Veículo elétrico ligado

Enquanto o mundo se prepara para desencadear uma revolução EV, ainda é verdade que a taxa de adaptação é lenta. Os veículos elétricos (VEs), apesar de serem um meio de transporte mais ecológico, suave e barato, ainda não parecem ser práticos. O motivo são duas palavras, Custo e Ecossistema. Atualmente os EVs estão com preços substancialmente iguais aos carros a gasolina, tornando-os uma escolha menos significativa para os compradores. O avanço na tecnologia de bateria e os esquemas do governo devem reduzir o custo do EV no futuro.

A segunda parte seria, não existe um ecossistema adequado para os compradores usarem um veículo elétrico sem muitos problemas. Com “Ecossistema” estou me referindo às estações de carregamento para carregar seu EV quando você ficar sem bateria. Imagine usar um veículo a gasolina quando você não tem postos de gasolina em sua cidade e o único lugar onde você pode reabastecer é em casa, adicionando a isso você precisará de um mínimo de 6 a 8 horas para carregar um VE típico. Muitas empresas como Tesla, EVgo, ponto de carga, etc, já reconheceram este problema ao instalar estações de carga em todo o país. Com países como a Holanda, que prometeu desistir dos motores a gasolina em 2035, é certo que as estradas do futuro serão substituídas por VEs em vez de motores de combustão interna e muitas estações de carregamento de VEs apareceriam ao nosso redor.

Mas, como funcionam as estações de carregamento de EV ? Uma única estação de carregamento pode carregar todos os tipos de veículos elétricos? Quais são os tipos de carregadores para veículos elétricos ? Quais protocolos são seguidos para carregadores EV? Neste artigo, discutiremos a resposta para todas essas perguntas e também compreenderemos o que constitui uma Estação de Carregamento de Veículos Elétricos e os subsistemas por trás dela. Antes de prosseguir, você deve ler sobre as baterias usadas em veículos elétricos e como funciona o sistema de gerenciamento de baterias dentro de veículos elétricos.

Equipamento de abastecimento de veículos elétricos (EVSE)

Os equipamentos que constituem uma Estação de Carregamento de Veículos Elétricos são denominados coletivamente como Equipamentos de Fornecimento de Veículos Elétricos (EVSE). O termo é mais popular e refere-se apenas às estações de carregamento. Algumas pessoas também se referem a isso como ECS, que significa estação de carregamento elétrica.

Um EVSE é projetado e desenvolvido para carregar uma bateria usando a grade para fornecimento de energia; essas baterias podem estar presentes em um veículo elétrico (EV) ou em um veículo elétrico plug-in (PEV). A alimentação, o conector e o protocolo para esses EVSE variam com base no design que discutiremos neste artigo.

Carregadores de bordo e estações de carregamento

Antes de entrarmos nas estações de carregamento, é importante entender o que está presente dentro do EV e a qual parte o carregador será conectado. A maioria dos EVs hoje vem com um carregador integrado (OBC) e o fabricante também fornece um carregador junto com o veículo. Esses carregadores, juntamente com o carregador de bordo, podem ser usados ​​pelo cliente para carregar seu VE na tomada elétrica de sua casa assim que ele chegar em casa. Mas esses carregadores são muito básicos e não vêm com recursos avançados e, portanto, normalmente levam cerca de 8 horas para carregar um EV típico.

Tipos de estações de carregamento de EV (EVSE)

As estações de carregamento podem ser classificadas em dois tipos, Estação de carregamento CA e Estação de carregamento CC.

Uma estação de carregamento AC, como o nome indica, fornece energia AC da rede para o EV, que é então convertido em DC usando o carregador de bordo para carregar o veículo. Esses carregadores também são chamados de carregadores de nível 1 e nível 2, que são usados ​​em locais residenciais e comerciais. A vantagem de uma estação de carregamento CA é que o carregador de bordo regulará a tensão e a corrente conforme necessário para o EV, portanto, não é obrigatório que a estação de carregamento se comunique com o EV. A desvantagemé a sua baixa potência de saída que aumenta o tempo de carregamento. Um sistema de carregamento AC típico é mostrado na imagem abaixo. Como podemos ver, o CA da rede é fornecido diretamente ao OBC por meio de EVSE, o OBC então o converte para CC e carrega a bateria por meio do BMS. O fio piloto é usado para detectar o tipo de carregador conectado ao EV e definir a corrente de entrada necessária para o OBC. Discutiremos mais sobre isso mais tarde.

