antes.
Assim eu preciso dar a ela a potência somada de dois motores elétricos, em um arranjo de acionamento central: sim, tração por corrente, nada de motor do cubo, pois eu já tenho os dois motores, e eles me sobraram em mãos de reformas que há tempos eu fiz em motocicletas elétricas de menor porte: eu reformei algumas motos Zero DS ano 2010 empregando nelas motores CC sem escovas novos (os motores originais delas eram CC escovados).
Então, se trata de aproveitar esses dois motores (motor CC sem escovas modelo RV-160Em, de excelente fornecedor, Revolt Motors, de Israel), que me custaram US$ 931 cada um, com potência contínua 15 kW (potência de pico 28 kW), e torcer para que, ao final, 30 kW (56 kW de arrancada) em uma motocicleta me deixe satisfeito (quanto a autonomia, ela será aquela que Deus me permitir, porque eu já tenho todo o leiaute para montar um pacote de bateria que será (quase) todo embutido no antigo tanque de combustível da Suzuki GS 500).
Assim, esquecendo a mera questão da redução / elevação da rotação de um dispositivo diferencial (a menos que isso se torne relevante para responder), eu me perguntei se eu posso usar um diferencial de maneira inversa? Ou seja, se eu posso acoplar dois motores elétricos, semelhantes e igualmente alimentados (por dois controladores de motor distintos mas amarrados por controle de torque), por meio de um diferencial, a fim de obter uma única saída?
Obviamente, neste caso, aquelas que seriam as saídas do diferencial para os dois semieixos passam a atuar como entrada (acoplarei ai, diretamente, os semi eixos de cada um dos dois motores), enquanto aquela que era a entrada do eixo Cardan, no diferencial, passa a atuar como a única saída (dai dizer que o diferencial operará em modo invertido). Ou seja, o dispositivo diferencial operará como o Elemento de Transmissão que se pode verificar nas duas primeiras figuras deste artigo no sistema de acionamento multimotor.
Creio que essa ideia seja algo ainda nada (ou pouco) explorado, pois, todas as referências que eu encontro sobre Elemento de Transmissão para sistema de acionamento a dois motores (ou, também posso dizer, Caixa de Engrenagens para um Sistema de Acionamento de Motor Duplo, em Veículos Elétricos, então pensando em tracionar rodas de carros, e não em tracionar a roda trazeira de uma motocicleta. Portanto, esse é o desafio!
Posso adiantar que eu não pretendo projetar e construir mecanismo algum do zero, mas, eu vou escolher e adaptar o mínimo necessário a partir de um produto (de baixo custo) de mercado. Entretanto, pode apostar, escolher já é um grande desafio.
Eu venho trabalhando em projetos de eletroeletrônica, automação & controle e mecatrônica há décadas, e escolher nunca esteve tão difícil quanto está hoje em dia. Na mesma medida em que a tecnologia da informação evoluiu em 40 anos, a vontade de informar, com precisão, me parece que involuiu por parte dos fornecedores (notadamente os chineses, mas a gente vai levando, pois, quem liga?).
Controlador(es) do(s) Motor(es) da Motocicleta:
Desde 2014, todos os serviços de restauro e atualização que eu fiz em motocicletas elétricas, exceto aqueles que foram feito primeiro, e que visavam restaurar apenas o pacote de bateria, por conta de longos anos que tais motocicletas ficaram paradas em depósitos de recolha da Receita federal, trataram-se da necessidade de se sustituir do motor CC escovado original, porque ele vinha se queimando com relativa frequência e já havia ocorrido vários rebobinamentos do mesmo.
As queima daqueles motores eram decorrentes de uma série de fatores, desde o fato que a opção da Zero Motorcycles por uso de motores CC escovados não ter sido uma boa escolha para a aplicação (tanto que a partir de 2013 tais tipos de motores foram abolidos nas motos fabricadas por ela), até o fato de que alguns dos motociclistas mantinham um hábito de condução que era totalmente inadequado ára motocicletas elétricas que é o de manter suas motos paradas em aclives por meio de uma pequena acelaração: neste caso, de elevado torque em velocidade zero, corresponde há uma enorme (e destruitiva) corrente elétrica pelo motor.
Então, trocar o motor CC escovado por outro motor CC sem escovas era não só a melhor opção técnica e econômica, como também uma oportunidade para começar a lidar com isso. Todavia, neste caso, a troco do motor exigia, também, a troca do controlador do motor, pois, comparativamente, tais motores operam de forma bastante distinta.
E foi assim que eu aprendi usar e a confiar em controladores de motor CC sem escovas do fabricante Kelly Controls, notadamente para emprego em motocicletas elétricas de muito boa performance e, embora eu ainda não tenha me decidido pelo modelo exato que eu optarei para usar nesta conversão de motocicleta para elétrica de agora, há algumas características que eu tenho como premissas para realizar tal escolha, fora do óbvio mais baixo custo possível. Tais característica são:
Controlador de Motor BLDC operando com Comutação Senoidal:
Nas vezes anteriores eu empreguei apenas um unico modelo de controlador da Kelly, o KEB72121E, que é de comutação trapezoidal (a comutação em bloco de motores BLDC trifásicos é um esquema de comutação eletrônica também conhecido como comutação trapezoidal, comutação de seis passos ou comutação de 120 graus). Os clientes ficaram felizes porque seus motores pararam de queimar, e as motocicletas ficaram até um pouco mais velozes, mas, por outro lado, todos também relataram que sentiram suas motocicletas com um ligeiro menor torque em longos e ingremes aclives.
Supõe-se que Comutação senoidal sirva principalmente para resolver problemas de ruído da aplicação de acionamento de motor BLDC (CC sem escovas). Em comparação com a tecnologia tradicional de controle de forma de onda trapezoidal, esta técnica baseada na tecnologia de condução de onda senoidal pode reduzir o ruído de operação e também a perda de comutação de 1/3, o que atende bem aos requisitos de redução de ruído e eficiência na aplicação de motor DC sem escova. Ele usa MOSFETs de alta potência e SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) e FOC (o controle orientado a campo, também conhecido como conversão vetorial de frequência, é atualmente a melhor escolha para controle eficiente de motores BLDC e motores síncronos de ímã permanente (PMSM)) para atingir eficiências de até 99% na maioria dos casos.
Comparação dos resultados do teste: Comutação de bloco vs. FOC: Comparação de perda de potência para comutação de bloco e FOC sem sensor
Isso acaba por resultar na produção de uma variação de torque mais suave e a técnica de comutação de corrente utilizada para controlar o torque do motor requer que cada comutação de fase deva se sobrepor, fazendo ligar, seletivamente, mais de um par de dispositivos chaveadores de potência de cada vez, o que caracteriza um Inversor Multinível, propiciando, inclusive, torque mais elevado em baixas velocidades.
Controlador do Motor da Motocicleta com Frenagem Regenerativa:
Sim, ainda hoje nem todas as motocicletas e scooters elétricas possuem frenagem regenerativa. Apenas nas motos de mais alta performance e caras é que o sistema realiza frenagem regenerativa. Porém, que dirige motocicletas sabe o quão importante são frenagens firmes e seguras nelas.
A regeneração pode atuar de duas formas:
Regeneração de deslizamento
A opção de regeneração de deslizamento devolverá energia ao Powerpack quando você simplesmente não estiver acelerando. Cntudo, no geral, isso não é muito recomendado para o caso de motocicletas, pois você perde a liberdade e o maior alcance de desaceleração que vem das motocicletas e scooters elétricas em relação às motocicletas e scooters a combustão.
Regeneração de frenagem
A frenagem regenerativa atua em concomitância com os freios dianteiro e traseiro. Ele devolve energia cinética ao Powerpack apenas quando você freia, ou seja, a regeneração funciona quando você aciona as alavancas do freio dianteiro e / ou traseiro.
