Freio Regenerativo (Sistema de Recuperação de Energia Cinética)

Do ponto de vista do Acionamento, aquele dispositivo ao qual chamamos "Motor Elétrico" em um Veículo Elétrico (VE), não convém ser chamado assim. A denominação mais conveniente seria, simplesmente, Máquina Elétrica. Isso pois, do ponto de vista do acionamento, tal máquina pode estar operando de 4 maneiras distintas, que são tecnicamente denominados Quadrantes de Acionamento.

Os Quadrantes de Acionamento contemplam, cada qual, diferentes comportamentos das variáveis do sistema “Velocidade” e “Conjugado” (ou "Torque", sendo torque e conjugado, sinônimos). Assim, na aceleração ou na manutenção da velocidade, teremos a Máquina Elétrica tracionando a Carga e, já na na desaceleração, teremos a Carga tracionando a Máquina Elétrica.

Quando temos Aceleração ou mesmo quando temos a Manutenção da Velocidade Estável, dizemos que um VE está operando no Modo Tração, onde o VE está consumindo Energia Elétrica a partir da bateria para se locomover, vencendo forças de oposição (resistência do ar, atritos, a inércia da sua massa e tudo mais que agir como resistência ao rolamento dos pneus do veículo) e movimentando a sua massa (e mais a dos ocupantes, bagagens, etc), a uma dada velocidade, em uma determinada trajetória, sobre numa Pista Plana ou de Aclive. Neste processo, a Energia Elétrica tomada da bateria está sendo convertida em Energia Cinética (energia relacionada com o estado de movimento de um corpo).

Note que é possível um caso particular, em que um veículo que esteja em movimento possa estar ganhando velocidade (aceleração), todavia, sem que ele esteja no Modo Tração. Isso é característico de locomoção em trajetória sobre pista de declive, onde, mesmo se utilizando do Freio Motor, o veículo pode ganhar velocidade, sem a necessidade de consumir energia a partir da bateria. Neste caso, é a Energia Potencial que está sendo convertida em Energia Cinética.

Já, quando operando em uma trajetória sobre numa Pista Plana ou de Aclive, se temos Desaceleração,  (independente se estamos ou não pisando no pedal do freio), dizemos que o VE está operando no Modo Frenagem, onde o VE não gasta nenhuma energia elétrica e, muito pelo contrário, pode até mesmo capitar a Energia Cinética do Movimento de Inércia que está no eixo das rodas e, recolhe-la para dispositivos armazenadores.

O conceito da figura está correto, no entanto, o desenho é apenas ilustrativo, pois, como a Máquina Elétrica (motor) recebe (ou entrega) Energia Elétrica do tipo CA e a Bateria (de íons de lítio) entrega (ou recebe) Energia Elétrica do tipo CC, então, elas são incompatíveis entre si, não podendo estarem conectadas diretamente uma a outra. No desenho falta mostrar alguns blocos importantes como o Inversor e o Conversor CC/CC, que intermedeiam entre a Bateria e o Motor.

De fato, num VE, essa capitação e recolhimento da Energia Cinética do Movimento de Inércia ocorre sempre, em qualquer situação de operação, que se faça uso do Freio Motor, tanto em desacelerações pista plana ou de aclive, quanto e, principalmente, no caso de locomoção em pista de declive.

Assim, ao utilizarmos os termos "Motor" ou "Gerador", devemos ter em mente que estes são apenas atributos funcionais virtuais de uma mesma Máquina Elétrica (ou modos de operação dela), pois, no Modo Tração a Máquina Elétrica atua como "Motor", enquanto que no Modo Frenagem, a mesma Máquina Elétrica atuará como "Gerador" e ele REGENERA ENERGIA.

Assim, podemos definir para um VE típico (como para qualquer outra aplicação motorizada em velocidade e carga variável), Quatro Quadrantes Acionamento, onde temos 4 situações distintas, as quais, de modo resumido, são as seguintes:

• No 1º Quadrante: Aceleração, ou manutenção da velocidade estável do VE, com locomoção em Sentido Avante (Modo Tração em locomoção para avante). Assim, as variáveis: Velocidade (n) e Conjugado do Motor (CMO), assumem por convenção, ambas valores positivos. O motor está absorvendo energia da bateria (a energia vai da bateria para o motor) e este converte em energia mecânica (cinética) tracionando as rodas, movendo a Carga;

• No 2º Quadrante: Frenagem do VE com locomoção em Sentido Avante. Caracteriza-se pela situação de Frenagem do Motor e, pela natureza operacional do sistema, ocorre sempre que a Referência de Velocidade (nREF) imposta pelo motorista ao Inversor (informada pelo Pedal do Acelerador) passa a solicitar uma velocidade de valor inferior do que o valor da velocidade atual (nREF<nATUAL). Em outras palavras, basta que se alivie o pé sobre o pedal do acelerador para que entremos no Modo Frenagem. Em oposição ao que ocorre no 1º Quadrante, não estamos tomando energia da bateria (ou outra qualquer outra fonte, como a própria rede elétrica de corrente alternada, por exemplo), mas sim, devemos procurar consumir a energia que já está acumulada (pelo movimento de inércia da máquina), seja este consumo feito por via elétrica ou mesmo mecânica. Todavia, como o VE (e toda a massa contida nele) continua se movendo para avante, a variável Velocidade (tal qual no 1º Quadrante) ainda tem sinal positivo mas, a variável Conjugado (torque), que precisará agir, agora, contra o movimento de inércia e, por conta disso, ele passa a ter sinal negativo;

• No 3º Quadrante: Aceleração ou manutenção da velocidade estável, com consumo da energia da bateria e com tração da carga (portanto, também é Modo Tração), tal como no 1º quadrante, só que agora a locomoção é no sentido reverso, ou seja, isso ocorre quando estivermos acelerando ou mantendo velocidade, com o VE em Marcha a Ré. Agora, neste caso, ambas as variáveis, Velocidade e Conjugado têm o mesmo sinal, ambos sinais são negativos.

• No 4º Quadrante: Modo Frenagem do VE, só que agora no sentido reverso, ou seja, de desaceleração em Marcha a Ré. Obvio, então, que a Velocidade é de sinal negativo e, o torque da máquina elétrica, que se opõe ao movimento de inércia, é de sinal positivo.

Obviamente que, a menos que você trabalhe como manobrista de estacionamento, os 3º e 4º quadrantes podem parecer ser de pouco interesse, mas de qualquer forma, eles precisam existir. Mas, o 2º quadrante em especial, é fundamental para os bons motoristas: é essencial que o torque de frenagem colabore com a estabilidade do carro. Em um carro de motor a explosão convencional (sem câmbio automático), você precisa fazer isso combinando a frenagem com a troca de marchas, em redução. Já, num VE, que são todos sempre automáticos, você só precisa tirar o pé do acelerador, que o carro já entra em modo frenagem de baixa intensidade, e fica muito mais estável, mesmo que você tire o pé do acelerador muito bruscamente. Assim, podemos resumir o acionamento da máquina elétrica de um VE no seguinte diagrama:

Deste modo, nos 1º e 3º Quadrantes, ambos Modo  Tração, a Máquina Elétrica, de fato, atua como Motor (recebendo, por meio do Inversor, energia elétrica vinda da bateria).

Já, nos 2º e 4º Quadrantes, ambos Modo Frenagem, o Inversor deixa de entregar energia a Máquina elétrica.

No entanto, simplesmente deixar de entregar energia ao motor não significa que o VE irá parar de imediato. O simples corte da entrega de energia corresponde a "colocar em ponto morto". Mesmo que, concomitantemente a isso, façamos atuar freios mecânicos (atrito de lonas ou de pastilhas sobre discos) nas rodas, o VE ainda rodaria por uma certa distância, até parar totalmente (se, no caso, parar totalmente for o objetivo do motorista).

Isso ocorre devido a Inercia, ou seja, a massa do carro já está se movendo, de modo que ela tem, em si, uma energia pré adquirida (e armazenada), então, neste caso, a priori, seria preciso a aplicação de uma energia de sentido contrário, que produza um contra-torque sobre o eixo da Máquina Elétrica, para reduzir a sua velocidade ou para pará-lo.

É ai que coisa começa a ficar interessante pois, em um VE, o tempo todo o eixo da Máquina Elétrica permanece acoplado aos eixos das rodas rodas.

Em geral, salvo no caso de emprego tecnologias mais arrojadas e caras, em que cada Roda do VE é dotada de uma Máquina Elétrica individual (ver sobre Motor de Fluxo Axial), em geral, esse acoplamento permanente não é realizado diretamente mas, sim, por meio do Diferencial, um antiquíssimo dispositivo mecânico que tem a função de dividir o torque disponível no eixo do motor entre dois semi-eixos, possibilitando a eles velocidades de rotações distintas. O diferencial possibilita torque igual para os semi-eixos, independentemente das suas velocidades de rotação.

Um diferencial transfere, mediante engrenagens cônicas, as rotações pelo Eixo Cardan para ambos os semi-eixos. Em geral, o diferencial é empregado nos veículos terrestres tracionados por motores de qualquer natureza, incluindo a maioria dos Veículos a Combustão Interna (VCI).

Para o VE entrar em locomoção (1º Quadrante) avante, o torque é produzido pela Máquina Elétrica e chega ao diferencial através do Eixo Cardan (eixo do pinhão), e assim é dividido entre as duas rodas de tração.

Sem o Diferencial, nós precisaríamos de duas Máquinas Elétricas, no mínimo, apenas para Tração Traseira, ou apenas para Tração Dianteira, um para cada roda e, também, dois Inversores, um para cada Máquina Elétrica. Os Inversores precisariam ainda estar sincronizados de uma maneira sofisticada, para produzir o efeito do diferencial, o que eleva muito o custo de tal VE(1).

Mas quando o carro está se locomovendo por força da inércia, obviamente suas Rodas ainda giram e, via o Diferencial, a Máquina Elétrica é forçada a girar também, o que torna ela, pela sua própria natureza física, num Gerador e como a Máquina Elétrica gera, entre os seus terminais elétricos surge uma Tensão Elétrica.

Ora, em geral, a Máquina Elétrica que traciona (mas que também desacelera, regenera e freia) os VEs é uma do tipo de Corrente Alternada (CA) Trifásica, (em alguns VEs, como no potente Tesla Model S, é um motor CA de indução trifásico, em outros, como no sedã compacto Nissan LEAF, é um motor de imãs permanentes CA trifásico), de modo que a tensão elétrica gerada assim o é, também (CA Trifásica).