Uma estação de carregamento DC obtém energia AC da rede e a converte em voltagem DC e a usa para carregar a bateria diretamente, ignorando o carregador integrado (OBS). Esses carregadores normalmente produzem alta tensão de até 600 V e corrente de até 400 A, o que permite que o EV seja carregado em menos de 30 minutos, em comparação com 8-16 horas no carregador AC. Eles também são chamados de carregadores de nível 3 e comumente conhecidos como DC Fast Chargers (DCFC) ou Super Chargers. A vantagem deste tipo de carregador é seu tempo de carregamento rápido, enquanto a desvantagem é sua engenharia complexaonde ele precisa se comunicar com EV para carregá-lo com eficiência e segurança. Um sistema de carregamento DC típico é mostrado abaixo, como você pode ver que o EVSE fornece DC diretamente para o pacote de bateria, ignorando o OBS. O EVSE é organizado em pilhas para fornecer alta corrente; uma única pilha não será capaz de fornecer alta corrente devido às limitações do interruptor de alimentação.

Normalmente, os carregadores de Nível 1 são destinados para uso residencial, estes são os carregadores fornecidos pelos fabricantes junto com o EV, que podem ser usados ​​para carregar o EV através de tomadas de energia padrão. Assim, eles funcionam com alimentação CA monofásica e podem produzir em qualquer lugar entre 12A a 16A e levam cerca de 17 horas para carregar um EV de 24kWH. Um carregador de nível 1 não tem muita função nas estações de carregamento.

O carregador de nível 2 é fornecido como uma atualização para o carregador de nível 1 , podendo ser instalado internamente, mediante solicitação especial, desde que a residência tenha fonte de alimentação de fase dividida, ou também pode ser usado em estações de carregamento públicas / comerciais. Esses carregadores podem fornecer corrente de saída de até 80A devido à sua alta tensão de entrada e podem carregar um EV em 8 horas. O carregador de nível 3 ou os carregadores Super destinam-se apenas a estações de carregamento públicas. Eles exigem entrada CA polifásica da rede e consomem mais de 240 kW, quase 10 vezes mais do que uma unidade de ar condicionado típica em nossa casa. Portanto, esses carregadores requerem permissão especial da rede para operar.

Os carregadores de Nível 2 e Nível 3 são considerados mais eficientes do que o carregador de Nível 1, pois a conversão CA / CC e CC / CC ocorre no próprio EVSE. Devido ao enorme tamanho e complexidade dos carregadores de Nível 2 e Nível 3, eles não podem ser construídos dentro de um EV, pois isso aumentaria o peso e reduziria a eficiência do EV.

Tipo de estação de carregamento	Nível do Carregador	Tensão e corrente de alimentação CA	Poder do carregador	Hora de carregar uma bateria de 24 kWH
Estação de carregamento AC	Nível 1 - Residencial	Monofásico - 120 / 230V e ~ 12 a 16A	~ 1,44 kW a ~ 1,92 kW	~ 17 horas
Estação de carregamento AC	Nível 2 - Comercial	Fase dividida - 208 / 240V e ~ 15 a 80A	~ 3,1 kW a ~ 19,2 kW	~ 8 horas
Estação de carregamento DC	Nível 3 - Supercharger	Monofásico - 300 / 600V e ~ 400A	~ 120 kW a ~ 240 kW	~ 30 minutos

Tipos de conectores de carregamento EV

Assim como os europeus operam a 220 V 50 Hz e os americanos operam a 110 V 60 Hz, os EVs também têm diferentes tipos de conectores de carregamento de acordo com o país em que são fabricados. Isso gerou confusão entre os fabricantes de ESVE, já que eles não podem ser universais facilmente para todos os EVs. As principais classificações de conectores para carregadores CA e carregadores CC são fornecidas abaixo.