Você pode maximizar a função de recuperação de energia da motoicicleta configurando para parar mais cedo, freando eletronicamente suavemente e usando os freios “manuais” somente quando necessário, como em uma parada de emergência.
Monitorando a tensão da bateria. O controlador do motor interromperá tanto a condução, quanto a regeneração, se a tensão da bateria estiver muito alta e reduzirá progressivamente a potência do motor à medida que a tensão da bateria cair excessivamente, até que seja totalmente interrompida na configuração predefinida de “Tensão de bateria baixa”.
Isso posto, eu levanto uma pergunta: operar regeneração em sistemas de acionamento multimotor com barramento CC em comum requer alguma atenção ou cuidado em especial? Se a resposta é sim, será que os controladores de motor da Kelly são concebido para atender a esse requisito?
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Se você está gostando deste artigo, volte a ele daqui algum tempo, pois ele é ainda apenas um mero rascunho.
As vezes a gente trata tudo o que é relativo aos subsistemas de segurança da bateria como BMS (Battery Management System), mas de fato, de um modo geral, as placas de proteção de bateria (ainda) podem ser divididas em dois tipos. o PCM (módulo de circuito de proteção) e BMS (sistema de gerenciamento de bateria) e a diferença entre ambos pode ser bem sutil para alguns.
Todavia, o PCM é mais simples do que o BMS. Quando o pacote está totalmente carregado, o PCM pode garantir que a diferença de voltagem entre as N filas de células em paralelo no pacote todo seja menor do que o valor definido para atingir tensões equilibradas entre elas (ou seja, o PCM monitora o balanceamento do pacote) por meio de comparadores de tensão (analógico).
Ao mesmo tempo, o PCM tem também a habilidade de detectar os limiares de sobretensão e de subtensão parciais de cada uma dessas filas e, por conseguinte, ditar esses mesmos limiares para o pacote como um todo, respectivamente para o processo de carregamento, e para o de descarga, além de agregar, ainda, a função de monitoramento de temperatura em ou mais pontos do pacote, evitando o superaquecimento das células do pacote de bateria e (as vezes) também de curto circuito para proteger e estender a vida útil da bateria.
O monitoramento da temperatura da bateria é de vital importância em baterias de VEs, pois ela pode identificar falhas, tal como a que pode ocorrer principalmente quando a bateria se encontra carregada ao extremo (ver artigo Segurança da Bateria de Íon de Lítio, Ansiedade por Autonomia e Abusos Elétricos do SoC), e alertar, com antecedência, antes que a fuga térmica ocorra.
Quando um PCM passa a agregar em si também o monitoramento de sobrecorrente, ele começa a se tornar em um BMS, que além de ter a capacidade de oferecer proteção e recursos adicionais, BMS passa a ter a habilidade de, por si só, desconectar e reconectar o acesso aos terminais de energia da bateria (coisa que o PCM, por só só, não faz), além de poder ir á complexidade de fornecer monitoramento em tempo real da bateria e transmitir dados por meio de software, de modo que o BMS inclui um sistema de gerenciamento, um módulo de controle, (as vezes) um módulo de exibição, um módulo de comunicação (as vezes sem fio) e um módulo de coleta para coletar informações do pacote de bateria e outros.
Além do mais, alguns BMS de eletropotáteis, tais como notebooks da HP e da Dell têm a habilidade de determinar a "morte da bateria", por monitorar e gravar em si mesmo informações de tempo de uso, quantidade de ciclos de carga/descarga, e de outras anomalias como a subtenção extrema, nas quais as células até poderiam ser recuperadas para uma sobrevida, mas, ele mesmo não pode mais operar, a não ser que seja recuperado com emprego de técnica de haqueamento complexa, que pode tornar o serviço de restauração inviável em termos de custo, a menos que haja escala para se justificar a obtenção do equipamento necessário.
Como PCM e BMS são aplicáveis a pacotes de baterias de capacidades tanto pequenas (como para os eletroportáteis) como grandes (para os VEs) definir uma fronteira exata onde termina o emprego do termo PCM e começa o do BMS pode ser algo nebuloso. A placa mostrada acima, por exemplo, é atribuída como uma PCM para bateria de arranjo 4S (quatro células em série ou quatro conjunto de células em paralelo, em série) de aplicação em eletroportáteis que, neste caso, abre mão do monitoramento de temperatura das células em favor de monitorar a sobrecorrente (incluindo curto circuito) de carga / descarga.
Este circuito de proteção é especialmente projetado para a bateria de íons de lítio de 14,8 V (nominal, com arranjo 4 S a 3,7V por célula ou conjunto de células em paralelo), com taxa de descarga de 10A. Ele fornece a função de monitoramento de equilíbrio (balanceamento), que é de vital importância principalmente após a bateria estar totalmente carregada. O PCM detectará a voltagem de cada célula (ou conjunto de células em paralelo) e reduzirá a voltagem mais alta até que outras células atinjam o mesmo nível de voltagem, o que ajuda as células de íons de lítio a terem uma vida útil mais longa.
Todavia, NÃO MONITORAR A TEMPERATUA é algo que não é nada recomendável para os grandes pacotes de baterias dos VEs (onde a temperatura também deve ser sempre monitorada e, dependendo do tamanho do pacote, até mesmo em múltiplos pontos). Mesmo dispositivos de mobilidade menores, como e-bikes, scooters, mopeds, patinetes, skates, etc, o monitoramento da temperatura das células do pacote é recomendado.
PCM vs BMS, um dilema para designers de produto.
Muitos designers de produtos (bicicletas elétricas, veículos, baterias estacionárias em sistemas de GTD de energia, etc) hesitam entre um PCM (Módulo de Circuito de Proteção) e um BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria) para proteger a bateria de seus dispositivos. Então vamos fazer um resumo do foi explanado acima:
O que é um PCM (Módulo de Circuito de Proteção)?
- Um PMC é um circuito de proteção autônomo;
- É puramente analógico, o que significa que não há software integrado;
- Não há possibilidade de ligar ou desligar a bateria;
- Não há possibilidade de obter uma atualização de status precisa sobre o nível de carga da bateria;
- Ele não pode dirigir uma unidade de carga ou uma unidade consumidora (motor elétrico, etc.).
- Um PCM as vezes não examina o nível de temperatura;
- Ele equaliza apenas de uma maneira muito básica os diferentes elementos de um aplicativo;
Geralmente é um produto de baixo custo.
O que é um BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria)?
- Um BMS é uma placa eletrônica muito mais avançada que uma PCM. Um BMS contém um microcontrolador com software inteligente integrado.
- Ele calcula e interpreta diferentes tipos de medições como o SOC (estado de carga) ou mesmo o SOH (estado de saúde).
- Ele oferece um nível de proteção diferente (por exemplo: ele pode distinguir entre um evento normal e um anormal com relação ao tempo).
- Ele contém um barramento de comunicação (I2C, CAN, MODBUS, ...), permitindo a transferência de informações.
- Tem a facilidade de ser dirigido por uma aplicação principal.
- Tem a capacidade de comunicar com outros BMS, para formar uma bateria de muito maior capacidade e para maiores tensões, pelo que se adapta melhor às diferentes necessidades.
- Ele pode entrar no modo de espera (Stand By) para otimizar o consumo de energia.
- Um BMS possui um algoritmo inteligente para equalizar os diferentes elementos de uma aplicação.
- Através de seu barramento de comunicação, um BMS pode orientar carregadores e / ou unidades consumidoras (geralmente um motor) para otimizar a utilização das baterias e o comportamento do sistema.
- Oferece a possibilidade de realizar um diagnóstico mais completo da bateria a qualquer momento.
- Ele pode manter o registro da vida útil da bateria (erros de contagem, contagem de uso e tempo de armazenamento)
Qual solução é melhor para o seu projeto?
