Veículos Automotivos Movidos a Eletricidade, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

Baixe Veículos Automotivos Movidos a Eletricidade e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! Veículos Automotivos Movidos a Eletricidade O Nissan LEAF em Testes no Brasil: A Nissan introduziu seu primeiro veículo puramente movido a bateria elétrica (EV – Electric Vehicle), o Altra Nissan, no Salão do Automóvel Internacional de Los Angeles, em 29 de Dezembro de 1997. O Altra EV foi produzido entre 1998 e 2002 e apenas cerca de 200 veículos foram produzidos, e foi usado principalmente como veículo de frota para empresas como concessionárias de energia elétrica. A Nissan também desenvolveu o Hypermini Nissan, realizando um programa de demonstração e vendeu um número limitado para frotas governamentais e empresariais no Japão, entre 1999 e 2001. Uma pequena frota de Hyperminis, também foi testado no terreno em várias cidades da Califórnia entre 2001 e 2005. Lançado em 2009, o protótipo do carro elétrico EV-11 foi baseado no Tiida Nissan (Versão da América do Norte), mas com o motor a gasolina convencional substituído por um sistema de transmissão totalmente elétrico, e incluiu um motor elétrico de 80 kW (110 CV) / 280 N·m e uma bateria de Lítio-ion de 24 kW·h, especificada para prover uma autonomia de 175 km (109 milhas), sobre o regime do United States Environmental Protection Agency LA-4, para condução na cidade. Dispõem de sistema de navegação, com controle e monitoramento remoto, através de uma conexão via celular através do centro de dados e segurança da Nissan. A tecnologia do EV-11 tinha sido previamente desenvolvida e testada nos carros de teste EV-01 e EV-02, construídos com uma motorização totalmente elétrica, usando o sistema de transmissão do Nissan Cube (Z11) como base de desenvolvimento. O protótipo do EV-11 esteve em exposição em 26 de julho de 2009. Uma semana depois, em 02 de agosto de 2009, a Nissan apresentou sua versão de produção em sua sede em Yokohama, comprometendo-se em iniciar as vendas no varejo, tanto no mercado norte-americano quanto no do Japão no final de 2010. O fruto desse desenvolvimento resultou no Nissan LEAF, denominação sugestiva que tanto pode significar “Folha”, como também um acrônimo para “Leading, Environmentally friendly, Affordable, Family car”. O LEAF é um carro totalmente elétrico, Hatch de cinco portas, com porta malas traseiro e foi introduzido no Japão e nos Estados Unidos em dezembro de 2010. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 1 A autonomia oficial, apurada pelos funcionários da Agência de Proteção Ambiental dos EUA é de 117 km (73 milhas), com um consumo de energia de 765 kJ por quilômetro (21,25 kW·h/100 km) e a economia de combustível poupado é avaliada em 1 galão de gasolina a cada 99 milhas (o equivalente a 2,38 litros a cada 100 km). Já, o New European Driving Cycle apurou a autonomia do LEAF em 175 km (109 mi). As entregas aos clientes começou nos Estados Unidos e Japão no final de 2010, na Irlanda e no Reino Unido no início de 2011. Em novembro de 2011, as entregas do LEAF também se iniciaram no Canadá, França, Portugal, Holanda, Noruega, Espanha e Suíça. As vendas na Bélgica estão agendados para o final de 2011, na Dinamarca no início de 2012, e disponibilidade no mercado mundial está prevista para 2012. A disponibilidade inicial é limitada em quantidade e para mercados selecionados. Produção dos EUA começará em 2012, e a produção do Reino Unido está prevista para 2013. Em Outubro/2011, a Nissan vendeu 849 unidades do LEAF nos EUA, e no acumulado do ano 8.048 exemplares já estavam rodando sem emissão de CO2. Desde que foi lançado no mercado norte americano, o LEAF vendeu mais do que o Chevrolet VOLT, provando que o consumidor norte americano não ficou intimidado pela limitação de alcance do carro elétrico japonês. Como um carro totalmente elétrico, o Nissan LEAF não produz poluição tubo de escape ou emissões de gases de efeito estufa no ponto de operação, e reduz a dependência do petróleo. Desde dezembro de 2010, mais de 27.000 LEAFs foram vendidos no mundo até abril de 2012. Os mercados mais vendidos são o Japão, com 13.000 unidades, nos Estados Unidos, com mais de 11.000 unidades, e na Europa com 3.000 unidades, liderado pela Noruega com mais de 1.000 LEAFs vendidos. Entre outros prêmios e reconhecimentos, o Nissan LEAF ganhou o Prêmio Visão 2010 Green Car, o carro de 2011 do Ano Europeu, o World Car of the Year 2011, e o Car of the Year 2011-2012 Japan. No Brasil, os testes comerciais começaram efetivamente em 11/06/2012, a partir da entrada em operação de duas unidades do LEAF na frota de táxis de São Paulo. As duas unidades do Nissan LEAF são as pioneiras de um programa piloto da Prefeitura de São Paulo para analisar a viabilidade do uso de carros elétricos no transporte público da cidade. Os veículos fazem parte do acordo fechado entre a Prefeitura de São Paulo, a AES Eletropaulo e a aliança Renaut-Nissan no Brasil, que prevê a entrega de mais oito veículos elétricos até o final do ano de 2012. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 2 transmissão para permitir a condução reversa (marcha a ré), mas não há mais a necessidade disso. Nos EVs atuais, o controlador do motor CA, tão somente, comanda o motor girar no sentido reverso, de modo que, mecanicamente, o carro poderia ser conduzido em sentido reverso à mesma velocidade que é conduzido no sentido avante. Obviamente que o fabricante impede que isso ocorra, com alguma proteção via software, aplicado ao controlador. Isto significa que um carro como um Nissan LEAF, não tem nada daquilo que um mecânico poderia chamar de "transmissão". A potência de tração é transferida para as rodas dianteiras, por meio de uma engrenagem de redução de velocidade simples, uma única engrenagem de redução (de relação x7,94), por meio da qual o eixo do motor é rigidamente acoplado às rodas. Eu posso deduzir que possivelmente o motor CA síncrono do LEAF opere numa gama de velocidades de 0 a 9.000 rpm, enquanto o carro vai de 0 a 90 mph. A relação Velocidade x Torque pode ser observada no gráfico de eficiência mostrado a seguir. Podemos constatar que a curva de Velocidade x Torque do motor tem um pico de potência, muito próximo de 2730 rpm (equivalendo aproximadamente a 27,3 mph) de modo que, acelerando desde 0 a 27,3 mph o torque é constante e a potência varia, crescendo com a velocidade e, dai em diante, o motor gira com prejuízo de torque a medida que a velocidade aumenta, de 2.730 rpm até atingir 9.000 rpm (90 mph) final, mantendo, nesta faixa, a potência constante: O sistema de motorização atinge uma elevada eficiência, de cerca de 95%, numa ampla faixa de funcionamento. Na média ponderada dos pontos de operação utilizados com mais frequência pelo veículo, a motorização elétrica ainda proporciona uma alta eficiência de mais de 90%. A figura anterior mostra a performance dinâmica, com a relação entre as características do motor elétrico e do desempenho do veículo necessário em termos de força de acionamento e a velocidade do veículo. Com o motor elétrico fornecendo um torque máximo de 280 Nm e uma potência André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 5 máxima de 80 kW, o Nissan LEAF oferece desempenho suficiente e prático comparável aos veículos com motor a gasolina, incluindo uma velocidade máxima de 150 km/h. Ao contrário de um motor de combustão interna convencional, o motor do Nissan LEAF é puramente elétrico e operado por um Inversor de Frequência que possibilita oferecer um torque máximo desde velocidade zero, proporcionando aceleração suave e consistente, eliminado solavancos ou queima de fricção. O desempenho na gama de velocidade baixa a média é equivalente ao de um veículo a gasolina V6. Este sistema proporciona uma potência altamente sensível, divertida experiência de dirigir, consistente com as expectativas dos consumidores veículos tradicionais movidos a gasolina. O motor do Nissan LEAF é um Motor Síncrono de Imã Permanente Interior, com um design original adaptado às necessidades de condução do veículo. Mesmo sendo de tamanho compacto, entrega uma alta potência e eficiência e permite uma resposta rápida e uma operação silenciosa. É desenvolvido com especificações de desempenho direcionados especificamente, para uso no exclusivo no Nissan LEAF e é fabricado pela própria Nissan. As principais especificações deste motor inclui a geração de um torque máximo de 280 Nm, uma potência máxima de 80 kW, uma velocidade de acionamento máxima de 10.390 rpm, pesando apenas 58 kg. A aparência externa do inversor é mostrada na figura a seguir e as suas especificações estão listadas na tabela. O inversor recebe sinais de comandos provenientes do sistema através de uma Rede de Controlador de Área (rede CAN) e aciona o motor rigorosamente, por meio de um sistema de controle por realimentação em corrente. O projeto do inversor e de seus componentes, incluindo o módulo de alimentação com a sua estrutura original, foram idealizados tendo como premissa a André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 6 refrigeração a água. Deste modo, o custo e o nível de desempenho foram optimizados, garantindo simultaneamente a confiabilidade necessária para aplicação específica no Nissan LEAF. Assim como ocorre no Chevy VOLT, no LEAF a bateria de 345V é diretamente conectada a entrada de alimentação do Inversores provendo um barramento CC vigoroso, com tensão estável, protegendo os transistores do inversor. O Inversor fornece uma tensão 300 VAC (Nom), com correntes de 250A a 350A, para o motor girar, muito provavelmente usando IGBTs 600V. Tanto o motor quanto o inversor foram desenvolvidos pela Nissan, e o sistema de energia gera 110 CV de potência e 207 lbf.ft de torque. O Nissan LEAF possui frenagem regenerativa, de modo que, toda vez que reduzimos velocidade ou aplicamos os freios, o motor elétrico atua como um gerador elétrico, e a energia que ele gera não é desperdiçada, mas