Se não fizermos nada com essa energia que é gerada pela Máquina Elétrica nas desacelerações (frenagens), o VE ficaria sem o seu efeito de "Freio Motor" e, dependeria tão somente dos freios mecânico, que em geral atuam nos discos das rodas, para reduzir velocidade ou para parar.

No entanto, qualquer bom motorista sabe da importância do uso do freio motor para a boa e estável dirigibilidade de um carro. Ainda mais em locomoção sobre pistas em declive, ou em pistas molhadas, o freio motor é algo indispensável. Quanto mais pesado um veículo é, mais importante e mais cuidadosamente operado deve ser o freio motor, para manter o carro sob controle com segurança.

Dai a necessidade de fazermos algo, ou seja, consumir de alguma forma, a energia que é gerada na máquina elétrica dos VEs. É justamente o "consumo da energia gerada" que produz no eixo da Máquina Elétrica o efeito de contra-torque necessário à frenagem, ou seja, o efeito de freio motor.

Isso se torna ainda mais importante, a medida em que a grandeza “Tempo para Parada Total” se torna um problema crítico, pois apenas o freio mecânico, por atrito sobre as partes móveis, pode não ser  suficiente, a contento. Então devemos atuar na Máquina Elétrica, também, de modo a freá-la, desenvolvendo um conjugado (torque) específico para esta frenagem.

Para não tornar essa postagem muito extensa e complexa, eu não o farei neste momento mas, numa próxima ocasião, eu tratarei de explicar melhor toda essa dinâmica de operação da máquina elétrica de um VE, envolvendo as Convenções das Características do Conjugado (vários tipos de conjugado estão em jogo nela) e descreverei melhor, também, sobre Os Três Regimes de Movimento de uma Máquina Elétrica (aceleração, estável, desaceleração).

Mas vamos nos fixar, agora, apenas em quatro fatos:

• Numa dada circunstância um VE precisará desacelerar;
• Ao desacelerar a Maquina Elétrica é forçada a girar pela inércia e opera como um gerador;
• Para frear diretamente na máquina elétrica, precisamos consumir a energia que ela gera;
• Requisitos de sustentabilidade da tecnologia empregada são de fundamental importância para o desenvolvimento de projetos atuais.

Quais são, então, as opções que se apresentam? Elas são segundo o diagrama apresentado a seguir:

Poderíamos ignorar, completamente, os três últimos fatos apresentados acima e fazer uma frenagem puramente mecânica do eixo da máquina, mas essa não seria uma grande ideia.

Podemos nos lembrar do segundo e terceiro fato e fazer uma frenagem elétrica. No caso de elétrica, a frenagem pode ser por dois tipos: Reostática ou Regenerativa.

• Reostática: Dissipa a energia gerada na frenagem em Resistores de Potência, na forma de calor (calor que, em geral, para nada é aproveitado). Quanto menor o valor ôhmico do resistor de frenagem, maior a corrente elétrica que circula e portanto maior o conjugado de frenagem (o contra-torque que atua no eixo da máquina, provocando desaceleração), o que faz com que a máquina elétrica pare mais rapidamente (maior desaceleração). Substituindo-se o resistor de frenagem por um curto circuito (resistor de resistência zero), o motor pararia bruscamente mas, uma parada por demais brusca pode não ser uma boa ideia. De qualquer modo, ao final deste processo todas as variáveis (velocidade e torque) terminam zeradas pois elas são interdependentes e, o calor gerado, se não puder ser aproveitado, vai para o meio ambiente.

• Regenerativa: Sistema de frenagem que faz com que, para frear, a energia gerada na máquina elétrica (no caso o "motor" está se comportando como "gerador") seja devolvida à fonte que originalmente a forneceu, ou seja, no caso dos VEs, a sua bateria principal. Obviamente que a energia não poderá ir diretamente da máquina elétrica (CA Trifásica) para a bateria (CC). Ela precisará fluir através de circuitos de eletrônica de potência que cuidarão de transformá-la e acondicioná-la (primeiro pelo Inversor e depois pelo Conversor CC/CC, nessa ordem de fluxo).

Quando se trabalha com Inversores a frenagem regenerativa é preferível e, o tempo de duração da frenagem é uma função da inercia do tipo de carga (massa total, aerodinâmica do carro, etc). Assim sendo, deve-se promover o controle dela por meio do emprego de uma Rampa de Desaceleração.

Essa tarefa pode ser executada pelo mesmo tipo de regulação que é feita para a quando há a aceleração no modo tração (chaveamento do fluxo da energia por emprego de um trem de pulsos elétricos de certa duração variável), que também é realizada de modo a prover uma Rampa de Aceleração idealizada, tornando assim a frenagem, suave, tal qual a aceleração é suave.

Além do mais, a frenagem regenerativa é a mais ecologicamente correta, pois ela permite conservar a energia, de modo que ela possa ser, posteriormente, usada para realizar o trabalho útil. A frenagem regenerativa é uma ideia simples, porém engenhosas, pois, por reaproveitar energia, a frenagem regenerativa contribui para a sustentabilidade e o meio ambiente.

O Freio Regenerativo:

Um freio regenerativo é um mecanismo de recuperação de energia que produz um contra torque no eixo da máquina elétrica (motor) que causa a diminuição da velocidade de um veículo, convertendo a sua energia cinética em uma outra forma, geralmente em energia elétrica, que é realimentada de volta para a fonte que originalmente a forneceu.

A realimentação (regeneração) da energia nos VEs se dá por meio dos mesmos blocos de circuitos de eletrônica de potência (primeiramente o Inversor e depois o Conversor CC/CC) que antes alimentava a máquina elétrica (motor) quando o veículo estava atuando em modo tração (mantendo velocidade ou acelerando), ou seja, fazendo a corrente elétrica circular em sentido contrário por meio do Inversor. Por isso dizemos que o Inversor, agora, estará atuando no Modo de Regeneração.

De uma maneira geral, a energia regenerada pode ser:

• Imediatamente utilizada, por exemplo, por um outro veículo que esteja, naquele mesmo momento, em aceleração e que se alimenta da mesma fonte do veículo que está freando (ex. do que ocorre com os trens elétricos), ou;
• Armazenada até ser necessária, por exemplo retornando das rodas (energia cinética) para a bateria (energia elétrica).

Isto contrasta com os sistemas convencionais de frenagem, onde o excesso de energia cinética é convertida em calor pelo atrito nas lonas ou pastilhas de freio e, portanto, a energia cinética é, tão somente, desperdiçada (mais calor indo para o meio ambiente).

A forma mais comum de freio regenerativo envolve o uso da máquina elétrica, ou seja, do motor elétrico (nome adequado apenas quando em modo de tração) passar a atuar de modo reverso, ou seja, como um gerador elétrico. Historicamente, a frenagem regenerativa foi usada primeiramente em ferrovias, com sucesso, a partir dos anos 1930.

Num trem elétrico a energia gerada na frenagem é alimentada de volta para o barramento de alimentação mas, o seu bom aproveitamento, envolve, muitas vezes, o sincronismo de movimento das locomotivas presentes na linha, sempre devendo haver uma delas localizada nas adjacências, entrando em aceleração, no mesmo momento em que uma outra esteja freando e regenerando.

Já, em VEs de mobilidade pessoal, puros ou híbridos, a energia normalmente é armazenada quimicamente na uma bateria podendo, parte dela, ser armazenada eletricamente, também, em um banco de capacitores, ou ainda mecanicamente em um volante rotativo.

Um freio por regeneração de energia para baterias para VEs foi conceitualmente desenvolvido em 1967 pela Amitron AMC, cuja baterias eram recarregadas pela frenagem regenerativa, aumentando assim o alcance do automóvel. Porém, a Amitron AMC nunca foi além da fase de protótipo, pois, naquela época, as baterias de alta densidade de energia eram muito caras. Isso e outros fatores contribuíram para a decisão da AMC em suspender testes daquele veículo.

Quando os VEs começaram a renascer nos meados dos anos '90, as técnicas de regeneração de energia por meio do emprego de máquinas elétricas e circuitos de eletrônica de potência, utilizadas, principalmente, em aplicações de máquinas industriais, já haviam atingido uma maturidade bastante adequada e, portanto, regeneração de energia se tornou algo natural, inerente aos VEs.

Todavia, o Impacto da Frenagem Regenerativa sobre a Energia Entregue num Sistema de Tração de qualquer espécie de veículo é tal, que passou a ser visto cada vez mais como algo positivamente desejável, inclusive, altamente recomendada pela SAE International para veículos dotados de Motores a Combustão Interna e, essa é mais uma das razões para a existência da tecnologia de Veículos Híbridos.

Por agregar uma Maquina Elétrica (motor / gerador) ao veículo com Motor a Combustão Interna, tornamo-lo, também, apto a realizar frenagem regenerativa. Este simples diagrama mostra como um sistema de frenagem regenerativa é capaz de recuperar parte da energia cinética do veículo com motor a combustão interna convertê-la em energia elétrica. Essa energia elétrica é usada para recarregar a bateria do veículo.

Sistema de Frenagem Combinada:

Tradicional frenagem baseada em atrito é usado, também, em conjunto com a frenagem regenerativa da máquina elétrica, devido às seguintes razões:

O efeito de travagem regenerativa cai quando a operação se dá em velocidades mais baixas, por isso o freio de atrito ainda é necessário, a fim de trazer o veículo a uma paragem completa de modo seguro.

O bloqueio físico do rotor da máquina elétrica também é necessário para evitar que veículos de rolar descendo colinas, quando estacionado. O freio de atrito é redundante mas é ainda muito necessária no caso de uma eventual falha da frenagem regenerativa.

Na maioria dos VEs,  a frenagem regenerativa só tem efeito em algumas rodas (como, por exemplo,  no caso de um VE de tração apenas nas duas rodas dianteiras) e a potência de travagem regenerativa só se aplica a tais rodas porque elas são as rodas ligadas, via o diferencial, ao motor, por isso, a fim de fornecer controlado travagem sob condições críticas, como em estradas molhadas, a frenagem por atrito é necessária com base, principalmente, nas demais rodas.

Em velocidades muito elevadas de condução do VE, deve-se considerar, ainda, que a capacidade de absorção da quantidade de energia elétrica regenerada numa frenagem intensa é limitada pela capacidade da bateria em absorver esta energia. Isso varia dependendo do estado da carga da bateria ou condensadores.