Aplicações típicas que utilizam um PCM são os produtos de mais baixo custo como certas bicicletas eletricamente assistidas ou pequenas ferramentas elétricas (muito embora eu os tenha encontrado até motocicletas de porte médio, poucos anos atrás), alguns eletroportateis mais baratos, etc.
Aplicações típicas que utilizam um BMS: produtos avançados como eletropotáteis mais caros e sofisticados, robôs, drones, bicicletas elétricas, veículos elétricos em geral, etc.
O PCM (as vezes também chamado de PCB) só podem oferecer os níveis básicos de proteção e são mais baratos, enquanto o BMS inclui todas as funcionalidades de um PCM e mais (embora o preço também aumente junto). Portanto, se você está tentando decidir entre essas placas, realmente dependerá exatamente do mercado para o qual seu produto será direcionado.
Mesmo que os PCMs possam ser suficientes para certos dispositivos pequenos, se de fato eles não medirem o nível de temperatura das células, isso pode levar a sérios problemas. Se um problema potencial não for identificado, ele pode levar ao mau funcionamento ou mesmo à explosão e incêndio de um dispositivo. O não levantamento do nível de temperatura, portanto, representa um sério problema de segurança.
Enquanto um BMS pode ser capaz de entrar no Modo Standby para não consumir energia, um PCM continua consumindo para poder funcionar, e até o próprio monitoramento de tensão que ele faz, que está ligado a todas as células (ou as filas de células associadas em paralelo) pode causar descarga completa, em longo prazo de armazenagem do produto, podendo não permitir ao sistema recarregar, ou mesmo pode destruir a bateria (ou parte dela) de forma irremediável (exigindo substituição de peças em produtos que estavam apenas parados).
Se ainda não for possível tomar uma decisão, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco, e nós o ajudaremos. Num próximo artigo tentaremos entrar em mais detalhes de como o circuito de um BMS opera.
As baterias de íon de lítio têm despertado interesse crescente devido ao seu alto potencial para fornecer armazenamento de energia eficiente e sustentabilidade ambiental . Elas são usados atualmente não apenas em eletrônicos portáteis, como computadores e telefones celulares, mas também para veículos elétricos ou híbridos.
Na verdade, para todas essas aplicações, o excelente desempenho e a densidade de energia das baterias de íons de lítio as tornaram cada vez mais populares, pois elas apresentam vantagens inerentes sobre outros sistemas de bateria, como alta capacidade e voltagem específica, sem memória, excelente desempenho de ciclo, pouca auto descarga e ampla faixa de temperatura de operação.
A expansão adicional do mercado das baterias de íons de lítio e suas implicações em grande escala em VEs são atualmente significativamente prejudicadas, no entanto, por suas limitações no que concerne ao desempenho de segurança. Nos últimos anos, toneladas de baterias de íons de lítio foram recolhidas devido a acidentes de explosão e incêndio, resultando em graves problemas econômicos para os setores de mercado relacionados e prejudicando significativamente a reputação das baterias de íons de lítio.
Centenas de milhões de células de baterias de íons de lítio são produzidas todos os anos, e falhas catastróficas, como explosão, derretimento e incêndios, são raras. Ainda assim, houve mais de 45 recalls de produtos por baterias de íon-lítio com defeito desde 2002, de acordo com a Comissão de Segurança de Produtos de Consumo dos EUA. Consequentemente, cada vez mais atenção está sendo dada às questões de segurança das baterias de íons de lítio e um grande número de estratégias de segurança estão sendo desenvolvidas.
A segurança da bateria é profundamente determinada pela química da bateria, seu ambiente operacional e a tolerância ao abuso. A falha interna de uma bateria de íons de lítio é causada a partir instabilidade do sistema eletroquímico. Portanto, compreender as reações eletroquímicas, propriedades do material e reações colaterais que ocorrem nas baterias de íons de lítio é fundamental para avaliar a segurança da bateria.
A tensão elétrica e temperatura são dois principais fatores que determinam as reações no interior das células de baterias. Os acidentes de segurança são acompanhados por geração contínua de calor e gás, o que causa a ruptura da bateria e a ignição dos materiais combustíveis. O ambiente externo (que controla a temperatura, a voltagem e as reações eletroquímicas) é a principal causa de distúrbios internos nas baterias. Assim, o ambiente no qual a bateria opera também desempenha um papel significativo na segurança da bateria.
Alta Ansiedade
O termo Ansiedade de Autonomia (em inglês, Range Anxiety) foi relatado pela primeira vez na imprensa em 1 de setembro de 1997, no San Diego Business Journal, por Richard Acello, referindo-se às preocupações dos motoristas de carros elétricos GM EV1.
Ansiedade de autonomia é o jargão que faz referencia ao medo que os motoristas e proprietários de um veículo tem, acerca da preocupação se o tal veículo uma vez abastecido de energia motriz, tem ou não alcance suficiente para chegar ao seu destino, sem sofrer uma pane de falta de energia em meio ao percurso, terminando encalhado junto com os ocupantes do veículo.
O termo ansiedade por autonomia é usado principalmente em referência a veículos elétricos a bateria (sigla em inglês, BEVs Battery Electric Vehicle), é considerado uma das principais barreiras para a adoção em larga escala de carros totalmente elétricos .
Duas diferentes metas são de suma importância para serem trabalhadas como principais estratégias a fim de reduzir, aliviar e, quem sabe, por fim eliminar a ansiedade por autonomia entre motoristas de carros elétricos
A implantação de uma ampla infraestrutura de carregamento (principalmente em rodovias)
O desenvolvimento de maior capacidade armazenamento de energia dos pacotes de bateria dos VEs (mantendo-o a um preço econômico).
Uma outra estratégias também pode ser o desenvolvimento da Tecnologia de Troca (Rápida) de Bateria: uma estratégia que pode exigir alguma padronização entre os muitos fabricantes no que concerne à montagem da bateria no carro, pois, a tendência de expectativa de que os processos dessa estratégia devam operar por meio de automatismos.
De acordo com um estudo da American Automobile Association, a cura para a ansiedade de autonomia se dá quando o motorista passa a possuir um veículo elétrico. Todavia, ainda assim, o usuário do VE deverá ficar sempre de olho atento à operação, verificando constantemente se a navegação e previsão de alcance estão sempre precisos.
Os fabricantes de células para pacotes de baterias dos VE têm feito grandes avanços nestes componentes, de modo que, ainda que eles usem atualmente muitas diferentes tecnologias de química, tanto a capacidade (Ah/kg), quanto a densidade de energia (Wh / kg) da bateria de íon de lítio tem aumentado consideravelmente. Eu creio que ambas essas grandezas aproximadamente dobraram nos últimos 12 anos, quando os VEs Nissan LEAF de primeira geração chegaram ao mercado com seus pacotes de bateria de apenas 24 kWh.
Todavia, fato é que todo esse desenvolvimento vem ocorrendo sob grande pressão: por um lado há a ansiedade por autonomia e, por outro, há também uma forte política de agressividade comercial por parte dos fabricantes por conta de haver concorrência entre eles dentro de um mercado em contínua expansão. Muitas vezes, poder declarar 10 km a mais na autonomia pode fazer toda a diferença entre vender os VEs, ou perder as vendas para as empresas concorrente.
Deste modo, a ansiedade por autonomia tem servido de alimentação para uma outra ansiedade: a ansiedade dos fabricantes por atender logo as demandas maiores dos potenciais motoristas de VEs.
Um problema que eu, particularmente, tenho observado, é que essa ansiedade dos fabricantes em atender urgente (e a qualquer preço) as demandas da ansiedade de autonomia dos proprietários e motoristas, pode estar pressionando de modo excessivo os seus departamentos de engenharia, e isso pode estar levando a alguns erros. Um dos erros que mais possivelmente possa estar ocorrendo é o Abuso do Estado de Carga (abuso do SoC, sigla para State of Charge, em Português, Estado de Carga, uma grandeza relativa às baterias), fazendo as células de íons de lítio trabalhem muito criticamente próximo do limite superior de segurança do SoC.
