O Tesla Model S 2012 (e seus Dispositivos de Carregamento)

O Tesla Modelo S é um sedan de tamanho completo prêmio elétrico de alto desempenho, produzido pela Tesla Motors, lançado a partir do final de Junho de 2012, que tem a intenção de competir com carros elétricos esportivos de alta performance como o BMW Série 5.

Este modelo segue o plano da empresa Tesla Motors de expandir-se no mercado de carros esportivos de alto desempenho a partir do Tesla Roadster. O Modelo S foi concebido por Franz von Holzhausen, que anteriormente trabalhou para a Mazda North American Operations. O chassi, a carroçaria, o motor, e o sistemas de armazenamento de energia são exclusivos da Tesla Motors.

A Agência de Proteção Ambiental (EPA) dos EUA verificou uma autonomia oficial de 265 milhas (426 km) para o modelo S de luxo equipado com bateria de íons de Lítio de 85 kW·h , superando o Tesla Roadster e fazendo do Modelo S o carro elétrico com a maior autonomia disponível no mercado mundial atualmente.

O consumo de energia avaliado pela EPA foi de 855 quilojoules por km (38 kW·h/100 milhas), ou seja, um consumo equivalente a 89 mi/gal (2,64 L/100 km).

A Tesla também também estará lançando um modelo básico com uma bateria menor, de 40 kW·h, esperado entregar uma autonomia de 160 milhas (260 km) e um outro modelo de médio alcance com bateria de 60 kW·h bateria, ambos previstos no quarto trimestre de 2012.

A Tesla alocou a sua linha de produção para a produção dos primeiros 1.000 desses sedãs equipado com bateria de 85 kW·h, divididos em dois submodelos (denominados Signature e Signature Performance), com preços nos EUA de US$ 95.400 e de US$ 105.400(1), respetivamente (antes da aplicação de quaisquer créditos e incentivos fiscais do governo federal local dos EUA).

Já, o modelo S básico com bateria 40 kW·h e de 60 kW·h começam ao preço de US$ 57.400 e US$ 77.400(1), respectivamente, e antes de quaisquer subsídios do governo.

A tecnologia automotiva Tesla Motors continua sendo fiel a produção de apenas veículos elétricos puros, além das suas características próprias de performance e esportividade e motor empregado continua sendo um motor de indução trifásico (nada de imãs permanentes), refrigerado por fluído líquido, só que ele está ensanduichado entre os semi-eixos traseiros pois, o Tesla Modelo S é um Sedã que tem tração traseira.

1. Preços atualizados a 02/2013: Preço Inicial depois de aplicado o crédito de imposto federal dos EUA (de US$ 7.500): 52.400 (versão 40 kW.h); US$ 62.400 (versão 60 kW.h); 72.400 (versão 85 kW.h), 87,400 dólares (versão 85 kW.h, Incluindo sistema propulsor, que provê aceleração 0 a 96,6 km/h em 4.4s, interior e suspensão atualizados).

Desempenho Sistema de Tração:

Os Tesla Modelo S 2012 de luxo tem seu desempenho provido por um motor elétrico de 416 hp (310 kW) de potência e 600 N·m de torque montado na parte traseira do veículo.

Os modelos básico tem a mesma arquitetura, porém com parâmetros um pouco menores (porém nada modestos): 362 hp (270 kW) de potência e 440 N·m de torque do motor.

De acordo com a Tesla Motors o modelo S tem um coeficiente de arrasto de 0,24, o mais baixo de qualquer carro no mercado.

As duas diferentes versões de Modelos S de luxo (denominados Signature e Signature Performance, respectivamente), ambos com um pacote de bateria de 85 kW.h avaliado pela EPA obtiveram as marcas de velocidade máxima de 125 mph (201 km/h) e de 130 mph (210 km/h) com aceleração de 0 a 60 mph em 5,6 s e em 4,4 s, respectivamente.