Se já houver muita carga na bateria (e outros acumuladores) e, repentinamente se precise frear a partir de uma velocidade elevada, com grande inércia, os freios por atrito precisam estar dimensionados para, se necessário, realizar a plena frenagem praticamente sozinhos pois, o sistema gestor da bateria pode não permitir que ela receba tanta carga.

Assim, a frenagem regenerativa só pode ocorrer eficazmente, se a bateria ou outros armazenadores disponíveis, como capacitores, já não estão completamente carregados.

Por estas razões todas, é praticamente obrigatório se incorporar Frenagens Dinâmicas, em geral, as mecânicas (em certos caso, mesmo a elétrica reostática, também, combinado) para absorver o excesso de energia inercial, de modo que as frenagens dinâmicas trabalhem em cooperação com a frenagem regenerativa e mesmo cubra, por segurança, alguma eventual deficiência dela.

Conversão em Energia Elétrica - o Motor Como Gerador:

A frenagem regenerativa tem sido no uso extensivo em estradas de ferro por muitas décadas., sendo especialmente eficaz em passagens íngremes. Na Escandinávia, a ferroviária que vai de Kiruna a Narvik transporta minério de ferro das minas de Kiruna, no norte da Suécia, até o porto de Narvik, na Noruega. Os vagões estão cheios de milhares de toneladas de minério de ferro no caminho até Narvik, e esses trens geram grandes quantidades de eletricidade por sua frenagem regenerativa. A energia regenerada é suficiente para alimentar os trens vazios que estão no caminho de volta e, qualquer excesso de energia a partir da estrada de ferro é passado para a rede pública de energia para abastecer casas e empresas na região.

Muitos modernos VEs puramente elétricos e também híbridos utilizam esta técnica para ampliar a autonomia da bateria. Exemplos incluem o Toyota Prius, o Nissan LEAF, o Chevrolet Volt, o Honda Insight e o Tesla Model S e outros.

Até bem pouco tempo, uma desvantagem dos freios regenerativos, quando comparado com os freios dinâmicos (frenagem reostática) era a dificuldade de se suprir a necessidade de se aproximar as formas de onda das correntes gerada para as mesmas características das da fonte e o consequente aumento dos custos de manutenção das linhas.

Com as fontes de corrente contínua, como é o caso das baterias dos VEs, exige que a tensão seja  cuidadosamente controlada. Só com o desenvolvimento da eletrônica de potência isso tem sido possível com o fornecimento de corrente alternada, onde a freqüência de alimentação também deve ser correspondido (isso se aplica principalmente a locomotivas, onde uma fonte CA é retificada para motores CC).

Já, os Motores CA, tanto de indução quanto de imãs permanentes pode fornecer regeneração de modo muito eficiente. Motores CA geralmente podem regenerar quase com a mesma eficiência de quando operam em tração.

Inversores Regenerativos:

Num VE, na operação do Modo Tração, o inversor (controlador do motor) funciona como conversor CC/CA, mas, na operação no Modo Frenagem, o sentido do fluxo de energia é revertido e ele funciona como um conversor CA/CC.

A fim de poder proceder a regeneração da energia com aproveitamento, transformando o energia elétrica do tipo CA (Corrente Alternada) Trifásica, gerada pela Máquina Elétrica, em tipo CC (Corrente Contínua) adequada para entrar na bateria, ao invés de, simplesmente, dissipá-la totalmente como a perda de calor inútil e poluente, precisamos que os VEs sejam dotados Inversores Regenerativos.

Inversores comuns (não-regenerativos), de emprego industrial, têm uma topologia em três seções:

• uma seção de entrada (ponte retificadora a diodos);
• um circuito intermediário reservatório de energia (banco de capacitores) e;
• uma seção de saída (circuito inversor, propriamente dito).

Se a seção de entrada é uma Ponte Retificadora a díodos, que apenas permite que a energia flua numa única direção, em geral, eles operam de tal modo que a energia pode fluir livremente apenas da entrada para a saída e não em ambas as direções através das seções do inversor.

Os Inversores Regenerativos industriais mantém a arquitetura três seções, mas, para funcionar como uma unidade regeneradora, a energia deve poder fluir em ambas as direções. Em geral, a seção de saída já permite isso, mas apenas com a finalidade de que a energia "regenerada" fique presa na seção intermediária do Inversor (reservatório de energia) e para que o excesso dela possa ser dissipado reostaticamente. Mas isso não é, tecnicamente, regeneração mas, sim, frenagem reostática.

O circuito inversor básico (seção de saída) é um arranjo dotado de doze componentes de eletrônica de potência: 6 IGBTs e 6 Diodos Retificadores. Os IGBT(2) são responsáveis por chavear a energia que vai para a máquina elétrica enquanto que os diodos conduzem a energia que retorna da máquina, para fazer a frenagem. Este circuito é denominado Inversor PWM de 6 Pulsos.

Um pulso é produzido por um circuito controlador baseado em microeletrônica, para comandar o chaveamento de cada IGBT numa dada sequência combinada, ligando, de cada vez, um IGBT da parte superior e dois IGBTs na parte inferior, ou dois na superior e um na inferior, dependendo do momento da sequência(3).

Na verdade, cada IGBTs costumam já ser encapsulado juntamente com um diodo mas, muitos Inversores utilizam dispositivos em que todas as doze peças se encontram encapsuladas em conjunto, formando um único bloco.

Todavia, essa topologia de Inversor comum foi pensada para aplicações industriais, ou seja, aquelas em que a fonte de alimentação é uma Rede Elétrica CA, normalmente trifásica. Para os VEs temos que considerar, basicamente, duas diferenças.

• A fonte de alimentação é a bateria CC principal do VE (não uma rede CA trifásica). Com isso, parte do nosso problema se elimina (não precisamos usar o retificador como seção de entrada). Além do mais, a bateria principal é intermediada para o Inversor através de um estagio Conversor CC/CC, de modo que os diodos que já existem no estágio de saída do Inversor são suficientes para prover a regeneração, cujo chaveamento de controle pode ser provido no próprio Conversor CC/CC. Se não for assim, outra opção é substituir os 6 diodos do estágio de saída por 6 outros IGBTs, associados aos que já existem, em antiparalelo, para poder realizar o chaveamento de controle durante a regeneração.

Se fosse para aplicação industrial, ao invés de VE, precisaríamos modificar (e não eliminar) a seção de entrada do Inversor. Ao invés de ponte retificadora com diodos precisaríamos de um bloco com uma arquitetura combinada Inversor-Retificador, ou seja, a seção de entrada se tornaria idêntica à seção de saída e, assim, teríamos um Inversor regenerativo, capaz\ de permitir fluxo de energia nos dois sentidos.

Uma segunda diferença a ser considerada é:

• Um Inversor de apenas 6 pulsos faria a Maquina Elétrica vibrar consideravelmente, principalmente se ela for do tipo PMAC (motor CA de imãs permanentes). Os motores PMAC exigem uma unidade de acionamento projetada especificamente para motores de imã permanente, devido ao fato de que esses precisam de uma forma de onda de saída bem mais próxima da senoidal (mas não necessariamente senoidal pura) do que aquela que se poderia ter com o emprego de motores de indução. 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. Apenas para se ter uma ideia, para se obter um razoável inversor de 4 níveis, a quantidade de componentes necessária, tanto da seção intermediária quanto da seção de saída triplicaria (3 bancos de capacitores, 18 IGBTs e 18 diodos, fora os diodos extra para grampeamento). 

Sistema de Freio Regenerativo de um VE:

Por que ela fornece um meio eficiente para recuperar energia, realimentando ela e volta para a bateria, nos VEs, o sistema de frenagem regenerativa é de fundamental importância para se prover uma extensão da autonomia do carro. Por isso busca-se, sempre, reaproveitar ao máximo toda energia cinética de inércia nas frenagens. No Nissan LEAF, durante a frenagem, o sistema pode recuperar até 39% da energia cinética do veículo e usá-lo para recarregar a bateria.

O Nissan LEAF, além de operar frenagem regenerativa, tem, também, um sistema de freios de atrito convencional, operado hidraulicamente que é operado em combinação cooperativa com a frenagem regenerativa, somando forças.

O completo sistema de freios do Nissan LEAF inclui:

• Frenagem regenerativa a partir da sistema de tração dianteiro;
• Freio a disco ventilado com anti-bloqueio e potência monitorada, controlada e distribuída independentemente nas 4 rodas;
• Travão de estacionamento eletrônico nas rodas traseiras;
• Mecanismo de estacionamento: uma lingueta engata, travando a engrenagem da caixa de  redução(4), impedindo da transmissão girar.

O sistema de freios hidráulicos é eletricamente assistido. O Nissan LEAF adota um "sistema de freio elétrico orientado inteligente" que é inerente ao VDC (Vehicle Dynamic Control Unit), com a aplicação de um pequeno motor de reforço interno que opera o pistão no interior do cilindro mestre para gerar força auxiliar. Um sensor de força ligado ao pedal do freio detecta a quantidade de frenagem desejada e informa o "sistema de freio elétrico orientado inteligente" do VDC.

Este sistema de freios possui uma função de frenagem regenerativa, de modo que o VDC realiza controle cooperativo do freio de atrito e da frenagem regenerativa de acordo com o curso do pedal de freio e da quantidade de energia realimentada da frenagem regenerativa cooperativa.

Um sensor de pressão no cilindro mestre informa o VDC sobre aumento ou diminuição da travagem auxiliar para a pressão dentro do cilindro principal ser igual a "pressão-alvo", derivado da quantidade de movimento do pedal do freio.

Concomitantemente às funções de controle da frenagem, o VDC recebe informação de, ainda, outros sensores e opera, também, a função de controle de tração, no intuito de buscar atingir uma ótima estabilidade e dirigibilidade. O VDC pode ajudar o condutor a manter o controlo do veículo, mas não pode evitar a perda de controlo do veículo em todas as situações de condução.

A autonomia pode ser estendida em cerca de 25% pela função de freio regenerativo, extensão avaliada no padrão LA4 da Agencia Ambiental dos EUA. Este sistema de freio adotou capacitores de reserva de energia embarcado, que operam como fonte em caso de falha no fornecimento de energia. O "Supercapacitor" armazena energia elétrica para uso do reforçador do cilindro do freio hidráulico.

O freio de estacionamento / emergência pode ser aplicado tanto enquanto parado, quanto durante a condução. O sistema de freio de estacionamento / emergência consiste de dois freios a tambor, um em cada cubo traseiro.