Os riscos associados a falhas de baterias e células de íon de lítio dependem de vários fatores, incluindo produtos químicos específicos, design de eletrodos, fatores de forma de célula e bateria, qualidade de fabricação e estado de carga (SOC).
Esses fatores determinam a estabilidade química e térmica, bem como os modos de degradação e falha. Dependendo do tipo e do conteúdo de energia das células e baterias, pode ocorrer fuga térmica, incêndio e explosão, e gases tóxicos podem ser liberados, o que pode levar a uma perda significativa de propriedades e vidas em casos extremos. Gases perigosos e tóxicos, como carbonatos, hidrogênio, benzeno, monóxido de carbono e fluoretos podem ser liberados de baterias danificadas ou com defeito.
Usando raios X síncrotron de alta energia, pesquisadores da University College London revelaram a reação em cadeia descontrolada que pode fazer com que as baterias de íons de lítio superaqueçam e explodam. (Crédito da imagem: Donal Finegan, UCL)
O processo da fuga térmica pode ocorrer em apenas milissegundos: módulos de bateria superaquecidos criam um efeito dominó, produzindo cada vez mais calor, e a bateria explode e / ou incendeia. Mas acontece que nem todas as baterias têm a mesma probabilidade de falhar, de acordo com um novo estudo publicado hoje (28 de abril) na revista Nature Communications.
"A presença de certos recursos de segurança pode mitigar a propagação de alguns desses processos de fuga térmica", disse o coautor do estudo que produziu a imagem acima, Paul Shearing, engenheiro químico da University College London, no Reino Unido. Esses recursos incluem suportes mecânicos dentro da bateria, disse Shearing.
Os mesmos fatores que determinam a estabilidade técnica das baterias, são os que, posteriormente, determinam também o desenvolvimento da confiabilidade do produto por parte dos usuários e consumidores dos produtos que as agregam. Veja os recentes casos em que proprietários pedem indenização à Tesla por alteração de software de gestão da bateria em pós venda, e também o caso do novo recall da GM para o Bolt EV, para proceder em oficina o mesmo tipo de serviço, e entendam que, quando nem mesmo as grandes montadoras estão livres desse tipo de erro, isso pode afetar a confiabilidade das baterias dos VEs no mercado como um todo.
Baterias mais seguras
Mesmo em altas temperaturas, nem todas as baterias testadas por Paul Shearing e sua equipe falharam – algumas tinham recursos internos de segurança que ajudaram impedir a reação perigosa. Das que falharam, as baterias com suportes internos permaneceram intactas até a temperatura interna atingir 1.830 F (1.000 C). Nesse ponto, os materiais internos de cobre derreteram, levando à reação em cadeia descontrolada.
Mas as baterias sem esses suportes internos explodiram, provavelmente porque seus núcleos internos entraram em colapso, o que poderia ter causado um curto-circuito nos componentes elétricos internos, mostrou o estudo. A nova técnica fornece uma maneira de testar sistematicamente os recursos de segurança em baterias no futuro, disse Shearing.
Todavia, e quando a vontade das empresas fabricantes em apresentar novos lançamentos de VEs também pode pôr em risco a qualidade do produto por conta de Abusos Elétricos do SoC? Em suma, se você (assim como eu) crê que isso deveras possa estar a ocorrer, em suma, meros ajustes do software de gestão da segurança das baterias podem ser realizados, mas, contudo, relizá-los a posteriori dos projetos dos produtos, podem ser eventos deveras dramáticos para as relações cliente-fornecedor.
A Fuga Térmica em Baterias de Íons de Lítio
O evento da fuga térmica é uma reação em cadeia que pode ser dividida em etapas, mas, o importante aqui é apenas ressaltar que a reações em todas essas etapas são sempre dependentes do SoC. No entanto, não apenas o abuso de Soc, mas vários fatores influenciam a segurança das células de íons de lítio. Portanto, não se pode concluir que todos os projetos de células têm resultados benignos no mesmo SoC e abaixo dele sob condições não nominais.
Mesmo no mesmo SoC, células com diferentes formatos, fabricantes e tipos de produtos químicos podem exibir comportamento de segurança variável. É fundamental estudar e compreender os aspectos de segurança e os piores cenários resultantes de falhas de células, não apenas para estabelecer diretrizes adequadas de armazenamento, transporte e manuseio, mas, principalmente, também para o emprego correto delas nos pacotes de baterias dos VEs, para que um eventual abuso de SoC não leve a uma condição de risco de insegurança por por criar uma reação em cadeia que gera mais e mais calor quando se carrega as células em demasia.
O Estado de Carga (State-of-Charge - SoC) e a Análise de Tensão
O Estado de Carga (State-of-Charge - SoC) é uma estimativa sobre a quantidade de carga armazenada numa bateria, que é utilizada quando se discute o estado instantâneo de uma bateria em uso, ou seu estado atual quando ela se encontra guardada em armazenagem. A unidade de medida do Estado de Carga (SoC) são pontos percentuais (0% = vazio, 100% = completo), todavia, normalmente, SoC não pode ser medido diretamente mas, pode ser apenas, estimado a partir de outras variáveis de medida direta.
É importante observar que todas as células de íons de lítio, incluindo as células de íons de lítio contidas em nossos centros de energia móveis, são sensíveis à voltagem. Uma condição de baixa tensão prolongada dentro de uma célula de íon-lítio pode causar a dissolução de metais (principalmente cobre). O cobre se dissolve na solução eletrolítica em tensões de circuito aberto abaixo de ~ 0,7 volts. Este cobre dissolvido é plaqueado novamente dentro da célula após o carregamento subsequente e pode causar efeitos indesejáveis e quase certamente comprometerá o desempenho da célula ( por exemplo, baixa capacidade, ciclo de vida ruim, alta auto descarga).
Da mesma forma, a tensão elevada também pode causar a degradação das células de íons de lítio, especialmente em temperaturas ambientes elevadas. Quando uma bateria de íons de lítio é conectada a um carregador, o carregamento continua ao longo de um caminho prescrito até que um estado de carga (SoC) de 100% seja detectado pelo circuito que controla o carregamento. O carregamento é então encerrado e a bateria pode descarregar muito lentamente. É prejudicial para as células serem mantidas em 98-100% SoC por períodos prolongados de tempo (ou seja, mais de 10 dias) apenas armazenadas. É por isso que muitas células podem descarregar para cerca de 95% SoC ou menos antes que o carregamento seja reiniciado, mesmo quando conectadas a um carregador.
A natureza das células de íons de lítio é tal que a relação entre o estado de carga (SoC) e a voltagem é bastante plana em grande parte da faixa de descarga da célula. Uma curva típica de tensão de descarga é mostrada abaixo:
Quando se faz necessário retirar baterias com química baseada em Lítio de serviço, colocando-as para ser armazenadas, convém que elas sejam armazenadas a cerca de 40% de seu Estado de Carga (SoC), pois a experiência tem revelado que este nível minimiza a perda de capacidade relacionada com o envelhecimento da bateria de Li íons, mantendo a bateria em condições de funcionamento e permitindo a auto descarga por um bom período de tempo.
No entanto, ajustar-se a carga da bateria para o nível de SoC de 40% é algo difícil de ser realizado, porque a medida da Tensão de Circuito Aberto, entre os terminais da bateria, não se presta, muito bem, às estimativas de SoC, por causa da correlação não linear existente entre ela e o SoC. Na verdade, é uma meta declarada dos projetos de baterias que elas devam fornecer uma tensão o mais constante possível, não importando o SOC, o que torna este método de difícil aplicação.