Já as duas versões básicas do modelo S: com bateria de 60 kW h tem uma velocidade máxima de 120 mph (190 km/h) e acelera de 0 a 60 mph em 5,9 segundos, enquanto que o modelo base com bateria de 40 kW·h tem uma velocidade máxima de 110 mph (180 km/h) e acelera de 0 a 60 mph em 6,5 segundos.

Bastante diferente do lendário Tesla Roadster, o Tesla Modelo S tem um pacote de baterias plano, compondo uma plataforma baixa de aproximadamente 4 polegadas de espessura, de aspecto de cor totalmente preto, onde se alojam, interiormente, em torno de até 7.000 células de íons de lítio e que é montado, aparafusado, diretamente por baixo do Modelo S.

A forma de montagem do pacote de baterias privilegia o fato dele poder ser mais facilmente permutável. Todavia, a Tesla Motors assume que não está dizendo que tem planos de oferecer um serviço de troca, semelhante ao proposto e executado por empresas como a Better Place (que substituem o pacote de baterias descarregado de um VE, por outro previamente carregado, em apenas cerca de 2 minutos), mas o potencial para tal operação está lá e fala por si mesmo.

Ele foi projetado num arranjo de células fino o bastante para que o pacote seja uma parte integrante do chassis - tanto para que os engenheiros de Tesla reduziram o diâmetro das barras estabilizadoras, pois o pacote de baterias fornece suficiente rigidez à torção. Além disso, com todo o peso do pacote de bateria alocado no carro na parte mais baixa o possível,  contribui na manter o centro de gravidade também o mais baixo possível.

Na parte da frente, pouca coisa além do bagageiro. Apesar de ser elétrico, o modelo S parece um carro convencional, com um longo capô terminado por um focinho enegrecido ressaltado para fora que dá a impressão de tratar-se de uma grade do radiador. Na verdade, apenas três trocadores de calor relativamente pequenos estão alojados por atrás do pára-choques dianteiro: uma está lá em baixo, no centro que é o do refrigerante do motor e da bateria e o outro particionado, abaixo de cada um dos faróis para a refrigeração da cabine.

E ainda tem um espaço interno extra, surpresa, atrás.

As Recomendações da Tesla Motors Quanto ao Carregamento:

Antes de tudo, assim como os demais fabricantes de VEs, a Tesla orienta para que métodos de carregamento rápidos ou ultrarrápido, ou seja, todos os quais envolvem carregar as suas baterias, sejam as de 40kW.h ou as de 85 kW.h, em 1 hora ou menos (o que a Tesla denomina de Superchargers, que serão posicionados em locais convenientes ao longo principais rodovias em todo o país) NÃO DEVEM SER DE USO DIÁRIO e nem mesmo por demais frequente.

A Tesla recomenda, ainda, aos compradores do Modelo S que eles considerem trabalhar com a empresa parceira deles, a SolarCity ou com um eletricista credenciado, ou para instalar um “Conector de Alta Potência para Parede”, ou com a instalação de uma tomada NEMA 14-50. E sugere ainda que isso deve ser pensado e realizado antes da chegada o modelo S na garagem do proprietário.

Ela ainda avisa que, dependendo do sistema elétrico da residência, a instalação de um conector de parede de alta potência na amperagem máxima (100 ampères) pode ser mais difícil do que a instalação de uma (simples, porém não tão simples aqui no Brasil) tomada de 240 volts (50 ampères), devido à disponibilidade de energia que a instalação elétrica residencial oferece.

Ou seja, a Tesla está estimulando o carregamento doméstico como a forma mais adequada, inclusive para a vida útil da bateria do carro. A alta potência do Conector da Parede (fornecido por ela junto com o carro) pode ser (, de fato), configurada para qualquer nível de amperagem e, mesmo que a sua instalação elétrica residencial não permita que você execute o recarregamento a uma taxa de recuperação (ótima) de 62 milhas por hora (para a bateria maior, de 85 kW.h), você será capaz de desfrutar da comodidade de um conector, elegante permanentemente instalado.