Por se mudar o seletor da unidade de configuração avançada para a opção disponível "B-Mode", pode-se otimizar o freio, aumentando a força da frenagem regenerativa e a resposta do freio.

(1) Apesar de mais sofisticados e caros, VEs assim estão sob P&D, pois a performance dinâmica deles é ótima mas, eu desconheço, atualmente, qualquer oferta de produto comercial em série, com essa tecnologia. Baseado no relatório de pesquisa Axial-Flux Permanente-Magnet Motor Designe For Electric Vehicle Direct Drive Using Sizing Equation and Finite Element Analysis, eu pretendo fazer uma futura postagem aqui neste blog.

(2) O IGBT é um Dispositivos Semicondutores de Potência de tecnologia híbrida que reúne em um único componente duas importantes características:

• Características de comutação dos Transistores Bipolares de Potência: que permitem sua utilização no controle de elevadas correntes com baixas perdas quando no estado de condução. No entanto trazem certas desvantagens nas aplicações de potência, uma vez que suas características de entrada exigem que as correntes de base sejam elevadas, já que operam como amplificadores de corrente.

• Característica de elevada impedância de entrada dos transistores de efeito de campo de porta isolada (MOSFET’s): com a vantagem de serem dispositivos controlados por tensão, tendo assim alta impedância de entrada. A intensidade do campo elétrico gerado pela aplicação da tensão a porta (Gate) controla a largura do canal que dá passagem à corrente elétrica principal. Mas os MOSFET’s têm como desvantagem que, para altas correntes, eles não pode operar em altas velocidades de comutação devida às capacitâncias parasíticas de porta (Gate). Tais capacitâncias parasíticas tendem a aumentar com a elevação da intensidade da corrente que deve ser controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o MOSFET pode operar com frequências bastante elevadas, normalmente superiores à freqüência máxima de operação de um Transistor Bipolar de Potência (TBPs).

O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos Transistores Bipolares de Potência. Sua velocidade de chaveamento é determinada, a princípio, pelas características mais lentas – as quais são devidas às características dos Transistores Bipolares de Potência. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos Transistores Bipolares de Potência; no entanto, nos últimos anos ela tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em frequências de até algumas dezenas de kHz, em componentes especificados para correntes na faixa de dezenas e até centenas de Ampères.

Juntando o que há de melhor nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente que vem se tornando cada vez mais recomendado para comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade. De fato, praticamente todos os conversores modernos, sejam conversores CA/CC ou sejam Conversores de Freqüência (Inversores) têm a unidade de potência constituída principalmente de IGBTs, tanto na seção de saída para a operar a máquina elétrica, quanto na seção de entrada, a fim de operar a frenagem regenerativa.

(3) No inversor básico de 6 pulsos, os pulsos de tensão de porta para comando de cada um dos IGBT’s são controladas a partir de uma Máquina de Estados Finitos, onde cada estado corresponde ao chaveamento de:

• Sempre três (e apenas três) IGBT’s são ligados simultaneamente de cada vez;
• Nunca são ligados simultaneamente dois IGBT’s da mesma associação em série;
• Nunca são acionados simultaneamente todos os três da parte de cima, nem todos os três da parte de baixo, pois isso não produz caminho algum para a corrente;

Referindo-se aos diagrama a seguir, a ordem de chaveamento é mostrada na tabela:

Nos gráficos apresentados a seguir temos as tensões que são conectadas para a carga por cada uma das chaves com o intervalo de tempo da comutação e a tensão total que pode ser vista entre a fase C e o Neutro central, para o caso de uma associação de cargas trifásicas em Y na saída.

Assim, vemos que a forma de onda da tensão na fase C com respeito ao neutro é formada por seis segmentos idealmente retos, como mostrado na figura. Por isso, este bloco funcional é denominado de um inversor de 6 segmentos (ou 6 pulsos). As formas de onda nas demais fases apresentam a mesma forma de onda que a da fase C, com apenas uma diferença de fase de 120° de uma em relação à outra.

Esta forma de onda na saída se semelha a uma forma de onda de CA senoidal, embora ainda possua muita distorção harmônica (possui componentes harmônicos de frequências mais altas).


(4) A Máquina Elétrica (motor elétrico) é integrado a essa Caixa de Redução de Velocidade Única, que é acoplada ao seu eixo de saída e pelo meio da qual, a potência mecânica de tração é transferida ao Eixo Cardan e deste para o diferencial e do diferencial para as rodas (na regeneração o caminho é o inverso). No Nissan LEAF, por exemplo, essa engrenagem de redução única é de 1 : 7,94. Vale lembrar que na mesma proporção em que a velocidade é reduzida na saída da caixa de redução, o torque é aumentado, de modo que a potencia é conservada.

Veja Também:

O Básico Sobre o Sistema de Tração de Veículos Elétricos

Os Inversores de Frequência dos Veículos Elétricos

Sistema de Frenagem Regenerativa em Veículos Elétricos

A Associação Brasileira do Veículo Elétrico - ABVE

Histórico:

Em abril de 2004 o INEE - Instituto Nacional de Eficiência Energética, uma organização não governamental sem fins lucrativos, voltada à promoção da eficiência na transformação, no transporte e no uso final da energia em todas as suas formas, sediada no Rio de Janeiro, lançou a proposta de criação de uma Associação Brasileira do Veículo Elétrico. A ideia original foi apresentada durante o II Seminário Sobre Veículo Elétrico ocorrido, em São Paulo, naquela ocasião.

No entanto, antes mesmo de lançar a ideia da Associação Brasileira do Veículo Elétrico, o INEE já havia iniciado em 2002 uma atividade intensa de promoção do desenvolvimento e utilização desses veículos no Brasil, tendo lançado, ainda em 2004, o PortalVE, em parceria com o Canal Energia, que durante um ano e três meses divulgou os veículos elétricos através de editoriais, artigos, opiniões e notícias, tendo atingido 54.000 page views.

Sendo de amplo conhecimento que a eficiência energética dos veículos convencionais é muito inferior aos níveis teoricamente possíveis, o INEE já entendia, naquela época, que um grande passo para aumentar a eficiência nesse uso da energia se daria com a evolução e difusão do uso da tração veicular elétrica.

Assim, e também seguindo uma tendência mundial, a iniciativa de criar a ABVE teve como objetivo apoiar, promover e divulgar no país todos os benefícios proporcionados pelos Veículos Elétricos (VEs). Uma iniciativa a fim de intensificar, de modo irreversível, o uso desses veículos, que combinam os benefícios da alta eficiência energética, baixo nível de ruído e de emissões e custos operacionais muito competitivos.

A própria fundação do INEE, em 1992, foi uma iniciativa de grupo de especialistas em eficiência energética que queriam criar uma organização não governamental que discutisse e divulgasse o tema de forma continuada já que, no âmbito governamental, a conservação de energia geralmente só constituía tema prioritário em situações de crise de oferta.

Sendo assim, o pessoal ligado ao INEE tem uma plena visão de que os VEs também podem produzir efeitos de carga consideráveis no sistema elétrico interligado do Brasil. O INEE tem trabalhado este tema no âmbito da geração distribuída e enxerga um papel extremamente positivo para redução de perdas de transmissão e distribuição no setor elétrico.

Um carro de família percorre, em média, 20.000 km por ano. Se for um VE puro (Veículo puramente elétrico a bateria), consumirá, com a tecnologia atual, em média, 200 W.h/km, ou seja, terá uma demanda anual de eletricidade para transporte da mesma ordem de grandeza que para os demais usos.

As baterias deste tipo de veículo acumulam cerca de 30 kWh, ou seja, para carregar na rede de distribuição poderá demandar 8 horas com uma carga de 4 kW. Assim, se crescer a população de VE puros, haverá um fortíssimo impacto na rede de distribuição de energia elétrica.

Por outro lado, um VEH (Veículo Elétrico Híbrido), quando estacionado pode perfeitamente ser interligado ao sistema elétrico pois funciona como um sofisticado gerador móvel. A economicidade do VEH aumenta se houver, no local, demanda por água quente, que é um co-produto da geração elétrica.

Como os veículos particulares ficam estacionados mais de 90% do tempo e os VE têm sofisticados computadores de controle a bordo, eles podem funcionar como reservas que atendem necessidades da edificação a que estão ligados como "no break" ou cumprir pelo menos dois papéis como Gerador Distribuído:

Serviços ancilares os sofisticados sistemas de controle de bordo poderiam analisar as curvas da onda e prestar alguns serviços especiais como a redução de reativos, apoio em caso de black-start, back-up e redução de reativos.

Alívio de Carga interligados a uma mesa de controle central, os VEs, quando em grande quantidade podem vir a atender necessidades sistêmicas de energia, equilibrando localmente os sistemas.

O tema ainda hoje é muito novo, mas o INEE - que trabalha também a questão da Geração Distribuída - tem promovido diversas discussões sobre o tema, notadamente nos Seminários. Para mais informações sobre algumas experiências na California, por exemplo, visitar a home page da AC Propulsion.

O INEE acredita que a penetração dos VEs no mercado se dará de forma espontânea, pelas suas virtudes na medida que os consumidores percebam claramente suas vantagens. A dificuldade é que se trata de uma mudança de paradigma, um processo de adaptação doloroso para os atores tradicionais e que necessita superar barreiras de mercado e culturais.

O INEE tem se colocado como produtor do máximo de informação para a sociedade através de seminários, workshops e exposições. Assim, o INEE se tornou pioneiro em abranger a realização de seminários anuais desde 2003. 

A Associação Brasileira de Veículos Elétricos - ABVE, finalmente foi criada com o apoio do INEE em 15 de agosto de 2006, e tem como objetivo principal, divulgar os benefícios dos veículos elétricos, promovendo o seu uso. A partir de sua criação, a ABVE tem participado da organização de todos os seminários sobre VEs.

Juntamente com a ABVE, o INEE continuou organizando seminários sobre Veículos Elétricos e Rede Elétrica. Com o crescimento exponencial do mercado para estes veículos no Brasil, a Mes Eventos e a ABVE realizam o 9º Salão Latino Americano de Veículos Elétricos, Componentes e Novas Tecnologias, em São Paulo, entre 10 e 12 de setembro de 2013.

A Associação Brasileira do Veículo Elétrico - ABVE é uma associação civil de direito privado sem fins econômicos. Veículos Elétricos (VE) é entendido como sendo veículos automotores que utilizam pelo menos um motor elétrico para sua tração.