Todavia, por falta de melhores métodos práticos, é mesmo a tensão em aberto entre os terminais da bateria (verdadeiramente "flutuante", sem carga presente) que termina por ser usada como um indicador para este fim. Assim, o SoC de uma célula Li-íon é de cerca de 50%, se a sua tensão em aberto está em 3.80V, mas ele cai para 40%, se a tensão da mesma célula varia, tão somente, para 3,75V. O método da tensão em aberto pode se tornar mais preciso, compensando a leitura da tensão com um termo de correção proporcional à corrente da bateria, e usando uma tabela de consulta de tensão de circuito aberto da bateria, que considere a temperatura.
Já, as curvas de tensão de descarga de Lítio-manganês e Lítio-fosfato são muito planas, com 80% da energia armazenada permanecendo neste perfil plano de tensão. Essa característica ajuda a aplicações que requerem uma tensão constante, mas apresenta um desafio em aferição do Estado de Carga (SoC). O método de tensão só indica carga completa e carga baixa e não pode estimar grande parte do meio tempo, com precisão.
Além do mais, devido a instabilidade térmica temporal da química da célula Li-íon, com a temperatura também desempenhando o um papel, deve-se permitir que as baterias de Li íons descansem por um período de 90 minutos a 4 h (dependendo do porte / quantidade de células / quantidade de módulos da bateria), após uma operação de carga (ou de descarga), antes de tomar a leitura da tensão para fim da estimativa de SoC, tempo necessário para permitir o equilíbrio eletrostático da química da célula.
O erro mais gritante de estimativa de SoC, baseado em tensão, ocorre, justamente, quando perturbamos a bateria com uma recente operação de carga ou de descarga, por que ao longo destas operações, ocorre da temperatura se elevar, e consequentemente aumenta a tensão de circuito aberto. Porém, quando a temperatura volta a baixar a tensão também é diminuída, e esse fenômeno se aplica a todos os produtos químicos em diferentes graus.
Ao se dispor baterias de Li-íons em armazenagem, elas estarão, de qualquer forma, por si só, se conduzindo ao envelhecimento. Entretanto, regular o SoC, e também a temperatura do ambiente de armazenamento, podem ajudar a minimizar tal envelhecimento.
A tabela a seguir apresenta o caso específico de bateria de Íons de Lítio de tecnologia Óxido de Lítio Cobalto (LCO), comumente usada em produtos de consumo, disponibilizada para armazenamento, comparando duas situações diferentes de SoC (40% e 100%), sob quatro diferentes condições de temperatura de ambiente de armazenagem. Os dados obtidos referem-se ao que chamamos de "capacidade de recuperação", que é definida como a capacidade efetivamente disponível da bateria, após um período de tempo sendo armazenada (no caso, 3 meses) de recuperar sua carga completa nominal:
Temperatura Ambiente
Óxido de Lítio Cobalto (LCO)
(Após de 3 meses guardadas)
40% de Carga
100% Carga
0°C
25°C
40°C
60°C
98%
96%
85%
75%
94%
80%
65%
60%
Fonte: http://batteryuniversity.com/
A tabela deixa evidente que a armazenagem dessa bateria sob condições que combine elevada carga presente na bateria, com elevada temperatura no ambiente, é algo extremamente prejudicial à bateria (após 3 meses sob esta condição, a bateria conseguirá recuperar apenas 60% de sua carga nominal ao final de uma recarga completa).
Este tipo de perda, além de irrecuperável, é cumulativo, de modo que, tanto elevadas temperaturas ambientais, quanto máxima carga, explicam o encurtamento da vida esperada para a bateria, e isso vale, não apenas para todas as baterias baseadas em lítio, como, de maneira geral, também para qualquer outra bateria (qualquer tipo de tecnologia de energia química).
Existem muitos motivos para considerar a troca de um carro movido a gasolina por um movido a eletricidade. Os veículos elétricos são mais silenciosos, custam menos para operar e produzem muito menos emissões totais. No entanto, nem todos os carros elétricos e plugues são criados iguais.
Em particular, o conector de carregamento de um VE ou, mais especificamente, o padrão de tipo de plugue variam de acordo com a geopolítica e, mais particularmente, até mesmo com a marca (caso da Tela Motors).
Embora haja controvérsia em torno da tecnologia de plugue universal, há massa crítica de montadoras globais que apoiam o Sistema Combinado de Carregamento (CCS) na América do Norte e na Europa, enquanto o Japão e suas montadoras usam CHAdeMO há mais de 10 anos, enquanto a China, que tem o maior mercado de veículos elétricos do mundo, usa o seu padrão GB/T.
Além disso, dependendo do tipo de plugue em cada região, existem diferentes níveis de energia disponíveis. Vamos nos concentrar em todas essas diferenças e outras informações relevantes sobre o carregamento de veículos elétricos, começando por discriminá-los conforme abaixo:
Tipos de Conectores VEs. CA = Corrente Alternada; CC = Corrente Contínua
Por conta de um mercado com demanda sempre em crescimento, cada vez mais estações de carregamento de carros estão sendo instaladas, não apenas em locais públicos e de trabalho, mas também nas garagens das residências. O acesso a uma estação de carregamento é um recurso de enorme importância para o número crescente de pessoas que estão mudando para um veículo elétrico.
Padrões de Plugue VEs Norte-Americanos
Na América do Norte, todos os fabricantes de veículos elétricos (exceto Tesla) usam o conector SAE J1772, também conhecido como plugue J, para carregamento de nível 1 (120 volts) e nível 2 (240 volts). A Tesla fornece um cabo adaptador de carregador Tesla com cada carro que vende, permitindo que seus carros usem estações de carregamento com um conector J1772. Isso significa que todos os veículos elétricos vendidos na América do Norte podem usar qualquer estação de carregamento que venha com o conector J1772 padrão.
Isso é importante saber porque todas as estações de carregamento não Tesla nível 1 ou nível 2 vendidas na América do Norte utilizam o conector J1772. Por exemplo, todos os produtos da Enel X JuiceBox usam o conector J1772 padrão. No entanto, os veículos Tesla podem carregar em qualquer estação de carregamento JuiceBox, usando o cabo adaptador que a Tesla inclui com o carro.
Por outro lado, a Tesla faz suas próprias estações de carregamento, que usam um conector Tesla proprietário, e VEs de outras marcas não podem usá-los, a menos que comprem um adaptador para tal.
Isso pode parecer um pouco confuso, mas uma maneira de olhar para isso é qualquer veículo elétrico que você compre hoje pode usar uma estação de carregamento que tenha um conector J1772, e cada estação de carregamento nível 1 ou nível 2 disponível hoje usa o conector J1772, exceto aqueles feito pela Tesla.
Padrões de Plugue de Carregamento Rápido CC na América do Norte
Para carregamento rápido, que é uma forma de carregamento de VEs realizado em CC (corrente contínua) que permite carregamento em tempos baste curtos, apenas carregadores para serem instalados em áreas públicas públicas na maioria das vezes instalados ao longo de grandes rodovias estão disponíveis. O motivo pelo qual os carregadores rápidos em CC não estão disponíveis para carregamento doméstico, é que geralmente não há requisitos de eletricidade em edifícios residenciais que os suportem.
Outra coisa, que também é importante que se saiba, até o presente momento continua a não ser recomendado usar estações de carregamento rápido CC mais de uma ou duas vezes por semana, porque se feito com muita frequência, a alta taxa de recarga pode afetar adversamente a vida útil das células contidas em um pacote de bateria de um carro elétrico qualquer.
Os carregadores rápidos CC usam 480 volts e podem carregar um veículo elétrico mais rápido do que sua unidade de carregamento padrão, em apenas 20 minutos, permitindo assim uma viagem EV conveniente de longa distância sem se preocupar em ficar sem energia. Os Carregadores Rápidos em CC usam três tipos diferentes de conectores, em vez de apenas dois conectores diferentes, como os usados no carregamento de nível 1 e nível 2 (J1772 e Tesla).