sim, é reconvertida de volta para a bateria. Assim, quando se conduz o veículo em uma descida de serra, dependendo do modo como se conduz, pode-se chegar ao destino com mais energia do aquela que se tinha na origem. Isto é verdadeiramente um fato. Conduzindo o veículo no Modo Eco, reduz-se o ar condicionado, e aumenta-se a frenagem regenerativa em até 10%. O Medidor de energia do Indica o nível de energia da frenagem regenerativa, que é convertido de volta para a bateria Lítio-íon, assim como indica, também, o nível de energia consumida, durante a condução. O motor de acionamento elétrico fornece resposta de torque notável e esta característica, por si só, pode ser usada para melhorar drasticamente a resposta do veículo a uma entrada em aceleração. No entanto, como os EVs não tem um conversor de torque, uma entrada súbita de torque pode produzir vibrações (agitação) torção no sistema de transmissão, causando um problema de um declínio visível no conforto de condução. Um sistema mecânico de controle de vibrações, consistindo de compensadores feedforward e feedback, foi adotado para este acionamento na caixa do redutor, a fim de aproveitar a vantagem da André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 7 Bateria de Veículos Elétricos (Nissan LEAF): A bateria de Lítio-íon, de 24 kWh do Nissan LEAF, possui refrigeração a ar e consiste de 48 módulos e cada módulo contém quatro células, totalizando de 192 células, e é montada pela Automotive Energy Abastecimento Corporation (AESC) - uma joint venture entre a Nissan, a NEC e a NEC Dispositivos de Energia, em Zama, Japão. O LEAF tem um motor elétrico CA síncrono (de imãs permanentes) de 80 kW e a bateria do LEAF precisou ser dimensionada para fornecer uma energia, algo quase quatro vezes maior, do que aquela que se dá em um carro híbrido típico. Para isso, a bateria do LEAF se tornou bastante grande e pesada, em comparação com as baterias típicas dos carros híbridos. Os EVs (Electric Vehicles), com suas enormes baterias têm uma vantagem sobre os híbridos que é justamente a questão da estabilidade da tensão da bateria, mesmo em alta demanda. Enquanto um híbrido utiliza a bateria para mover o carro, apenas em condições de torque e velocidade menores, ou seja, de potência mais baixa, onde as demandas de energia são modestas. No hibrido a bateria é considerada, apenas, como uma fonte extra de energia e assim, é dimensionada de modo que podem ocorrer afundamentos do valor da tensão fornecida de até cerca de 25% sob carga e para resolver este problema alguns híbridos precisaram introduzir um regulador de tensão bidirecional entre a bateria e o inversor, encarecendo o projeto, uma vez que isso corresponde, essencialmente, a adicionar um segundo inversor de alta potência em série com o inversor principal que aciona o motor. Os novos EVs e híbridos passam a abrigar células prismáticas de Lítio-íon em suas baterias, a medida que estas provam as suas melhores qualidades. Uma das razões da opção por bateria de íons de Lítio é justamente pela característica que esta apresenta de maior estabilidade da tensão fornecida sob variação de caraga, onde os afundamentos da tensão não passam de 10%. Isso simplifica o projeto elétrico e a bateria pode ser conectada diretamente ao inversor, sem a necessidade de pre reguladores de tensão, nem de capacitores extra no barramento CC, e a autoestabilização da tensão propiciada pela enorme bateria, ainda protege os transistores de sobretensão. A tecnologia Lítio-íon permite fornecer até 11 vezes a densidade de potência de uma bateria NiMH em aplicações híbridas ou duas vezes a densidade de energia em carros elétricos. Ao contrário de Níquel-Cádmio, baterias de íons de células não têm efeito de memória que, após uso repetido, diminui a sua capacidade de armazenamento. E não se esgotam-se quando o carro está estacionado por períodos prolongados. As células mais comuns atualmente em uso automotivo possuem dimensões aproximadas de 160 mm por 226 mm por 7,2 mm. As células individuais são interligadas para formar os módulos e os módulos são embalados, juntamente com monitores de estado de carga, reguladores de tensão e termopares para fazer um pacote. Um sistema de bateria completo também tem o seu próprio arrefecimento e aquecimento, arrefecido a água, ou simplesmente ventilado, para manter as temperaturas ideais de funcionamento. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 10 Como em outra bateria qualquer, os três principais componentes funcionais de uma bateria de íons de Lítio são o eletrodo negativo (ânodo), eletrodo positivo (catodo), e o eletrólito. Em cada célula, existem múltiplos cátodos (placas positivas) e ânodos (placas negativas) ensanduichados com material dielétrico de separação e um gel eletrólito condutor que consiste em sal de Lítio num solvente orgânico. Os cátodos podem ser constituídos por finas folhas de colectores de corrente de alumínio eletrolítico, revestidos com um material de fosfato de Lítio e os ânodos são feitos de uma fina folha de cobre revestida com carbono. Em uma célula completamente carregada, os íons de Lítio são armazenados no ânodo, mas quando a bateria fornece energia ao motor, os íons de passam através do eletrólito através do separador para o cátodo. Este processo é invertido durante o carregamento. Visando uma tendência de padronização, tanto o Nissan LEAF quanto o Chevy VOLT, que utilizam diferentes arranjos de associação de células em cada módulo, utilizam o mesmo arranjo de módulos: são 48 módulos prismáticos em série e, embora a química da ambas baterias seja um pouco diferente, as células de íons de Lítio em ambos são de 3.6V, de modo que ambos os carros têm uma tensão de bateria de 345 VCC (em circuito aberto). Todavia, o VOLT utiliza seis células em cada módulo (dois grupos associados em série com três células em paralelo em cada grupo), totalizando 288 células, e o LEAF utiliza quatro células em cada módulo (dois grupos associados em série com duas células em paralelo em cada grupo), totalizando 192 células, todavia, no LEAF, o tamanho de cada célula é aproximadamente duas vezes maior. Para manter a temperatura da bateria dentro de uma gama estreita, de 70ºF ± 2ºF (de 20ºC a 22,2ºC), o Chevy VOLT utiliza um subsistema de aquecimento/arrefecimento dos módulos de bateria a água, usado para proteger a bateria caso ela fique muito quente ou muito fria. Em contrapartida, o LEAF resfria a bateria a ar, com emprego de um ventilador de modo que a temperatura da bateria fica mais suscetível a variar com ambiente e não existe indicação com respeito a temperatura da bateria no painel do LEAF, todavia, a estrutura em camadas planas além de ser uma composição simples, fornece uma melhor dissipação térmica. Apenas o tempo de uso poderá dizer se, com isso, haverá ou não alguma significativa diferença de perda de capacidade ao longo da vida útil, a se constituir um problema que venha surpreender para os usuários, comparativamente a essas duas tecnologias, uma vez que a perda de metade da capacidade da bateria, já passar a tornar a condução do carro algo quase impossível. O AES - Automotive Energy Supply Corporation, indica a bateria do LEAF como sendo de 360VCC nominais, todavia, uma bateria nova, plenamente carregada, pode chegar, de fato, até algo bem próximo de 400VCC. O desenho do LEAF posiciona a bateria, que é a parte mais pesada de qualquer EV, abaixo dos assentos e sob o espaço para os pés do assento traseiro, mantendo o centro de gravidade tão baixo quanto possível e aumentando a rigidez estrutural em comparação com um cinco portas André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 11 convencional. Na suas novas instalações industriais em Smyrna, no estado norte-americano do Tennessee, desde 2010, a Nissan anunciou ser capaz de uma produção de 150.000 unidades do veículo Nissan LEAF, bem como de 200.000 unidades do pacote de bateria (a partir de 2012). Segundo a Nissan, a bateria deverá reter ainda um mínimo de 70% de sua capacidade depois de 10 anos, mas alerta que sua vida útil real dependerá de quantas vezes o carregamento CC rápido (480 VCC) for usado e também do padrão de condução e de fatores ambientais. A Nissan informa que a bateria perderá a capacidade gradualmente ao longo do tempo, mas que espera uma vida útil de mais de 10 anos em uso normal. Bateria do LEAF é garantida pela Nissan, para o mercado norte americano, por oito anos ou 100.000 milhas (161.000 km). Pacote da Baterias Principal do Nissan LEAF Fechado em seu invólucro André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 12 Relé Principal da Bateria lançamento se deu após a a Nissan anunciar que tinha atingido a marca de 10.000 vendas do LEAF. O aplicativo veio para aumentar a satisfação e a popularidade do carro, uma vez que ele é o primeiro EV que, de fato, atinge o mercado mundial. A Nissan admite que o seu aplicativo de smartphone é menos inovador mas, com certeza acrescenta uma maior comodidade aos seus usuários, tendendo tornar os demais controles remotos, secundárias na preferência dos usuários. A facilidade de monitoramento é algo primordial para permitir que o proprietário de EV possa reagir fácil e rapidamente, enquanto ele ainda se encontra dentro do conforto de sua casa. Para o proprietário de um EV como o Nissan LEAF, a vida da bateria é um fator precioso, e o monitoramento contínuo em tempo real é essencial para evitar atrasos em circunstâncias cotidianas. Proprietários do LEAF que possuam Android Smartphone podem baixá-lo gratuitamente. Um temporizador embarcado também pode ser pré-programado para recarregar as baterias em um horário definido como durante horários de tarifas reduzida. Segurança ao Dirigir: O Nissan LEAF modelo 2011 ganhou o "Top Safety Pick" emitido pelo Instituto de Seguros para a Segurança Rodoviária. O LEAF recebeu as melhores notas de "Bom" para a colisões de frente, lateral e traseira, e também na proteção contra o capotamento. Todas as medições de lesão, exceto