Missão da ABVE: Promover a ampla utilização de veículos elétricos no país, para tornar o transporte de pessoas e cargas mais limpo e eficiente, em benefício do bem-estar da população, do meio ambiente e do conjunto dos seus associados.

Os objetivos específicos, diretrizes e princípios relacionados abaixo orientam as ações da ABVE para o cumprimento de sua missão.

Os Objetivos Específicos da ABVE são:

• Promover o desenvolvimento, a demonstração, a comercialização e a utilização de veículos elétricos no Brasil;
• Promover e participar de estudos e pesquisas em tecnologia veicular elétrica, inclusive a definição de padrões;
• Desenvolver programas de informação, dirigidos à imprensa, á indústria, a instituições de ensino, aos responsáveis pela formulação e aprovação de leis e regulamentos, aos formadores de opinião e aos potenciais usuários;
• Atuar junto às autoridades, entidades empresariais, indústrias e possíveis usuários, visando a tomada de decisões que incentivem o desenvolvimento e o uso da tecnologia veicular elétrica;
• Levantar e divulgar informações sobre o mercado de veículos elétricos no Brasil e no Exterior;
• Promover a utilização de veículos elétricos nas frotas do poder público, bem como nas frotas de veículos de serviços sob regime de concessão;
• Estimular estudos e projetos com a participação de empresas de energia, combustíveis e fabricantes de veículos;
• Constituir fonte primária de informação sobre aspectos técnicos, políticos, educacionais e de mercado do veículo elétrico, promovendo a sua difusão pelos meios de comunicação;
• Representar os associados judicial ou extrajudicialmente na defesa de interesses coletivos ou individuais homogêneos, sem necessidade de autorização específica da Assembléia Geral.

As Diretrizes da ABVE são:

• Priorizar atuação junto às autoridades e entidades empresariais relacionadas ao setor automotivo, visando à tomada de decisões que incentivem o desenvolvimento e o uso de veículos elétricos;
• Buscar participação representativa em entidades e organismos decisórios relacionados ao setor automotivo e à pesquisa e desenvolvimento tecnológico de seu interesse;
• Constituir parcerias e outras formas de colaboração com entidades congêneres de outros países visando ações conjuntas e intercambio de informações;
• Promover a demonstração de veículos elétricos e seus benefícios a representantes do governo, tomadores de decisão das empresas e outras entidades e para o público em geral.
• Apoiar aperfeiçoamentos técnicos para otimizar componentes e produtos;
• Recomendar guias, procedimentos, critérios e padrões a respeito de veículos elétricos para o Brasil;
• Organizar e/ou participar ativamente em conferências, seminários, simpósios, exposições, competições, desfiles e feiras nacionais e internacionais;
• Promover e incentivar a formação e o aperfeiçoamento de pessoal de empresas, universidades, centro de pesquisas e escolas técnicas;
• Ampliar a base de associados da ABVE;
• Estimular a criação de associações similares em outros países da América Latina.

A ABVE se rege pelos seguintes princípios:

• Responsabilidade para com a sociedade no que diz respeito ao uso dos recursos naturais, ao meio ambiente e aos interesses e bens comuns;
• Compromisso para com os associados, no que diz respeito ao cumprimento dos objetivos da ABVE;
• Busca permanente da qualidade e da eficiência;
• Desenvolvimento e ampla divulgação do conhecimento;
• Adoção das soluções de maior proteção ambiental e energeticamente mais eficientes, consideradas todas as etapas de processamento dos combustíveis desde a prospecção e exploração das matérias primas até a utilização final na tração dos veículos;
• Adoção de práticas de gestão necessárias e suficientes à efetivação de seus propósitos e para coibir a obtenção, de forma individual ou coletiva, de benefícios e vantagens pessoais, em decorrência da participação nos processos decisórios.

Dados Cadastrais:

Associação Brasileira do Veículo Elétrico - ABVE - CNPJ: 08.338.685/0001-92 - Inscr. Municipal (Prefeitura do Rio de Janeiro): 379.176-9

Endereço:

Rua Manuel de Carvalho, 16 - 8º andar - Centro - Rio de Janeiro – RJ - Brasil - CEP: 20031-110

Email: abve@abve.org.br

Website: www.abve.org.br 

Acesse o site e se torne um Associado da ABVE, e participe como pessoa física ou jurídica da promoção das soluções para um transporte eficiente e limpo.

Fone: (21) 2532-1389 - Fax: (21) 2532-1389

Eventos Recentes e Futuros:

O Brasil passa por um momento de mudanças. Crescimento econômico, ampliação do poder de compra e aumento da consciência ambiental da população são alguns exemplos dessas mudanças. É cada vez maior o numero de consumidores que requerem produtos e atitudes sustentáveis por parte das companhias, e essa demanda passa por todos os segmentos da economia, inclusive no automobilístico.

O crescimento do mercado para todos os elos da cadeia produtiva dos veículos elétricos e a demanda por conhecimentos sobre o setor nos impulsionaram a realizar o único salão especializado em veículos elétricos da América Latina”, afirma Jayme Buarque de Hollanda, presidente do conselho da ABVE.

Atualmente, a maioria das fabricantes de veículos está desenvolvendo algum projeto no segmento. A Renault, Nissan e Mitsubishi apresentaram seus veículos a bateria, e alguns modelos híbridos da Ford, Mercedes e Toyota já chegaram mercado. A Fiat participa de um projeto com a geradora de energia Itaipu Binacional no desenvolvimento de um carro híbrido de passageiros. A Eletra e a Tutto Trasportti intensificaram a sua produção de ônibus elétricos e a VOLVO e a BYD também começaram a criar produtos deste segmento. Os fabricantes de veículos em duas rodas também apresentam grande interesse em ampliar a sua atuação no segmento elétrico, com destaque para a Kasinski, a Ducati e a Sense Bike.

Todas essas inovações estarão presentes no 9º Salão Latino Americano de Veículos Elétricos, Componentes e Novas Tecnologias que se realizara com a parceria entre a ABVE e a Mes Eventos, em São Paulo, entre 10 e 12 de setembro de 2013 e que contará também com um congresso, onde os maiores especialistas brasileiros no assunto debaterão sobre o cenário atual para o desenvolvimento e uso de carros elétricos pela população. 

Em 2012, o Salão de Veículos Elétricos recebeu um público de 3500 vindos de diversos países, entre eles: Colômbia, Uruguai, Argentina, México, Panamá, Alemanha, Portugal, Espanha, Itália e China.

Atualização 2014:

10º Salão Latino Americano de Veículos Elétricos, Componentes e Novas Tecnologias

Atualização 2015:

A ABVE - Associação Brasileira do Veículo Elétrico estará presente na Ilha Conceito Smart City, que será montada na 28º FIEE (Feira Internacional da Indústria Elétrica, Eletrônica, Energia e Automação, que está acontecendo, esta semana, de 23 a 28/03 de 2015, no Anhembi)."

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Os Custo das Baterias de Íon de Lítio e a Irrealidade Brasileira

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Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grid) e os Veículos Elétricos

Solução para Carregamento de VEs (Veículos Elétricos) em Garagens Residenciais

Veículos Elétricos (VEs) possuem baterias recarregáveis ​​que fornecem energia para impulsionar o veículo. Quando você dirige, o carro consome eletricidade armazenada na bateria. A Estação de Carregamento de VE ajuda a abastecer a sua bateria com energia elétrica, assim como é necessário o abastecimento do tanque do seu carro atual com combustível.

Apesar de alguns novos VEs já virem de fábrica acompanhados de um sistema de carregamento de nível 1 (denominado Trickle Charger Cable), que pode ser utilizado a partir de uma tomada doméstica simples (110V/127V), uma Estação de Carregamento nível 2 recarrega o seu VE muito mais rapidamente e, pode também ser instalada para uso doméstico.

Estação de Carregamento de VE Residencial - Conceito DIY com base em SAE J1772

Através da instalação de uma Estação de Carregamento de VE Residencial (para carregamento de VEs em casa), obtém-se os benefícios de uso doméstico de um equipamento especificamente concebido para suportar várias horas de utilização numa base diária, além de uma solução de carregamento para VEs confiável, segura e flexível, e com um consumo de energia otimizado.

Conforme avaliado em postagem anterior, o consumo Consumo Mensal de Energia Elétrica de um VE Médio Típico é e 154 kW.h/mês, para quem rodar 1000 km/mês, ou de 277 kW.h/mês para quem roda 1800 km/mês, com Custo de Consumo de Energia Elétrica de aproximadamente R$ 53,00 e R$ 102,00 mensais, respectivamente, para São Paulo, Capital, já considerando, inclusive, o CIP – Contribuição Iluminação Pública (do município) e Seguro Proteção Premiada (da Eletropaulo).

No contexto de uma Instalação Elétrica Residencial, a Estação de Carregamento de VE Residencial consiste em um pequeno Painel Elétrico Dedicado, contento um Relé Contator Principal e a Eletrônica de Controle de Carregamento, robustos e de alto desempenho, um equipamento que deve evitar qualquer risco para pessoas e animais relacionado a eletricidade, fácil de usar como meio de recarregar o seu VE em casa e que deve ser instalado por um profissional.

Para recarregar o veículo em perfeita segurança, a instalação deve cumprir com os padrões mais recentes (Norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008(1)), para evitar que o usuário incorra em qualquer risco de eletrocussão, devendo incluir proteção contra corrente residual, aterramento e protetor contra surtos  em áreas expostas. Instalar uma estação de carregamento projetado especificamente para este tipo de uso é recomendado.

A instalação elétrica em que Estação de Carregamento de VE Residencial está inserida, deve estar toda corretamente dimensionada para ser capaz de suportar carregamento diário, sem interferir com o funcionamento adequado e outros equipamentos elétricos da residência, ou oferecer qualquer outro risco. O instalador pode informar o cliente se a assinatura elétrica da residência atende ao requisito de carga, e, se necessário, aconselhar o cliente em uma solução de compromisso de carga.

A Potência de uma Estação de Carregamento:

Porquanto todas as Estações de Carregamento Nivel 2 são especificadas para operarem alimentadas a partir de Redes Elétricas CA com valores de Tensão fixos, de 220V/240V, aquilo que pode variar em função de diferentes valores de Potência destas estações é a Capacidade de Fornecer Corrente de cada uma delas. Como consequência, quanto maior for essa capacidade da estação de carregamento em fornecer corrente, mais rapidamente se dará o carregamento de uma bateria, coisa mui desejável pelos usuários de VEs, em geral.