Essa recomendação da Tesla é baseada no seguinte fato: devidos aos altos investimentos necessários e ainda a outros fatores mais complexos, mesmo lá nos EUA e, mesmo com um relativamente forte incentivo governamental, a implantação de redes públicas de carregamento de VEs estará levando um tempo considerável para atingir uma cobertura de área e de densidade considerada satisfatória, de modo que, garantir o carregamento doméstico dos VEs parece ser um a opção bastante válida e confortável, a fim de expandir o mercado incentivando novos os proprietários.

Em função disso, a Tesla está oferecendo um “Conector de Parede de Alta Potência” que é para ser instalado num circuito de tomada de energia elétrica dedicado de 240 volts e pode ser fornecido com até o dobro da intensidade em comparação a uma tomada.

No configuração de corrente mais elevada este carregador pode oferecer uma corrente máxima duas vezes maior que o “Carregador Simples” pode processar. Este é o lugar onde carregadores gêmeo entram em jogo, dobrando a capacidade de carga para 20 kW para coincidir com a (capacidade de) saída do conector de alta potência de parede.

Na verdade, a preocupação da Tesla é que, devido a alta capacidade da bateria empregada no Modelo S, que é de até 85 kW.h (40 kW.h no modelo mais básico) os proprietários dos seus VEs que precisem carregá-los em casa não venham a se sentir frustrados com tempos de carregamento absurdamente longos. Mas é bom que se esclareça que isso não será um problema apenas para a Tesla mas, de fato, uma preocupação que atingirá, na prática, todos os fabricantes de VEs e seus proprietários, haja vista que, a elevação das capacidades de energia das baterias de VEs é uma tendência geral e inexorável.

Obviamente que atingir a enorme capacidade energética de 85 kW.h, mesmo a um maior prazo, continuará sendo para poucos, pois nem todos os fabricantes estarão apostando no desenvolvimento de VEs para o exclusivo mercado de carros esportivos de alto desempenho. Todavia, o valor 40 kW.h ou mesmo algo superior, até quase próximo de 60 kW.h, ao meu ver, se tornará algo padrão no mercado de VEs populares em um curto espaço de anos.

Assim, o alerta da Tesla, quando diz: “Prepare a sua garagem!”, vale para todos os que planejam migrar para VEs algum dia.

Em verdade, a Tesla está oferecendo duas opções para o carregamento doméstico:

• A primeira, é o que eles chamam de “Conector Móvel” mas, chamam também de “Carregador Simples”, que nada mais é que uma estação de carregamento (EVSE) dotada com um plugue adaptador para ser ligado a uma tomada de energia elétrica.
  
  
  Porém, não se trata do circuito de uma tomada comum (que no Brasil estaria limitada a uma corrente de apenas 10A pela norma NBR 5410 e que nos EUA também é limitada, a 15A) mas, sim, de uma tomada especial que exigirá, fatalmente, a constituição de um circuito próprio e dedicado. Em outras palavras, a “mobilidade” deste “Conector Móvel” deve ser restrita a áreas que disponibilizem desse tipo especial de tomada, cujo circuito dedicado prevê a instalação de proteção por um disjuntor de 50A e que possa proporcionar a demanda de até 40A.

Este sistema, além de exigir a instalação de cabeamento apropriado para a demanda considerada, requer ainda o emprego de uma tomada especial, tendo sido homologado para tal o dispositivo denominado NEMA 14-50 (figura ao lado).

A tensão de trabalho dessa Estação de Carregamento Móvel é de 240V (220V) nominal (de 208V a 250V efetivos) e, a fim de evitar problemas de acidentes com incêndios por sobrecarga elétrica na rede residencial, devido a um possível uso incorreto, é altamente recomendada a não utilização de cabos extensores, o que poderia induzir os desavisados a fazer a ligação da mesma em uma fonte de 220V/240V, sem que haja nela a devida capacidade para a demanda de corrente (40A). Eu não encontrei dados sobre o comprimento total do cabo, que estabeleceria a distância máxima entre o porte da carga do VE e a tomada NEMA 14-50.