uma delas, foram avaliadas como boas, indicando um baixo risco de lesões significativas em acidentes, de acordo com a escala de gravidade empregadas em testes de IIHS (Insurance Institute for Highway Safety). Também, o órgão de segurança americano NHTSA deu ao Nissan LEAF a maior nota de segurança de um elétrico até o momento: cinco estrelas em todos os aspectos. O Programa Europeu de Avaliação de Novos Veículos (Euro NCAP) atribuiu ao LEAF a maior classificação cinco estrelas para a segurança do carro. Carregadores de Baterias Públicos e Domésticos de Veículos Elétricos: Os compradores de um carro elétrico precisarão considerar não apenas o fator preço de compra (ou custo de locação) e o consumo de energia, mas também, o possível custo de se ter um carregador, formalmente conhecido como um EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment ou Equipamento de Abastecimento de Veículo Elétrico) em casa, bem como os custos de sua instalação, a partir de cerca de US $ 700 a US $ 1.200. Os equipamentos carregadores tomam a CA - Corrente Alternada a partir de uma ramificação da instalação elétrica da casa e converte-a em CC – Corrente Contínua para carregar as baterias. Eles também protegem as baterias contra sobrecarga, superaquecimento, ou carregamento muito rápido. O EVSE, ou estação de abastecimento proporciona uma forma segura para se conectar a tensão relativamente alta (até o limite de 480 VCC). Alguns podem também permitem monitorar ou controlar o carregamento, sem fios ou através da Internet, que pode ser interrompida e reiniciada com segurança. Tudo para evitar que o motorista usuário não encontre sua bateria de seu carro ainda morta pela manhã. Algumas estações de abastecimento, designadas como carregadores nível 2, como, por exemplo, os carregadores projetados para o Chevrolet VOLT, incorporam os conversores necessários para carregar as baterias. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 15 A outra parte do custo de colocar um carregador nas casa é a instalação de uma tomada de energia da rede CA adequada. Os carregadores Nível 2, que podem recarregar um EV puro durante a noite, requerem uma derivação de 220 volts dedicado com uma capacidade de pelo menos 30 Amperes. A instalação de tal ramal de circuito requer um eletricista licenciado. Mas o custo do circuito varia muito. Algumas casas já podem ter um ramal de 220V e 30A para alimentar, por exemplo, uma secadora de roupas ou um forno elétrico. E algumas, podem ter ainda, um painel de capacidade total de 200 A com espaço e disponibilidade suficiente para instalar um circuito de 30A extra. Mesmo assim, a instalação demandará que um eletricista venha ao imóvel passar a nova fiação para a garagem ou a garagem para um novo circuito. Quanto mais potente for um carregador, mais custará a instalação do ramal de circuito, a partir do painel, mais ele vai custar. (Lembre-se que não se pode usar, por exemplo, um circuito já existente para outro fim, de modo compartilhado; o carregador precisa de seu próprio.) Muitas casas antigas, com instalações dimensionadas apenas para as demandas de algumas décadas atras precisarão de uma atualização do painel para instalar um circuito de 220 volts - 200A que pode custar até alguns milhares de dólares. Nos EUA, foi criado um programa com o apoio federal, a fim de fornecer carregadores livres para os primeiro 5700 compradores do LEAF em 13 cidades. (Ele também irá lançar um adicional de 6.350 estações de carregamento públicas e 2.600 carregadores livres para os compradores Chevrolet Volt.) O programa, chamado Projeto VE, também vai pagar até US $ 1.200 do custo de instalação do circuito para alimentar o carregador. Alguns compradores norte americanos dos primeiros LEAFs, estão descobrindo que, sem o subsídio do Projeto VE, até mesmo as instalações mais simples de um carregador estão custando mais de US $ 2.000 (aparelho mais instalação), além de ocorrências da atuação de aproveitadores, como é o caso de um comprador de VE que recentemente havia construído a sua própria casa, já considerando um veículo elétrico em mente. Ele tinha pré instalado um ramal dedicado de 240 V, 50 A na garagem, mas descobriu que a companhia queria cobrar-lhe, além do carregador (1.200 $) mais uma taxa extra (700 $), para instalar o carregador, embora o circuito já existisse pronto. A indústria de carregamento EV ainda está em seus estágios iniciais. Ela abre reais perspectivas para ações de empreendedorismo honesto, mas até ela se firmar, os consumidores pioneiros poderão enfrentar contas significativas para atualizar corretamente suas casas, e vai custar algum esforço e tempo para minimizar esses custos. Opções de Carregamento (Custos e Políticas Pública de Incentivo): Estações de carregamento nível 2 da Nissan também estão disponíveis nos EUA. Os clientes do LEAF tem a opção de comprar uma estação carregamento doméstica através da Nissan a um custo de cerca de EUA $ 2,200 incluindo instalação, que os tornam elegível para