SAE - BRASIL

Debaixo da recomendação SAE J1772, temos encontrado, na prática, tanto no comércio, quanto em projetos DIY, Estações de Carregamento com capacidades que variam desde 15A (15 Ampères) até 75A (de fato, o limite admitido na recomendação SAE é de 80A).

Com uma capacidade de 80A (máximo absoluto teórico normatizado pela SAE J-1772), teríamos uma Estação de Carregamento cuja Potência seria 17,6 kV.A. Dada a  natureza da operação ser de elevado Fator Potência, tal qual tipicamente operação de carga resistiva, podemos falar, também, em 17,6 kW. No entanto, essa potência pode ser considera muito elevada para ser agregada a Potência Instalada de uma Instalação Elétrica Residencial, principalmente quando a instalação elétrica da residência (e o ramal de entrada, da concessionária de energia), já são pré-existentes.

Mesmo o estado norte-americano da Califórnia, região mundialmente tradicional no pioneirismo ao suporte e disseminação de VEs e do carregamento doméstico, através de sua regulamentação local, limitou abaixo disso, permitindo as Estações de Carregamento uma Capacidade de Fornecer Corrente de apenas 60A (ligada em 240V, significa 14,4 kW de máxima potência). Todavia, para o Brasil, pelo menos para os próximos 5 ou 7 anos, eu recomendo olharmos para um limite ainda menor, abaixo de 10 kW, pensando numa corrente máxima de uns 45 A (bastante razoável para uma aplicação que é doméstica).

A Potência Nominal mínima recomendada para Estação de Carregamento de VE Residencial é de 3.3 kW, porém o ideal é que ela possa chegar a 6.6 kW, para maior facilidade de carregamento, provendo tempos de carregamentos mais adequados. Em casos extremos especiais, pode-se chegar a até 9.9 kW e, em todos os casos, operando em Tensão da Rede Elétrica de 220V (bifásico a três condutores: fase + fase + PE (aterramento)).

Uma Estação de Carregamento de VE Residencial especializada (Nível 2) significa maior velocidade de carregamento e conforto do que aquele provido pelos Trickle Charger Cable que acompanham os VEs, com o carregamento podendo ser, em media, três vezes mais rápido que com uma tomada doméstica comum.

Ao aumentar o nível de potência para 6.6 kW.h, por exemplo, é possível carregar completamente a bateria de um VE Médio Típico (com bateria de 24 kW.h) em cerca de 3 horas e 1/2, e ainda assim estará operando em carga lenta, que é aquela que garante a maximização de vida útil da a bateria.

Opções permitem reduzir o consumo de energia para uma carga mais ecologicamente correta:

• Manutenção de um limite para a potência na operação de carregamento, para evitar exceder a potência contratada com o fornecedor de energia;

• Carregamento programado para iniciar quando a eletricidade é mais barata e não horários de pico de consumo.

Instalação de uma Estação de Carregamento de VE Nível 2:

Segundo a norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008, no contexto das instalações elétricas residenciais todo ponto de utilização, ponto de previsto para alimentar, de modo exclusivo ou virtualmente dedicado, equipamento com corrente nominal superior a 10 A deve constituir um circuito independente e, análogos aos pontos de tomada de cozinhas, copas, copas-cozinhas, áreas de serviço, lavanderias, o ponto de utilização de uma Estação de Carregamento Doméstica deve ser atendido por um circuito exclusivamente destinado à alimentação de tomadas desses locais.

Esquemas para instalação de uma Estação de Carregamento de VE na Instalação Elétrica Residencial

O pequeno Painel Dedicado, no qual consiste uma Estação de Carregamento Doméstica, pode ser montado na parede da garagem e conectada ao sistema elétrico de sua casa, e tal qual a conexão dos aquecedores elétrico de água, a conexão ao ponto de utilização deve ser direta, sem uso de tomada de corrente, diretamente ligado, seja ao Quadro de Distribuição de Circuitos pré existente, ou seja via um pequeno novo painel exclusivo (de comando, manobra e proteção, no mínimo IP4X), este derivado diretamente da Caixa Padrão de Entrada da residência.

Interruptores DR da WEG

Em ambos os casos, deve se fazer uso de Proteção Elétrica por Aterramento e por Interruptor DR. Para uma Estação de Carregamento Domésticas o aterramento é fundamental não apenas por causa da proteção e segurança contra choques elétricos mas, também, por motivos funcionais. Sem a presença do condutor de aterramento adequado em toda a extensão do circuito, uma Estação de Carregamento Doméstica sequer poderá executar a sua operação de carregamento, pois não poderá reconhecer a conexão com um VE e, consequentemente, não liberará energia em sua saída.

O Interruptor Diferencial Residual (Interruptor DR)(2) tem como função principal proteger as pessoas ou o patrimônio, protegendo as pessoas e instalações quanto a contatos diretos ou indiretos, pois protegem contra os efeitos de correntes de fuga para o terra, da ordem poucas dezenas miliamperes, que possam existir em circuitos elétricos:

• Evitando choques elétricos (proteção às pessoas);

• Evitando Incêndios devido a descargas por defeitos de isolamento (proteção ao patrimônio).

Todavia, como apenas o interruptor DR não protege contra sobrecargas e curto-circuitos. Para estas proteções, devem-se utilizar, também, o Disjuntor em associação. Note que, também o Interruptor DR é um dispositivo que só pode ser aplicado onde exista a presença do condutor de proteção PE (ou, num pior caso, condutor PEN)(3). Sem ele, o DR sequer poderá funcionar, mesmo que o condutor PE não seja diretamente conectado a ele, PE é necessário(4).

Você conecta o conector macho do cabo da estação para o conetor fêmea do portal de carregamento do seu VE, quando você estacionar e for deixar o veículo em período de repouso, e desconecta-o somente quando estiver pronto para dirigir. Devido às proteções inerente ao próprio veículo, não existe o risco de se dar a partida no VE, esquecendo-se de desconectar o cabo de carregamento.

Placas fotovoltaicas(5) de captação e aproveitamento da luz solar
instaladas no telhado da residência

As Estações de Carregamento Domésticas também podem combinar o emprego do aproveitamento da Energia Solar, de um modo seguro e fácil de usar, sem comandos complicados, basta conectar e carregar. O funcionamento desse subsistema pode ser totalmente transparente à operação de carregamento.

Usando a Energia Solar, ela é pré-armazenada durante o dia, enquanto o carregamento pode continuar sendo feito a noite. Por se realizar uma configuração simples no painel do próprio VE, pode-se deixá-lo conectado desde a tarde e ele irá começar admitir carga, somente bem tarde da noite, quando a demanda sobre o Sistema Público Interligado é baixa. Opcionalmente, de modo redundante, isso pode ser configurado, também na estação.

Em geral, as Estações de Carregamento Domésticas básicas apresentam um painel interativo simples, que mostra um sinalizador luminoso colorido quando carregamento do veículo está em processo, e outra quando a carga está completa. Numa versão avançada ele pode ter um mostrador colorido que apresenta as mesmas sinalizações e funções extra, como informar o limite e corrente elétrica e a corrente elétrica efetivamente consumida, além de novos botões para uma operação avançada.

As Estações de Carregamento Domésticas podem ser projetadas, ainda, para interagir em aplicações  utilitárias de rede inteligentes, permitindo a comunicação com a estação remota de alimentação, para gerenciar a carga, preços e outras variáveis. Todavia, essa função ainda não está disponível no Brasil para consumidores residenciais.

Características das Estações de Carregamento Domésticas:

E altamente recomendável que as Estações de Carregamento Domésticas sejam montadas em Gabinetes construídos para o uso interno ou externo, fornecendo um Grau de Proteção para Invólucros de Equipamentos Elétricos IP 65 (NBR 6146, DIN 40050, IEC 529 e ABNT NBR IEC 60529:2005 versão corrigida 2011).

• ao pessoal, contra o acesso e completa contra contato a partes perigosas internas ao invólucro;
• do equipamento contido no interior do invólucro, contra a entrada de objetos sólidos estranhos (totalmente protegido contra queda e sujeira e poeira trazida pelo vento);
• no que diz respeito aos efeitos nocivos sobre o equipamento que não devem ser danificados devido à entrada de água até por meio de jato d'água dirigido (ou ainda chuva, granizo e neve).

Um designe de gabinete de visual esteticamente bonito pode ser interessante do ponto de vista comercial, todavia, as proteções são fundamentais.

Um gabinete após ser furado e rasgado para passar os cabos e alojar botões, sinalizadores e mostradores deve manter o grau de proteção e os componentes adotados, portanto, devem o mesmo grau.

Há quatro principais dispositivos de segurança incorporados as Estações de Carregamento (EVSE) inteligentes "Smart" que as tornam "a prova de idiotas", permitindo uma operação segura. Estes dispositivos são:

• Intertravamento de conexão;
• Dispositivo de Interrupção do Circuito de Carregamento;
• Dispositivos de Monitoramento para Denergização automática, e;
• Intertravamento de Ventilação.

Enquanto cada dispositivo tem uma função específica, eles trabalham em conjunto como um sistema para fornecer um evento de carregamento seguro e eficiente.

Dispositivo de Interrupção do Circuito de Carga: dentro da estação existe uma proteção adicional  àquela provida pelo Interruptor DR, que também detecta falha por fuga de corrente à terra causando desligamento da saída totalmente automático.

Serviço Monitor do Aterramento: Constantemente verifica a presença do condutor de aterramento de segurança adequada. Faltando o condutor de aterramento, a saída também é desligada, automaticamente.

Se, ao tentar iniciar o carregamento, faltar uma das fases na saída ou se ela vier a faltar durante o carregamento, a saída é, igualmente, totalmente desligada.

Se antes mesmo de se conectar um VE, houver, de antemão, uma ou ambas as fases presentes na saída, uma condições anômala que pode ocorrer por um defeito do relé principal entrar em curto, a estação de carregamento entra em alerta de falha e não permitirá o carregamento, sequer detectando a presença do VE, caso seja conectado a ela.