A potência efetiva do carregamento é limitada pela corrente, que será de 40 A, portanto, de 8,8 kW para tensão de rede de 220V e 9,6 kW para 240V, o que garantirá um tempo total para uma carga plena, entre 8,5 a 10 hs, considerando as baterias de maior capacidade dos Tesla S de modelo luxo, de 85 kW.h.

Todavia e, como não poderia deixar de ser, o conjunto de componentes que a acompanha, inclui um adaptador para conexão a uma tomada de energia elétrica comum (de 110V 15 A). Neste método de carregamento, implicando numa taxa aproximada de 1,65 kW.h / h, considerando a bateria de 85 kW.h dos Tesla modelo S de luxo, o tempo total de uma carga plena pode chegar a insuportáveis 51 hs.

Uma vantagem alegada pela tesla para essa estação de carregamento que é fabricada pela SolarCity é a de que a instalação da mesma não requer GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) ou seja, interruptor de circuito por falha de aterramento, lembrando que, tal dispositivo tem sido característico nas EVSE fabricadas até o presente momento, principalmente por motivo da segurança da operação (proteger pessoas contra choques elétricos). Sou forçado a crer que isso acontece pois, muito provavelmente, a proteção esteja integrada junto a caixa da unidade de carregamento.

Por tratar-se de um emprego da tomada NEMA 14-50, que foi concebida originalmente para ligação em sistema trifásico, em uma ligação apenas bifásica, o pino central inferior dela (figura ao lado), não é utilizado, ficando como não conectado.

Eu não tenho conhecimento de que exista, aqui no Brasil uma tomada semelhante a NEMA 14-50 (3P + T, ou mesmo uma 2P + T) prevista para emprego específico residencial com capacidade para 50A. O que existe é uma certa gama de oferta de dispositivos destinados a aplicações industriais, similares, para a capacidade, em geral, de correntes de 63A (ou abaixo disso, 32A) que poderão vir a ser adaptados para emprego residencial, já como uma prática corrente em função de atraso nas normalizações.

Segundo o item 6.5.3.1 da NBR 5410/2004, “as tomadas de uso residencial e análogo devem ser conforme ABNT NBR 6147 e ABNT NBR 14136, sendo esta última, na sua versão atual que é a de 2002, especifica características eletromecânicas limitada em até 20A apenas, para emprego residencial (se bem que a ABINEE em seu Painel Setorial INMETRO 2006 fala em 32A, porém, ainda é aquém da necessidade do carregador mais simples do Tesla S).

Todavia, esse é o método de carregamento mais fraco, previsto para esse VE, que apresenta a autonomia de 265 milhas com a bateria de 85 kW.h. Considerando uma tensão de rede de 220V, com esse método que demanda 40A, obtém-se a potência de carregamento de 8,8 kW, ou seja, carregamento total em estimados 9,65 hs, ou seja ainda, apenas 27,5 milhas de autonomia recuperadas por hora de carregamento (se a rede for de 240V, recupera-se 30 milhas/hora de carga).

No entanto, para maior comodidade dos seus clientes a Tesla disponibilizou a oferta de um segundo dispositivo/método de carregamento, prometendo aqui, recuperar (até) 62 milhas/hora de carga.

• A segunda opção de carregamento oferecido pela Tesla é, justamente, o tal “Conector de Alta Potência para Parede”, que é, também, essencialmente uma EVSE, é que requer um circuito adequado e exclusivo de alimentação CA a partir do quadro de distribuição de circuitos da residência.
  
  
  Esta estação de carregamento tem um cabo de comprimento de 25fts (7,6 m) e funciona também com uma tensão de 220V/240V porém, a sua capacidade de saída não é limitada a 40A fixos de demanda como a anterior, ao contrário, ela se ajustará a demanda do carro e é exatamente ai que entra uma característica estratégica do VE Tesla modelo S que justifica, inclusive, os diferentes preços ao consumidor do veículo praticados:
  
  

  Há o modelo dotado com um carregador embarcado (conversor CA/CC/CC) simples e há o modelo dotado de um carregador embarcado duplo (o que a Tesla está denominando “Twin Chargers”).