um desconto no imposto André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 16 federal de 50%, até 2000 dólares, até 31 de dezembro de 2010, e depois o desconto foi reduzido para 30% até US$ 1.000 para clientes pessoal física e US$ 30.000 para os clientes pessoas jurídicas. Lá, as estações de carregamento funcionam com uma fonte de 240VAC e são construídas e instaladas por AeroVironment. Este processo one-stop-shop inclui uma avaliação do imóvel por um técnico certificado para garantir que a garagem do comprador esteja pronta para receber a instalação. A estação de carregamento da AeroVironment também está disponível para compra cash and carry, com a instalação podendo ser feita por qualquer eletricista. Tornou-se inicialmente disponível para os EUA ao preço de US$ 751, mas o preço foi majorado em abril de 2011 para US$ 995, evidenciando o forte subsidio inicial, uma vez que, no mercado de eletroeletrônicos, a tendencia característica é sempre do preço cair, naturalmente, com o aumento da demanda e a medida que um produto novo deixe de ser novidade. Outras opções de fornecedores de equipamento para o nível 2 de carregamento do LEAF inclui a estação de carregamento da Blink ECOtality (também disponível através do Projeto VE), além das unidades da Schneider Electric Square-D, e da Evr-Green da Leviton. Uma lista completa de estações de carregamento está disponível no site Plug In America (uma organização educacional sem fins lucrativos que promove e defende o uso de plug-in de carros, caminhões e veículos utilitários movidos a eletricidade doméstica e renovável, que alega que irá ajudar a reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, melhorar o meio ambiente global e reduzir a emissão de gases do efeito estufa gases e das mudanças climáticas). Também é possível ter a estação de carregamento de nível 1 que vem com o LEAF modificada para suportar tanto 120V quanto 240V (valores nominais típicos da rede CA nos EUA), sendo este último, tanto para 12A (US$ 239) quanto para 16A (US$ 287). A modificação para 16 ampères permite fornecimento da corrente máxima de carregamento para qual o LEAF foi projetado para usar e, assim, provê um carregamento à mesma taxa que a estação de carregamento da Aeorvironment (carregamento normal, de 6 a 8 hs). Vários adaptadores permitem utilizar a unidade modificada com uma vasta gama de tomadas de 240V. A unidade modificada fornece a solução mais barata de carga para aqueles que dispõem de uma tomada de 240V adequada e é portátil para uso em outros locais. Todavia, algumas desvantagens são a falta de certificação UL e do potencial de roubo já que a unidade não é fixa. Nos EUA, precisa recarregar as baterias do Nissan LEAF e está na rua, agora poderá fazê-lo de forma mais rápida em alguns locais. A Nissan lançou no final de 2011 no mercado americano um carregador rápido feito pela Sumitomo para ser adquirido por empresas, comércio ou postos de combustível. O equipamento custa US$9.900 e pode recarregar 80% das baterias de Lítio em até 30 minutos fornecendo diretamente CC. Os Conectores de Carregamento do Nissan LEAF: A Portinhola de carregamento André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 17 da trava do conector. O contato desta chave atuará sobre o pino 5 (Proximity Detector) do próprio conector, de modo que o EV pode, então, tomar ciência de que ele está conectado a alguma EVSE e poderá passar então a considerar a informação do sinal “Piloto”, presente no pino 4. A EVSE colocará, inicialmente, uma tensão de 12 Volt via o resistor R1 no Contato Piloto (CP – Contact Pilot ou Control Pilot, pino 4 do diagrama da página a seguir), o qual chega ao lado do veículo como Piloto Presente (PP também denominado Presente Plug). A tensão original de 12v, colocada pelo EVSE no “Piloto”, provocará uma corrente, via o diodo D1, causando uma redução da tensão para algo em torno de 8,3V no catodo de D1 (ou seja, 9V do lado do EVSE), devido ao divisor de tensão formado por R1 + R3) e, considerando que o cabo está efetivamente conectado, a tensão de 8,3V do catodo de D1 é então detectada pelo detector (buffer) do veículo, que informa o controlador. Este protocolo permite descartar a eletrônica de circuitos integrados que são necessários para outros protocolos de carga, como o CAN Bus, usado com o CHAdeMO ou EnergyBus - a SAE J1772 é considerado robusto o suficiente para uma gama de temperatura de operação de -40 °C até +85 °C. EVSE = Electric Vehicle Supply Equipment (Equipamento de Abastecimento de Veículo Elétrico) Confirmando a detecção da conexão, o controlador do veículo comutará o relê K1, que insere o resistor R2, provocando a redução da tensão de 8.3V para 5.3V (do lado do EVSE a tensão cai de 9V para 6V) de modo que EVSE detectando isso, entenda como uma confirmação da parte do PEV de conexão plenamente estabelecida. Resumindo tudo, se no pino 4 tivermos 12V, significa o estado “Não Conectado”, se tivermos 9V, significa o estado “Conectado e Não Pronto” e, por