Religamento: software inteligente que automaticamente autoverifica o sistema e reinicia o carregamento após uma queda de energia na rede elétrica, para completar a carga, bastando que o VE permaneça conectado a ela(6);

Realiza integralmente todo o protocolo da função “PILOTO”, que é a função pertinente ao protocolo SAE J1772. A especificação técnica desta função foi descrita inicialmente na versão de 2001 da SAE J1772 e, posteriormente, na IEC 61851 que estabelece a sequência de detecção de conexão entre o Veículo  (PEV - Plug-in Electric Vehicle) e a Estação de Carregamento (EVSE - Electric Vehicle Supply Equipment ou Equipamentos de Abastecimento Veículo Elétrico).

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

O Conector J1772 Macho possui um sensor do tipo micro-chave, embutido em seu corpo (ver "PROX. DET" no diagrama elétrico da EVSE completa apresentado anteriormente), que atua quando este conector, que se encontra na extremidade final do cabo de energia / controle da EVSE, é manualmente engatado ao Portal de Carregamento do PEV (Conector J1772 Fêmea ou Conector J1772 Combo Fêmea).

O Protocolo SAE J1772 permite descartar a eventual necessidade de eletrônica de circuitos integrados mais complexos e caros, que seriam necessários para outros protocolos de carga, como o CAN Bus, usado com os carregadores CHAdeMO ou EnergyBus.

O SAE J1772 é considerado robusto o suficiente para operação numa gama de temperatura de -40°C até +85°C, e se tornou (praticamente) o padrão mundial em EVSEs domésticas e, obviamente, nos PEVs, que possuem, ou dois conectores (J1772 + ChaDeMo), ou um único conector COMBO (que engloba, em si, o J1772, para carregamento em CA e pinos extra, para carregamentos CC).

Por isso, notadamente estações de carregamento de uso doméstico (carregamento CA), com corrente de carregamento ≤ 80 Ampères (carregamento lento para vida longa da bateria), todas (exceto, parcialmente, casos particulares da Europa) empregam, atualmente, conectores J1772.

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

A sequência de sinalização na comunicação entre o VE e a estação de carregamento Nível 2, e os eventos a ela associados, são para garantir a segurança do usuário e do equipamento envolvido, ao longo de toda a operação de carregamento.

Em cada etapa ela  verifica se há "nenhuma chance" de prejuízo da segurança para o usuário ou para o equipamento, ANTES de ligar o relé de estado solido que libera a corrente principal para o carregamento.

Já, durante a etapa da operação de carregamento, quando a corrente principal do carregamento se torna ativa, o mesmo protocolo serve, também, para manter o Carregador Embarcado no VE condicionado ao limite da corrente máxima que pode ser oferecido pela estação de carregamento.

Enquanto o cabo ainda estiver desconectado, o sinal de controle "PILOTO", no lado da estação de carregamento, apresenta um valor de tensão de 12V. Isso permite que a estação saiba que ela está desconectada, enquanto que, no lado do VE, um nível lógico alto presente no sinal "PROX DET" é o que significa que ele também está desconectado.

As Funções de Controle "PILOTO" começam por se conectar o cabo corretamente e, então, dois eventos ocorrem, praticamente simultaneamente, seguidos por uma serie de outros eventos que são consequentes:

• O  VE detecta que o cabo da estação de carregamento está conectado (pela ação da micro chave "PROX DET", que se encontra embutida no conector do cabo). A micro chave deve fechar apenas se o cabo estiver firmemente conectado. Assim o sinal "PROX DET" muda de estado, indo para um nível lógico baixo e, com isso, o VE entra no "Modo de Ignição Bloqueada", de modo que ele não poderá mais se mover;

• Como a Estação de Carregamento pode, agora, enviar a sua tensão de 12V via o sinal de controle "PILOTO" para lado do VE, isso indicaria que ela está em um "estado de prontidão". No entanto, imediatamente, devido ao divisor de tensão resistivo que se forma em virtude da conexão fechada com o VE, a tensão presente no sinal de controle "PILOTO" é modificada, fazendo com que a tensão caia de 12V para 9V. Isso é necessário e suficiente para que a Estação de Carregamento detecte a presença do VE;

Dai em diante, o sistema ficará no aguardo de uma decisão da parte do VE, que poderá solicitar ou não, o início efetivo do carregamento (o carregamento estará em modo de espera) e poderá permanecer neste estado indefinidamente.

Se o controlador do carregador embarcado do VE estiver previamente configurado para seguir um cronograma de horários, de um modo que faça com que ele aguarde antes solicitar o início do carregamento, então o carregamento poderá ser realizado em um momento do dia mais propício, objetivando o menor custo da energia e, também, para não sobrecarregar a fiação elétrica da residência e todo o sistema elétrico interligado.

Quando o VE decide solicitar o inicio do carregamento, ele comuta o relé K1, o que faz alterar a resistência existente entre a linha do sinal de controle "PILOTO" e a referência (TERRA ou GND) (vide diagrama equivalente apresentado anteriormente).

Como existe alguns tipos de bateria de VE antigas que requerem ventilação do ambiente por liberarem gases, a Solicitação de Carregamento pode ser feita em duas diferentes modalidades: Com Ventilação do Ambiente Requerida (o resistor R3 no VE é de 270 Ω) e Sem Ventilação do Ambiente (resistor R3 no VE é de 2,74 kΩ). Assim:

• O Carregamento é solicitado e, conjuntamente, o Requisito de Ventilação é determinado pelo VE, com o VE rebaixando a tensão na linha PILOTO de 9V para 6V (carregamento sem ventilação) ou de 9V para 3V (carregamento com ventilação);

• A informação a cerca da Máxima Corrente que poderá ser disponíbilizada a partir da Estação de Carregamento durante o carregamento é fornecida para o VE, com a Estação de Carregamento enviado um sinal PWM de 1kHz pela linha PILOTO. Isso é feito pela comutação do relé K2;

• Não havendo nenhuma condição de falha presente, a estação de carregamento liga o relé principal, liberando a corrente de carregamento, e irá mantê-lo ligado, indefinidamente.

A Estação de Carregamento desligará, imediatamente, o relé principal, somente no caso em que ela se encontre em alguma das duas condições de falha:

1. Fuga da corrente de carregamento para a terra;
2. Falta de uma ou de ambas as fases na Saída (ou do GND, aterramento PE);

Assim, o carregador embarcado do VE assume o comando do fluxo de energia do carregamento que, enfim, se estabelece. Note que, com o sinal de PWM de 1kHz, a estação de carregamento determina apenas o limite para a Corrente Máxima, mas quem, efetivamente, comandará a demanda de corrente (dentro daquele limite) durante a operação de carregamento é o Carregador Embarcado do VE.

Durante todo o tempo da operação de carregamento, tanto o VE quanto o Equipamento de Abastecimento estarão, ambos, monitorando a continuidade do condutor de aterramento de segurança (GND);

A Operação de Carregamento pode ser interrompida, a qualquer tempo, por, simplesmente, desconectar o Plugue do veículo. Também é interrompida se ocorrer uma condição falha, a qualquer tempo, ou, obviamente, se houver queda da rede de energia elétrica local.

Como os VEs são obrigados a ter um bloqueio que desativa a ignição, enquanto um VE permanecer conectado a uma estação de carregamento, o motor dele não poderá ser ligado, enquanto que, o freio de estacionamento do VE, permanece automaticamente acionado, bloqueando as rodas do carro, impedindo a sua locomoção.

Para segurança da operação, se acontecer alguma coisa para interromper a conexão, como um usuário liberando a trava do conector, por exemplo, o potencial de energia presente nos terminais elétricos do conector do cabo da estação é cortado imediatamente, pelo imediato desligamento do relé principal, ambos os lados da rede elétrica CA são removidos.

A interação entre a estação e o operador humano, é feita com o emprego de sinalizadores luminosos individuais (LEDS ou LED RGB Pronto / Conectado / Carregando e Falha) ou e um LCD Multicolorido (RGB), que apresenta 2 linhas x 16 caracteres, que mostra o Valor da Corrente Nominal da Estação, que é a corrente máxima que o VE está autorizado a extrair, que depende da capacidade do relé contator principal da estação e do dimensionamento de toda a instalação elétrica por onde a estação se alimenta.

A mudança da cor do fundo do LCD é usada para produzir sinalização luminosa dos estado e alertas, pertinentes a operação da EVSE, quanto ao protocolo SAE J1772, dispensando o emprego de múltiplos LEDs ou de um LED RGB extra. Botões de partida / parada, sequer são necessários, obrigatoriamente.

Serviço Entrada: 208V a 240V e Saída para o Carregamento: 30A ou 45A, bifásica a três fios: Fase + Fase + PE

O equipamento deve ser testado sob rigorosas normas automotivas e é adequado tanto para uso interior ou quanto exterior, estando alojada em uma caixa plástica ou de alumínio resistente, com revestimento por pintura em pó e acabamento para durabilidade e longa vida. A estação de carga pode ser montado na parede ou pode ser configurado com um suporte autoportante.

Outras características opcionais são:

Medição da Corrente Elétrica efetivamente entregue durante o carregamento.

Entrada de Controle Externo que permite o controle externo por Medidores Inteligentes de faturamento, ou dispositivo de gestão de carga.

Tempo de atraso para permitir a re-energizar a estação após uma eventual queda de energia na rede.

Notas:

(1)  Em março/2012 aconteceu uma reunião em São Paulo para reativação da comissão de estudos da ABNT denominada CE 03.64:01, que é a responsável pela revisão do texto daquela norma. A meta seria publicar a nova edição do documento até o final de 2012, mas, em condições normais, seria bastante realista imaginar que tal tarefa leve cerca de dois a três anos para ser concluída, até por que os trapalhos tendem a ser sucessivamente atropelados por algumas mudanças ocorrendo no mundo, entre elas, eu suponho, esteja a questão do carregamento doméstico de VEs. Até a presente data, continua valendo a ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida : 2008.

(2) O Interruptor DR mede permanentemente a soma vetorial das correntes que percorrem os condutores de um circuito. Se o circuito elétrico estiver funcionando sem problemas, a soma vetorial das correntes nos seus condutores é praticamente nula. Ocorrendo falha de isolamento em um equipamento alimentado por esse circuito, irromperá uma corrente de falta à terra. Quando isto ocorre, a soma vetorial das correntes nos condutores monitorados pelo DR não é mais nula e o dispositivo detecta justamente essa diferença de corrente. Da mesma forma, se alguma pessoa vier a tocar uma parte viva do circuito protegido, a corrente irá circular pelo corpo da pessoa, provocando igualmente um desequilíbrio na soma vetorial das correntes. Este desequilíbrio será também detectado pelo DR tal como se fosse uma corrente de falta à terra.