CCS (Sistema de Carregamento Combinado):
O conector CCS usa a entrada de carregamento J1772 e adiciona dois pinos extra, de maior capacidade para condução de elevada corrente elétrica, abaixo. Assim, ele “combina” o conector J1772 com os pinos de carregamento de alta velocidade (alta capacidade de corrente), que é como ele recebeu seu nome (CCS).
CCS é o padrão aceito na América do Norte e foi desenvolvido e aprovado pela Society of Automotive Engineers (SAE). Quase todas as montadoras hoje concordaram em usar o padrão CCS na América do Norte, incluindo: General Motors (todas as divisões), Ford , Chrysler, Dodge, Jeep, BMW, Mercedes, Volkswagen, Audi, Porsche, Honda, Kia, Fiat, Hyundai , Volvo, smart, MINI, Jaguar Land Rover, Bentley, Rolls Royce e outros.
CHAdeMO:
CHAdeMo foi desenvolvido pela empresa japonesa Tepco (e já foi apresentado em detalhes desde as primeiras postagens deste blog). É o padrão oficial no Japão e virtualmente todos os carregadores rápidos em CC no Japão usam um conector CHAdeMO. É diferente na América do Norte, onde os únicos fabricantes que atualmente vendem veículos elétricos que usam o conector CHAdeMO são Nissan e Mitsubishi. O Nissan LEAF e o Mitsubishi Outlander PHEV são exemplos de veículos elétricos que usam o tipo de conector de carregamento CHAdeMO. Em 2018, a Kia abandonou o CHAdeMO e agora oferece CCS. Ao contrário do sistema CCS, os conectores CHAdeMO não compartilham parte do conector com a entrada J1772, portanto, exigem uma entrada ChadeMO adicional no carro. Isso requer uma área de porta de carregamento maior, para acomodar dois soquetes de carregamento separados.
Tesla:
A Tesla usa o mesmo conector para carga rápida de nível 1, nível 2 e CC. É um conector Tesla proprietário que aceita todas as tensões, portanto, não há necessidade de ter um conector diferente especificamente para carga rápida CC, como os outros padrões exigem. Apenas veículos Tesla podem usar seus carregadores rápidos em CC, chamados Tesla Superchargers. A Tesla instalou e mantém essas estações, e elas são para uso exclusivo dos clientes da Tesla. Mesmo com um cabo adaptador, não seria possível carregar um VE não Tesla em uma estação do Tesla Supercharger. Isso porque existe um processo de autenticação que identifica o veículo como um Tesla antes de conceder acesso à energia.
Padrões europeus de plugue EV:
Na Europa, os tipos de conectores de carregamento VEs são semelhantes aos da América do Norte, mas existem algumas diferenças de padrão. Primeiro, a eletricidade doméstica padrão é de 230 volts, quase o dobro da voltagem usada na América do Norte. Por esse motivo, não há cobrança de “nível 1” na Europa. Em segundo lugar, em vez do conector J1772, o padrão usado por todos os fabricantes, exceto Tesla na Europa, é o conector IEC 62196 Tipo 2, comumente referido como Mennekes (clique para ver detalhes em um artigo específico).
No entanto, para o mercado europeu, a Tesla mudou recentemente de seu conector proprietário para o conector Tipo 2 para o Model 3. Os veículos Tesla Model S e Model X vendidos na Europa ainda usam o conector Tesla, mas, especula-se que eles também irão eventualmente mudar para o conector Tipo 2 em Europa.
O carregamento rápido DC na Europa também é o mesmo que na América do Norte, onde CCS é o padrão usado por praticamente todos os fabricantes, exceto Nissan e Mitsubishi. O sistema CCS na Europa combina o conector Tipo 2 com os pinos de carga rápida de reboque DC da mesma forma que faz na América do Norte com o conector J1772, portanto, embora também seja chamado de CCS, é um conector um pouco diferente. O Tesla Model 3 agora usa o sistema de carregamento CCS europeu na Europa, e a Tesla equipou suas estações Supercharger para também ter um conector CCS.
Como posso saber qual conector meu veículo elétrico usa?
Embora possa parecer muito para aprender, é realmente simples de se resumir:
Para carregamento de nível 1 e nível 2, todos os carros elétricos usam o conector que é o padrão em seus respectivos mercados geopolíticos: América do Norte, Europa, China, Japão, etc. A única exceção sendo Tesla, mas todos os seus carros vêm com um cabo adaptador para poder carregar com o padrão de mercado local. Os veículos elétricos não Tesla também podem usar estações de carregamento Tesla Nível 1 ou 2, mas precisam usar um adaptador que pode ser adquirido de um fornecedor terceirizado.
Para carregamento rápido CC, a Tesla tem uma rede proprietária de estações Supercharger que apenas veículos Tesla podem usar, nenhum adaptador funcionará nessas estações porque há um processo de autenticação. Os carros Nissan e Mitsubishi usam o padrão japonês CHAdeMO, e virtualmente todos os outros veículos elétricos usam o padrão de carregamento CCS.
Existem aplicativos de smartphone, tais como o Plugshare, que lista todas as estações de carregamento de VEs publicamente disponíveis em qualquer região do mundo, e especifica também o tipo de plugue ou conector existente na(s) unidade(s) da estação.
Se você está interessado em carregar carros elétricos em casa e está preocupado com os diferentes tipos de conectores de carregamento VEs, talvez você não precise se preocupar. Cada unidade de carregamento em seu respectivo mercado virá com o conector padrão da indústria que seu VE usa. Todavia, se você estiver importando o seu próprio Equipamento de Abastecimento de Veículo Elétrico de Uso Doméstico (sigla em Inglês, EVSE), então você deve tomar o cuidado de estar adquirindo o padrão correto para o seu caso.
Na América do Norte será o J1772, e na Europa é o Tipo 2 (Mennekes), mas, e no Brasil?
Carros elétricos no Brasil: cinco tipos de conectores à disposição:
No Brasil, um país "versátil", os carros elétricos vendidos atualmente utilizam cinco tipos de conectores: SAE Tipo 1, Tipo 2 AC, CCS Tipo 2, CHAdeMO e GB/T.
Assim como vem ocorrendo em boa parte do mundo, essa variedade extra também já causa problemas para proprietários de carros elétricos no Brasil. Isso porque as estações de recarga instaladas em algumas estradas e locais específicos, como os pontos na Rodovia Presidente Dutra, oferecem apenas as tomadas Tipo 2 AC, CCS Tipo 2 e CHAdeMO.
Por outro lado, os postos de recarga em alguns shoppings e supermercados são limitados apenas ao plugue Tipo 2 AC.
Esse é um problema que não será resolvido com facilidade, pois há uma disputa geopolítica sobre mercados emergentes e sem tecnologia própria, tais como o Brasil, acerca de qual sistema é o mais eficiente ou mais conveniente: o japonês, ou o americano, ou o europeu ... ou o chinês.
Portanto, o passo central é verificar a compatibilidade do soquete do carro elétrico adquirido com o padrão da estação de carregamento que se pretende utilizar.
Desconexão Entre a Intensão da Normalização e a Realidade de O Que Vem Ocorrendo no Brasil:
O sucesso, expansão e correto funcionamento dos veículos elétricos depende diretamente do estabelecimento de normas e padrões
internacionais relacionados a equipamentos, infraestrutura adequada,
códigos de recarga e softwares públicos e privados de interfaces
amigáveis. Como se trata de uma tecnologia relativamente em ascendência, e cada região global busca sua
maneira própria de estabelecer certificados e padrões, fica complicado
existir apenas uma norma para cada assunto específico, isto porque
mesmo havendo uma norma internacional, esta sempre acaba sendo
adequada para as especificidades de cada país.
Saudações Tecnológicas. André L. Lenz. Grupo Veículos Elétricos, Facebook: 9 anos de vida em 21/07/2021!