Tomadas de carregamento CA para veículos elétricos:

Entre os três, o tipo mais comum de tomada de carregamento AC é a tomada JSAE1772, que é popular na América do Norte. Como você pode ver, o plugue / conector tem várias conexões, os três pinos largos são para fase, neutro e terra, enquanto os dois pinos pequenos são usados ​​para comunicação entre o carregador e o EV (interface do piloto), discutiremos mais sobre isso posteriormente. O Mennekes ou VDE-AR-E é usado na Europa para o sistema de carregamento CA trifásico e, portanto, pode produzir alta potência de até 44kW. O Le-Grand também é uma tomada semelhante com obturador de segurança para evitar que detritos entrem na tomada de carregamento. De acordo com os padrões técnicos, apenas os soquetes HSAE 1772 e VDE-AR-E são sugeridos para serem usados ​​em todos os carregadores CA do futuro.

Tomadas de carregamento DC para veículos elétricos:

No lado do carregador DC, temos a tomada do carregador CHAdeMO, que é o tipo de tomada mais popular. Foi introduzido pelo Japão e logo adaptado pela França e Coréia. Hoje, a maioria dos EVs, como o Nissan Leaf, Kia, etc., têm esses tipos de tomadas. O soquete possui dois pinos largos para os trilhos de energia DC e pinos de comunicação para o protocolo CAN. Como sabemos, os carregadores DC de nível 3 não usam o carregador integrado e, portanto, precisam fornecer a tensão e a corrente necessárias para a bateria do EV. Isso é feito estabelecendo um link de comunicação (link Pilot) através do protocolo Control Area Network (CAN) com o BMS do pacote de bateria. O BMS então instrui o carregador para iniciar o processo de carregamento, monitora-o e solicita que o carregador pare de carregar.

Os carros Tesla têm seus próprios tipos de carregadores chamados de super carregadores e, portanto, têm seus próprios tipos de conectores, conforme mostrado acima. Mas eles vendem um adaptador que pode converter sua porta para carregar com CHAdeMO ou carregadores CSS. O carregador CDD é outro soquete de carregador popular que combina os tipos de carregadores AC e DC. Como você pode ver na imagem, o carregador é dividido em dois segmentos para suportar DC e AC. Pode suportar CAN e Power Line Communication (PLC) e é amplamente utilizado em carros europeus como Audi, BMW, Ford, GM, Porsche, etc. Pode suportar até 400kW de saída DC e 43kW AC.

EVSE AC Charging Station - Level 1 e Level 2 Chargers

A estação de carregamento de nível 1 e nível 2 simplesmente tem que fornecer energia CA para o carregador de bordo em um veículo elétrico que cuidaria do processo de carregamento; isso pode parecer à primeira vista. Mas eles têm a responsabilidade de provar a quantidade certa de energia da rede, conforme exigido pelo pacote de bateria EV, comunicando-se com ele através do fio do piloto. Os subsistemas presentes em uma estação de carregamento CA típica representada no documento TI Training são mostrados abaixo.

Os carregadores de nível 1 têm uma corrente de saída máxima de 16 A devido às limitações dos soquetes de energia doméstica, enquanto os carregadores de nível 2 podem fornecer até 80 A quando operados em alimentação trifásica. Os carregadores de CA de Nível 1 e Nível 2 normalmente usam os conectores de plugue padrão SAEJ1772.

Como você pode ver, a linha de alimentação CA (L1 e L2) está conectada ao conector J1772 por meio de um relé. Este relé será fechado para iniciar o processo de carregamento e aberto quando o carregamento for concluído. A comunicação do sinal do piloto é usada para detectar o status da bateria e o sistema de processamento do host decide quanta energia deve ser fornecida ao carregador de bordo. Vamos discutir