(3) Condutor PEN, referido na norma brasileira de eletricidade ABNT NBR 5410, é um acrônimo o inglês "Protective Earth and Neutral" e significa que não há distinção física entre os condutores de Neutro (N) e de Aterramento (PE, Protective Earth), ou seja, eles são, de fato, um único e mesmo condutor (sistema TN-C). No entanto, a situação tecnicamente ideal é que os condutores de Neutro (N) e de Aterramento (PE, Protective Earth) sejam, fisicamente, independentes (sistema T-S), conforme o diagrama a seguir (onde A, B e C são fases, sugerindo um sistema trifásico).

Este tem sido o padrão internacionalmente recomendado para melhor proteção e segurança, buscado como prática, principalmente nos países mais desenvolvidos mas, infelizmente, ainda está longe da realidade brasileira. Entretanto, mesmo em países desenvolvidos, onde a infraestrutura do sistema elétrico de distribuição é enorme como, por exemplo, os EUA, os engenheiros são reticentes e não costumam colocar um ponto final, quando tratam desse assunto, pelos altos custos envolvidos. Outrossim, por razões de corte de custos, por usar um condutor a menos, desde o principio, tanto ao nível das redes e distribuição de baixa tensão das empresas concessionárias brasileiras, quanto, conseguintemente, ao nível das instalações elétricas residenciais, adotou-se fazê-los combinados em um único condutor  (sistema TN-C), conforme o diagrama:

A questão sobre o esquema acima é: Onde se encontra instalado o eletrodo que provê o aterramento e o quê ele efetivamente protege? Se não em todos mas, na grande maioria dos casos, como o transformador de distribuição é aterrado apenas do lado primário, o aterramento secundário está apenas no interior das residências. O sistema TN-C requer um ambiente eficaz de equipotencial dentro da instalação elétrica da residência, com eletrodos de terra dispersos, espaçados tão regularmente quanto possível, uma vez que o condutor PEN é tanto o condutor neutro e, ao mesmo tempo que transporta correntes de fase de desequilíbrio, bem como as correntes harmônicas de ordem 3 (e seus múltiplos), muito embora, em geral, em cada residência, apenas uma haste de aterramento seja exigida.

Muito embora muitas residências ainda disponham apenas de antigas pontos de tomada bipolares, no sistema TN-C, a "função de condutor de proteção" deveria ter, sempre, prioridade sobre a "função neutro". Em especial, o condutor PEN deveria ser sempre ligado ao terminal de ligação à terra (massa) das cargas (dos equipamentos elétricos consumidores utilizados nas residências) e uma ligação em ponte ser usada para conectar este terminal para o terminal de neutro.

Além do mais, em redes elétricas TN-C, dispositivos de corrente residual (interruptores DR) são muito menos propensos a detectar um defeito de isolamento, com o agravante, ainda de ser muito vulnerável a disparos indesejados de contato entre os condutores de terra de circuitos em  interruptores DR diferentes com aterramento local. Além disso, os interruptores DR geralmente isolam o centro neutro e, uma vez que é inseguro fazer isso em um sistema TN-C, IDRs em sistemas TN-C devem ser ligados, apenas, para interromper os condutores vivos. A somatória destes motivos acaba por tornar impraticável o uso de IDRs em sistema TN-C.

(4) Buscando minimizar os problemas descritos acima, a Norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008 em seu item 5.4.3.6 diz: "Em toda edificação alimentada por linha elétrica em esquema TN-C, o condutor PEN deve ser separado, a partir do ponto de entrada da linha na edificação, ou a partir do quadro de distribuição principal, em condutores distintos para as funções de neutro e de condutor de proteção. A alimentação elétrica, até aí TN-C, passa então a um esquema TN-S (globalmente, o esquema é TN-C-S)." Conforme diagrama a seguir:

Mas isso não resolve plenamente o problema, pois, algo que os sistemas TN-C e TN-C-S têm em comum, qualquer ligação entre o centro combinado neutro-terra e a massa efetiva de terra dos equipamento pode acabar carregando corrente significativa, mesmo em condições normais, e poderia conduzir, mais ainda, em uma situação de neutro partido. Em sistemas monofásicos onde a terra e neutro são combinadas (TN-C, e a parte de TN-C-S sistemas que utiliza um centro combinado neutro e terra), se houver um problema de contato no condutor PEN, então todas as partes do sistema de ligação à terra para além do intervalo do seccionamento, subirá para o potencial do condutor de linha. Semelhantemente, em um sistema de multi-fase desequilibrado, o potencial do segmento de ligação de aterramento seccionado irá avançar no sentido do potencial do condutor vivo mais carregado.

Portanto, os principais condutores de ligação equipotencial devem ser dimensionado com isso em mente e, ainda por tais motivos, o uso de TN-C-S não é aconselhável em situações como postos de gasolina (que poderão vir a ser também postos e abastecimento de VEs), onde há uma combinação de vários recipientes metálicos enterrados e gases explosivos.

(5) Placas fotovoltaicas convertem, diretamente, a energia luminosa em energia elétrica. Os painéis fotovoltaicos são compostos por estruturas chamadas células fotovoltaicas, que têm a propriedade de criar uma diferença de potencial elétrico por ação da luz. O efeito fotovoltaico faz com que essas células absorvam a energia do sol e façam a corrente elétrica fluir entre duas camadas com cargas opostas.

Os materiais mais frequentemente usados para a fabricação destas células são o silício cristalino e o arsenieto de gálio, formando cristais, que são posteriormente cortados em pequenos discos polidos, que são os pequenas circunferências que podemos ver nos painéis. Com a adição de fósforo e condutores metálicos, formam-se as células, que são posteriormente fixadas no painel rígido ou flexível e que recebe uma placa de vidro na face frontal para proteção das células.

Quando as partículas da luz solar (fótons) colidem com os átomos dos materiais da célula, provocam a liberação de elétrons, gerando a corrente elétrica, usada para carregar uma bateria. Cada metro quadrado de coletor pode fornece em torno de 170 Watts.

(6) Se houver queda de energia elétrica da residência, seja durante o carregamento, ou seja durante o Carregamento em Espera, após sanado o problema da queda de energia, a EVSE retornará a condição de Carregamento em Espera, de modo que caberá ao VE decidir se ele deseja receber mais carga ou não.

(7) Riscos de Gás de Hidrogênio em Locais de Carregamento de Baterias:

Hidrogênio e oxigênio podem ser produzidos a partir de uma bateria quando ela está sendo carregada. Com isso, uma fonte de ignição - por exemplo, uma chama, uma faísca, um cigarro ou qualquer objeto quente, material elétrico, um telefone celular - muitas vezes podem causar que as misturas destes gases inflamem e explodam. A explosão é muitas vezes tão violenta que destrói a bateria e produz lançamento de fragmentos altamente perigoso e produtos químicos corrosivos.

Hidrogênio e oxigênio são produzidos mais rapidamente a medida que bateria fica perto de ser totalmente carregada. Se continuar a carregar quando a bateria estiver totalmente carregada, uma grande quantidade de gás será produzido, aumentando o risco de explosão.

Durante o carregamento, as bolhas de gás, muitas vezes tornam-se presos no interior da bateria. A mistura de duas partes de hidrogênio para uma parte de oxigênio produzido é perfeito para uma explosão. Quando uma bateria é ventilada, os gases aprisionados no pacote são libertados para o ar em torno. Uma pequena faísca é tudo o que é necessário para inflamar esses gases. Se isso acontecer em um espaço confinado (por exemplo, dentro da bateria ou em um gabinete ou sala de baterias com pouca ventilação), uma violenta explosão é muito provável de ocorrer.

Os gases que saem de uma bateria de chumbo / ácido ventilada durante a carga, muitas vezes contêm uma fina névoa de ácido sulfúrico. Tome cuidado para evitar inalar esses gases, e use óculos de proteção adequado.

Porque o oxigênio e hidrogênio são liberados durante o reforço de carga ou sobrecarga e o risco resultante, é necessário ser avaliado a operação de carregamento sob os padrões de segurança adequados e, por equipamento de carga fabricados para atender os padrões de requisitos de segurança adequados. Estes são chamados de "carregadores inteligentes", considerados "inteligentes" porque eles se comunicam com o VE, antes e durante o carregamento para detectar quaisquer anomalias que possam afetar a segurança ou o equipamento.

Ventilador típico para operação de carregamento de baterias gaseificadoras

Em EVs comercializados por grandes fabricantes de automóveis, baterias avançadas são usadas (íons de lítio), que não geram gás hidrogênio e podem, seguramente, serem carregadas em um ambiente não ventilado, interior. Baterias que necessitam de ventilação, como as baterias imersas em solução, de chumbo-ácido ou de níquel-ferro baterias, tornaram-se a exceção mas, para evitar criar uma situação em que o gás hidrogênio pode coletar em um espaço fechado, como uma garagem, as normas, em geral, exigem um intertravamento de ventilação.

O intertravamento de ventilação realiza três funções, a fim de atender às exigências necessárias. Em primeiro lugar, ele consulta o veículo para determinar se o veículo necessita de ventilação durante o carregamento. Em segundo lugar, o mesmo determina se a EVES pode fornecer tal ventilação. Finalmente, se a ventilação está disponível, garante que a ventilação opere efetivamente durante o processo de carregamento inteiro.

Três cenários ilustram como o intertravamento de ventilação opera:

1) Se uma estação de carregamento tem o dispositivo de ventilação incluído no sistema, em seguida, o intertravamento permitirá que tanto um veículo usando baterias de gaseificadora, quanto um veículo de bateria não gaseificadora seja carregado.

2) Se uma estação de carregamento está localizada no exterior, onde não há ventilação natural suficiente, o intertravamento pode permitir que qualquer dos dois de veículos sejam carregados.

3) Todavia, se a ventilação não está incluída no sistema, o intertravamento permitirá, apenas, que veículo usando baterias de gaseificadora seja carregado, mas não um veículo gaseamento.

O bloqueio de ventilação deve garantir ao proprietário que os gases hidrogênio, se gerado, não irá se recolher em espaços fechados, independentemente do tipo de bateria ou de veículo. No caso de veículo usando baterias de gaseificadora, a estação de carregamento só libera energia se e enquanto a ventoinha da ventilação esteja operante. Esta garantia é importante no sentido que ela prevê o sucesso de mercado de longo prazo de VEs produzidos comercialmente.

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