  
  
  Obviamente que o Tesla Modelo S com Twin Charger é o mais caro mas, em compensação, permitirá que o carregamento seja executado bem mais rápido, chegando, no limite extremo, às 62 milhas/hora de carga prometida, baixando os tempos de carregamento total para razoáveis 4,25 hs ~ 5 hs.
  
  
  Mas é obvio também, que operando a mesma tensão máxima disponível nas residências dos EUA (220V/240V) as correntes envolvidas, serão, consequentemente maiores, que poderá chegar aos efetivos 80A. Assim, os circuitos da instalação elétrica residencial que receber está estação de carregamento para o VE Tesla S, deverá ser dimensionada, incluindo eletrodutos, cabeamento e dispositivos de proteção, de acordo com o modelo do VE, exigindo, por exemplo disjuntores tão grandes ou maiores do que 90A para emprego exclusivo neste circuito.

Obviamente que, um Tesla S Signature Performance é, e será sempre, um luxo para poucos mas, em postagens anteriores, aqui neste blog, eu venho defendendo a necessidade de que os possíveis candidatos a proprietários de VEs médios, residentes no Brasil, passassem a considerar a preparação das suas garagens para a instalação de Estações de Carregamento de até 45A em 220V, prevenindo-se para até os próximos 10 ~ 12 anos (e tratar de ir esquecendo essa historinha de que vai dar pra carregar VEs, satisfatoriamente, com apenas uns 20A max. pois não vai mesmo).

No entanto, há que se considerar também que na Modalidade de Fornecimento em Baixa Tensão, das Concessionárias de Distribuição de energia elétrica, das principais regiões metropolitanas de São Paulo, por exemplo, a grande maioria das unidades individuais de consumo de energia elétrica residencial, é atendida com um sistema categoria B, que corresponde ao arranjo bifásico a três fios (Fase 1, Fase 2 e Neutro, tipicamente com 220V entre fases e 127V entre fase e neutro) e que neste sistema o limite superior de potência da carga instalada é regulamentado para não exceder a 25 kW.

Deste modo, a incorporação de uma estação de carregamento de 10 kW à instalação de uma residência, que pode até demandar a implementação de novos eletrodutos dedicados, já seria algo bastante grande (e preocupante). Todavia, a disseminação de alguns milhões de estações de carregamento com potências elevadas a ordem de 20 kW (4/5 da potência instalada máxima permitida pelo regulamento), seria, nas condições atuais, não apenas para as instalações elétricas das residências, como para todo o sistema elétrico interligado, algo deveras problemático.

Mas podendo-se aproveitar um máximo 10 kW para carregadores domésticos, já estaria de bom tamanho para começarmos aqui, lembrando, comparativamente, que o mesmo regulamento permite a instalação, por exemplo, de uma máquina de solda a transformador com até 10 kVA, em 220V, nestas unidades de consumo limitadas a 25 kW (e não me perguntem nada pois, só Deus deve saber porque a norma regulamentadora dessa concessionária se preocupou em discriminar "máquina de solda a transformador" para estes consumidores residências mas, o bom disso é que fica mais fácil de corrigir para "estação de carregamento de VE").

Agora eu estou ainda mais certo que eu não estava (e nem estou) exagerando quanto a isso. Portanto, muito trabalho para todos nós eletricistas, pela frente, na era dos VEs. Então acorda Brasil!

NOTA:

Todas as arquiteturas mais comuns de "operação de carregamento" de baterias embarcadas nos VEs incluem um conversor CA/CC com correção de fator de potência (correção de fator de potência intercalado ou baseado no circuito de boost) e todos os ensaios verificados na prática,  com o funcionamento de tal arquitetura, costumam, sempre, apontar para valores operacionais de fator de potência entre 0,97 e 0,995 (mais precisamente ≥ 0,99 operando entre meia carga e carga plena). 

Dai vem a razão de nunca nos preocuparmos em fazer qualquer distinção entre as unidades de medida de potência kW e kVA *(pois estas têm o mesmo valor), nas postagens deste blog. Tratamos especificamente de "carregamento" de VEs, sempre.