O título desse artigo a mim mesmo parece deveras enorme:
"Sistema de Carregamento Combinado com conector IEC 62196 Tipo 2 COMBO 2 (também referido como CCS2, ou IEC 62196-3)", mas, o fato é que eu não consigo, ainda, resumir isso.
Outro fato é que a JAC Motors foi muito ligeira, e os seus VEs, em especial os do modelo JAC IEV40 já estão circulando por ai, e ao menos um amigo meu alega não estar encontrando ESTAÇÃO DE CARREGAMENTO RÁPIDO (Estação Pública operada em Corrente Contínua (CC)) para ele. Já, para os casos de carregamento lento, operados em CA (Corrente Alternada, do tipo que é comumente presente nas redes elétricas das concessionarias de energia), parece que está tudo bem.
De maneira geral, se antes a autonomia era uma barreira para viajar entre cidades usando carros elétricos, agora (parece) que não é mais, pelo menos entre o trajeto São Paulo – Rio de Janeiro. No dia 23 de julho deste ano (2019), a BMW e a EDP inauguraram o maior corredor com postos de carregamento para carros elétricos da América Latina, localizado na Rodovia Presidente Dutra (na verdade, meras meia dúzia de eletropostos).
Todavia, se existe um mapeamento das Estações de Recarga Rápida já existentes na região Estado de São Paulo, que inclua detalhes técnicos do tipo de suporte (conectividade) que as estações provêm, eu desconheço-o.
Do mesmo modo, ao olhar para reportagens sobre novos empreendimentos / empreendimentos em andamento acerca dessas Estações Públicas, eu encontro falta de detalhamento de informações técnicas, que me impedem de saber se elas darão suporte ao Sistema de Carga Combinada (CCS2).
Tal acontece nesse empreendimento de expansão rede da EDP (Energias do) Brasil (uma holding brasileira do setor elétrico que detém investimentos no setor de energia, ativos de geração, distribuição, transmissão e comercialização em 11 estados, incluindo São Paulo, onde herdou a antiga Bandeirante. A EDP e China Three Gorges estabelecem parceria estratégica desde 2011):
Entretanto, se tais estações públicas da EDP forem as mesmas as quais eu encontrei nessa foto que segue, então a resposta aparente é SIM, ELAS DÃO SUPORTE AO CARREGAMENTO RÁPIDO CCS2. Ao menos o ícone de cor amarela (NÃO O VERDE, NEM O ROXO, SÓ O AMARELO) que aparece ali no painel frontal do equipamento está denunciando isto.
Em Portugal essas estações são nominadas pela EDP como MOBI.E, e para o utilizá-las o motorista precisa aderir ao cartão MOBI.E para clientes EDP.
Sendo assim, eu creio que os adquirentes do JAC IEV40 no Brasil podem, primeiro confirmar a funcionalidade do Carregamento Rápido e, depois, ficarem tranquilos quanto às suas necessidades de novos eventuais carregamento rápidos.
Eu digo eventuais, pelo seguinte:
Quando você conectar seu JAC IEV40 em uma estação de carregamento rápido que dê suporte ao Sistema de Carga Combinada (CCS2) você ficará muito feliz ao perceber que carregar com 200 A torna o carregamento realmente muito rápido.
Todavia, eu te recomendo a não viciar em carregamentos rápidos, pois, pacotes de baterias costumam durar muitos anos mais, quando se prefere usar carregamentos lentos (com corrente igual ou menor do que 80 A), em vez de carregamentos rápidos, os quais demandam correntes sempre bem maiores entrando para a bateria.
Tais carregamentos, ainda que lentos, podem ser operados durante a noite, em horários de baixa demanda sobre o sistema da rede elétrica interligada, enquanto você dorme, confortavelmente, carregando seu VE na sua própria garagem (com um painel (EVSE) para corrente de uns 45 A a 220 V, algo factível para uma residência e de custo moderado). Fica a dica (que eu vivo a martelar).
Outra coisa, assustadora. é ainda a falta de artigos / literatura técnica detalhada em língua portuguesa que contemple temas acerca desses padrões e tipos de conectores para carregamento de Veículos Elétricos. Graças ao bom Deus, elas existem em outras línguas, o que me permite a mim mesmo me atualizar, e a compilar esse artigo para vocês.
Sistema de carregamento combinado - O conector IEC 62196 Tipo 2
O sistema de carregamento combinado (CCS) cobre o carregamento de veículos elétricos usando os conectores Combo 1 e Combo 2 (esse segundo, também referido como CCS2, e que é o caso (aparentemente) existente no JAC IEV40), respectivamente, em até 80 kW e 350 kW.
O conector CCS2 constitui-se de uma combinação do conector IEC 62196 Tipo 2 (geralmente chamado de Mennekes, um termo que se refere a uma marca europeia), que é empregado para o carregamento de veículos elétricos em CA (carga lenta) com uma seção acrescida, contendo dois novos pinos extra, logo abaixo, para permitir o carregamento rápido de CC de alta potência (carregamento rápido).
Desse modo, a parte superior do Conector Combo 2 (CCS2) é tal e qual aquele existente no Nissan LEAF de 2ª geração, e é empregado para o carregamento lento em CA (bifásico ou trifásico).
Alias, abro aqui um parenteses para falar da questão do carregamento em rede CA trifásica, e também do Nissan LEAF (o queridinho do meu coração ... mas, se você é pelo JAC IEV40 não se perca daquilo que eu já expliquei acima, e tenha um pouquinho da santa paciência, ou pule as duas próximas figuras).
O Nissan LEAF tem evoluído, sim, e há muito tempo eu não falo deles. Sim, DELES, pois agora rodam juntos Nissan LEAF de PRIMEIRA GERAÇÃO e de SEGUNDA GERAÇÃO. Vamos comparar o que mudou neles em termos de conectividade para carregamento entre eles.
Assim são os LEAF de 1ª Geração (e seu velho sistema de dois conectores distintos, ou seja, NÃO COMBO):
Do lado esquerdo, o velho (mas atualíssimo) sistema padrão CHAdeMO, que é empregado para carregamento rápido, e o seu intrigante conector TEPCO (padrão cujo protocolo eu já estrichei em um artigo lá de 2012).
Já, do lado direito, o agora (quase) obsoleto (mas consagradíssimo) conector SAE-J1772 (estrinchei, idem, 2012). Este é para carregar em CA, seja monobásica (127 V, com o adaptador de tomada da Nissan, carga lentíssima) ou bifásica (220 V, em estações públicas ou domésticas, carga lenta, com limite em míseros 3,3 kW, devido ao seu antiquado carregador embarcado).
Por sua vez, assim são os LEAF de 2ª Geração (e seu sistema de dois conectores distintos, ou seja, NÃO COMBO ... ainda):
Do lado esquerdo, o mesmo CHAdeMO de sempre (porque ele é bom, ainda que no Brasil eu não conheça estação de carregamento alguma que dê suporte a ele ... e quem souber, por favor comente lá embaixo).
Já, do lado direito, o novo conector da carga lenta em CA IEC 62196 (tipo 2). Este é para carregar em rede CA monofásica (127 V, com o adaptador de tomada da Nissan, carga lentíssima) ou CA bifásica (220 V, realizados em estações públicas ou domésticas), ou mesmo CA trifásica (de 220 V, carga lenta melhorada, com limite em 6,6 kW (em vez de meros 3,3 kW da 1ª geração), devido ao seu novo carregador embarcado).
O interessante que tudo o que eu disse no parágrafo anterior para o Nissan LEAF é valido, também, igualmente, para o carregamento lento em CA de um JAC IEV40 (creio que até o aparato de carga lentíssima que vem junto com o carro sirva de um no outro).
O fato é que o conector IEC 62196 (tipo 2), também referido como mennekes) permitiu operar o carregamento lento com correntes maiores, de até no máximo 80 A (muito embora a corrente efetiva seja limitada a valores menores por conta dos ainda "fraquinhos" carregadores embarcados atuais).
Além do mais, o mesmo conector IEC 62196 (tipo 2) foi o que permitiu, também, a operação a partir de redes trifásicas (coisa que o antigo padrão SAE J-1772, no caso do LEAF 1ª Geração, não permite). Só para fazer uma ilustração final, até esse ponto:
A carcaça do conector IEC 62196 (tipo 2) contém pinos de contatos elétricos para:
As linhas da CA:
L1, L2, L3, três fases cujos efetivos empregos, ou não, ao se proceder um carregamento, depende se a rede elétrica é monofásica, bifásica ou trifásica;
N, para a linha do Neutro, só empregado para o caso de rede monofásica;
PE, para a linha Aterramento Protetivo (que é de emprego obrigatório, pois a efetiva conexão dele é verificada pelo controle);
As linhas de controle:
PP, piloto de proximidade (sinalização de pré-inserção, cujo funcionamento é idêntico ao do padrão SAE J-1772 e que já foi abordado em artigos anteriores);
CP, piloto de controle (sinalização de pós-inserção, cujo funcionamento é idêntico ao do padrão SAE J-1772 e bla, bla bla).
Todos esses são contatos do receptáculo do conector IEC 62196 (tipo 2). A figura acima mostra o lado fêmea do conector (inverter a imagem para o lado macho).
Entretanto, aqui termina a semelhança entre Nissan LEAF 2ª Geração e JAC IEV40, porque a JAC não quis saber de CHAdeMo para carregamento rápido em CC.
Em vez de CHAdeMO, a JAC optou pelo COMBO, o que torna o conector de mero um mero IEC 62196 (tipo 2, ou apenas CCS) em um legítimo COMBO 2 (CCS2, também designado IEC 62196-3). É exatamente isso o que ocorre com o acréscimo dos dois pinos extra (pinos mais grosso de designação DC+ e DC-, respectivamente), logo abaixo. Vejamos como ficou, então, o conjunto CCS2 completo, na hora de conectar para fazer carregamento rápido em CC:
Repare que do lado do cabo da estação desaparecem os pinos L1, L2, L3 e N. Eles não são necessários, pois, eles são empregados apenas para carregamento em CA (de modo que do lado do porte de carregamento do carro eles permanecem presentes para cumprirem as suas funções de conduzir as correntes de carregamento quando essa for operada em CA).
A operação do carregamento rápido, por ser operado em CC (DC, em Inglês) conduzirá a corrente de carregamento pelos pinos DC+ e DC- (e, por isso, esses são pinos mais parrudos, porque eles podem conduzir, efetivamente, correntes de até 200 A). Desse modo, a parte inferior do conector COMBO, com seus dois pinos mais grossos, é empregada exclusivamente para a circulação da corrente de carregamento rápido (em CC).
Entretanto, durante uma operação do carregamento rápido, 3 pinos da parte superior do sistema COMBO 2 também precisam ser empregados, concomitantemente, para realizar funções de segurança e controle, a saber:
Piloto de proximidade (PP): sinalização de pré-inserção;
Piloto de controle (CP): sinalização pós-inserção;
Terra de proteção (PE): sistema de aterramento protetor
Detalhes técnicos mais precisos sobre as funções desses sinais de controle na operação de Estações de Carregamento Rápido em CC eu não tenho, mas, eu suponho que seja algo muito semelhante ao que ocorre em Carregamentos Lentos em CA, ou seja, aquilo que eu já tenho descrito aqui mesmo, nesse blog, desde alguns anos, quando o ESTADO DA ARTE era o padrão SAE J-1772.
Motocicleta elétrica Energica carregando em CC, num carregador da rede FASTNED (Europa) de 300 kW.
Por outro lado, o padrão CHAdeMO do Nissan LEAF é bem diferente (e ele também já foi motivo de um velho artigo, aqui ... e creio que valha a pena conhecer).
Carregadores em CC de até 300 kW já estão se tornando bastante comuns, mas isso não significa que todo VE pode aproveitar toda essa potência ao se conectar para recarga em um desses carregadores. Como um recurso de segurança, uma motocicleta Energica Ego, por exemplo, não permite que você ultrapasse 25 kW por hora, isso é para proteger a bateria e o controlador. Este nível de fonte de alimentação carregará a bateria dessa moto elétrica de 0 a 80% em cerca de 45 minutos, enquanto que os últimos 20% carregarão bem mais lentamente para proteger a bateria. Assim, se você quer realmente valorizar o seu tempo, e ainda ajudar a prolongar a vida da sua bateria, carregue apenas até 80%, e pé na estrada.
O que você pode observar e aprender ao carregar o seu VE em carregador Rápido
A gradual redução do valor da corrente (Amperes A) ao longo do tempo do processo de carregamento é normal para o processo de carga de toda e qualquer bateria. Ocorre que quanto mais carga vai entrando numa bateria (qualquer tipo de bateria elétrica), mais lentamente ela prosseguirá entrando ao longo do processo (ou seja, a corrente elétrica demandada vai caindo). Se o seu carro (ou qualquer outro VE) permitisse que você carregasse no modo rápido até 100%, você poderia perceber a corrente do carregando indo para um valor deveras muito baixo, ou mesmo lá pertinho do zero, nos instantes finais do processo.
Quanto à questão da limitação em 80% da carga, isso é devido a uma solução de engenharia, visando segurança e também vida útil da bateria. Ocorre que o carregamento rápido, justamente para poder ser rápido, emprega correntes relativamente altas, e isso causa uma maior estresse dos elementos da bateria, causando elevação maior de temperatura desses elementos da bateria, do que aquela elevação de temperatura que ocorreria com um carregamento em corrente menor (e consequentemente mais lento). Temperatura x Quantidade de Carga Elétrica é o que deve ser avaliado como fator de risco de queima, que pode causar causar explosões e ou incêndios, Então, em todos os VEs que eu conheço, o sistema do carro limita em 80%, por que o sistema do carro sabe que sua bateria está sendo carregada de modo rápido. Assim, essa é uma característica do carro.
Porte de Carregamento de uma Motocicleta Energia Ego: Você pode destampar apenas a parte do conector de 7 pinos, para carregar em CA - ou destampar também o conetor dos 2 pinos extra (que formam o COMBO com o de 7 pinos), para carregamento rápido em CC.
Já quanto a tensão do carregamento (Volt V), ela não depende do seu carro, mas, sim, apenas das características da estação de carregamento. Tal tensão (que você vê sendo medida na tela do seu monitor, e que daqui eu li 381 V no monitor do carro ... esse foi o caso de um JAC IEV40 carregando em um carregador rápido da ABB na Av. Anastácio na zona norte de São Paulo) permanece praticamente constante (de valor estável, salvo pequenas oscilações) durante todo o processo de carregamento.
Ela é a tensão oferecida pela estação, e não a tensão do seu pacote de baterias, pois, apesar da estação ser de tensão CC e a bateria do VE ser também de tensão CC, energia elétrica do carregamento passa por um processo de adaptação em um dispositivo elétrico do carro chamado conversor CC-CC. É ele que garante que a tensão para a bateria fique no valor adequado, mesmo que a estação ofereça uma tensão de valor maior ou, até mesmo ofereça uma tensão menor.
Eu arrisco dizer que essa estação que você esteve pode não ter (e eu acredito que ela não tem mesmo) uma tensão alta o suficiente para que o seu processo de carregamento rápido, seja tão rápido quanto ele poderia ser, numa estação mais adequada, que oferece tensão maior (500 V). Eu creio que estações da EDP, nos eletropostos da rodovia Dutra talvez possa fazê-lo. Ou seja, há estações rápidas, há outras estações mais rápidas e há também outras ainda mais rápidas.