fim, se tivermos 6V, significa o estado “Conectado e Pronto”. Os fios condutores das estações de carregamento públicas estarão sempre inativos se o circuito de detecção de conexão presente CP-PE estiver em aberto. Se o circuito é fechado, a estação de carga também pode testar a funcionalidade do terra de proteção. Já a micro chave embutida no conector (S3) tem ainda um segundo papel: se o motorista remove o conector no meio de uma carga, André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 20 deslizando o interruptor de volta, o sinal “Proximity” avisa imediatamente ao PEV que ele está sendo desconectado. Estando pronto, o controlador da estação de carga, então, comuta o relé K2 e passa a enviar um sinal de onda quadrada de 1KHz de frequência, 12 Vpp ± 0,4 V, por meio do mesmo Contato Piloto (CP), ao veículo. A estação de carregamento usa esse sinal de onda quadrada para informar ao EV sobre a corrente máxima que está disponível a partir da estação de carregamento. Isso é realizado pela modulação desse sinal em largura de pulso (PWM): um ciclo de trabalho de 10% nos pulsos PWM, significa uma corrente máxima de 10A, por sua vez, um ciclo de trabalho de 25% nos mesmos pulsos, significa um máximo de 16 A de corrente. Já, um ciclo de trabalho de 50% no PWM significa uma corrente máxima de de 32A, enquanto que, por fim, um ciclo de trabalho de 90% sinaliza uma opção de carga rápida (>50A). Será sugerida aqui uma EVSE de 45A (ciclo de trabalho de 70,3%). A norma americana limita a corrente de carregamento CA doméstica em 20A (para nível 1) e 80A (para nível 2), todavia, o desejo preferencial dos consumidores é por investir em EVSE nível 2, que os permitam estar previamente prontos para uma necessidade de upgrade. Todavia, é importante saber exatamente a quanto as concessionarias de energia brasileiras, irão limitar a capacidade de corrente abastecimento a partir da rede CA e isso ainda está para ser decidido. Poderá haver uma padronização a nível nacional, o que será bastante conveniente, ou poderá haver diferenças por região, mas eu aposto numa cópia muito aproximada da norma americana. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 21 Nos EVs comercializados por grandes montadoras de automóveis, baterias avançadas têm sido empregadas, as quais não liberam gás de hidrogênio durante a operação carregamento. Para evitar criar uma situação onde o gás de hidrogênio possa vir a ser acumulado dentro de um espaço fechado, como uma garagem, as normas exigem a atuação de um subsistema de ventilação. O procedimento intertravado para atuação do subsistema de ventilação exaustora desempenha três funções, a fim de atender as exigências de normas de segurança internacionais: • Primeiro, ele consulta o veículo para determinar se o mesmo necessita, ou não, de ventilação durante a operação de carregamento; • Em segundo lugar, o mesmo determina se a própria EVSE pode ou não, proporcionar tal ventilação exaustora; • Finalmente, se a oferta de ventilação está disponível, garante que a ventilação efetivamente opere durante todo o processo de carregamento (recomendando-se um tempo extra de atuação ao final do carregamento). Três cenários podem ilustrar como o intertravamento de ventilação opera: 1. Se uma estação de carregamento possui o subsistema de ventilação exaustor incluído, então o intertravamento permitirá tanto que um veículo usando baterias de gaseamento, quanto um veículo usando baterias que não geram gases sejam, ambos, carregados nela; 2. Se uma estação de carregamento está localizada em área exterior (aberta), onde há ventilação natural suficiente, o intertravamento permitirá que qualquer veículo se carregue; 3. Se um subsistema de ventilação não está incluída no sistema, então o encravamento irá permitir apenas que veículos dotados de baterias que não liberem gases sejam carregados, mas não um veículo que produz gaseamento. O bloqueio de ventilação oferece garantia ao proprietário EV que o gás de hidrogênio, se gerado, não irá ser acondicionado em espaços fechados, independentemente do tipo de baterias ou de veículos. Esta garantia prevê o sucesso de mercado a longo prazo de EVs produzidos comercialmente. Se o veiculo requerer ventilação forçada na operação de carregamento, o resistor R2 é modificado de 1K3Ω para 270Ω, de modo que a relação das tensões no pino 4 se alteram e, com isso, por exemplo, 3V ao ao invés de 6V estará presente, para indicar conectado e pronto. Assim, a estação de carregamento pode reagir por apenas a verificação da presente faixa de tensão no circuito CP-PE. Note-se ainda que o diodo D1 só irá conduzir avante uma tensão positiva e qualquer tensão negativa no circuito CP-PE irá desligar a corrente, considerando como um erro fatal, estado que requer a intervenção do usuário operador para reinicializar o EVSE, restaurando a operação normal. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 22 distribuição de energia de toda a instalação elétrica de uma residência, uma capacidade de reserva (espaço físico), que permita ampliações futuras da instalação elétrica interna, compatível com a quantidade e tipo de circuitos efetivamente previstos inicialmente, de modo que, a instalação do novo ramal contará com a possibilidade de ocupar esse espaço. Todavia, note que um DDR, normalmente, ocupa no QDC um espaço correspondente ao de três a cinco disjuntores monopolares. Considere também que o novo ramal derivará, de maneira geral, da saída do elemento de manobra e proteção geral do QDC preexistente. Se assim for, isso pode significar que, tanto este elemento de manobra e proteção geral, quanto os condutores que conduzem a energia desde a Entrada de Energia da Residência até ali, poderão precisar ser revisados e muito provavelmente uma substituição dos elementos deverá ocorrer. É preciso notar que, no tange ao detalhamento de especificações para a adaptação das instalações residenciais para receber uma estação de carregamento domestica típica SAE-J1772 de 220V, 45A, até o encerramento do Seminário Brasileiro Sobre Tecnologias Para Veículos Elétricos, TEC-VE, ocorrido em Junho/2011, as concessionárias de distribuição de energia não trataram de estabelecer diretrizes específicas claras como, por exemplo, um valor potência máxima individual, específica para esse tipo equipamento, mas eu creio que o que vem ocorrendo no mercado mundial com respeito a essa nova tecnologia pode, muito bem, servir como um modelo em que técnicos interessados possam se espelhar de imediato. Esquemas de Aterramento: Os Aterramentos Elétricos devem existir por uma, ou ambas, das duas razões: a) Aterramento por razões funcionais: o Aterramento é necessário para que o equipamento elétrico funcione corretamente; b) Aterramento do equipamento por razões de proteção e segurança: neste caso, o aterramento protege as pessoas e/ou animais domésticos contra os choques elétricos. O caso bastante comum de choque elétrico, é um fio desencapado encostando na estrutura metálica de um aparelho energizado. Estando o aparelho aterrado, a corrente elétrica poderá ser desviada por uma caminho mais fácil, escoando para a Terra, evitando o choque elétrico. De acordo com a Norma vigente, a NBR 5410/97 os esquemas de aterramento, para efeito de proteção, são classificados em: TN, TT e IT e no caso de unidades consumidoras residenciais atendidas pelas concessionárias de distribuição de energia em Baixa Tensão, tem sido preferível praticar os sistemas TN-C e TN-C-S, para o aterramento junto ao “Padrão de Entrada” para o fornecimento de energia elétrica, sendo o esquema TN-C-S mais recomendável a ser utilizado. O sistema TN tem um ponto diretamente aterrado, sendo as massas ligadas a este ponto através de condutores de proteção. De acordo com a disposição dos condutores, Neutro e de Proteção, este sistema se subdivide em TN-C e TN-C-S, segundo as descrições: • TN-C no qual as funções de neutro e de proteção são combinadas em um único condutor (condutor PEN): Observação: A Norma vigente NBR 5410/97 da ABNT estabelece que o condutor PEN, não deve ser seccionado. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 25 • TN-C-S quando somente em parte do sistema as funções de Neutro e Proteção são combinadas em um só condutor. Este é o sistema que atende, ao quesito exigido de que o Condutor de Proteção (PE) não deverá ser interligado, ao longo da instalação elétrica interna, ao condutor Neutro e por isso é o recomendado, atualmente, para as residências. • Já no sistema TN-S onde os condutores Neutro (N) e o de Proteção (condutor PE) são fisicamente distintos. Este tem sido o padrão internacionalmente recomendado para proteção e segurança, praticado principalmente nos países mais desenvolvidos mas, infelizmente, ainda está longe da realidade brasileira: Deve-se esperar que o sistema utilizado numa residência que irá receber a adesão de um novo ramal interno de carga extra para acomodar uma EVSE, seja o TN-C-S e, caso seja o TN-C, talvez seja melhor providenciar a modificação do mesmo para TN-C-S. Lembre-se que o condutor de aterramento para a EVSE é, além de por motivos de proteção e segurança, uma necessidade funcional. Todavia, essa é uma opinião exclusivamente minha e o leitor interessado deverá se manter antenado nas recomendações e exigências das concessionárias de distribuição de energia que deverão ser estabelecidas de maneira clara em um futuro breve. O ponto de instalação da EVSE deverá receber dois cabos condutores referentes ao fornecimento de tensão bifásica de 220-240V, mais um terceiro cabo extra, com encapamento nas cores verde e amarelo (ou apenas verde), derivado do ponto de conexão PE existente no interior do QDC. Por Dentro de uma Estação de Carregamento EV SAE-J1772-AC-Nível 2: Numa primeira olhada por dentro de uma Estação de Carregamento EV SAE-J1772-AC-Nível 2, podemos rapidamente constatar que não há muito coisa dentro dela que justifique o custo de US$700,00 (R$1400,00), para se adquirir e instalar uma, lá nos EUA. Penso que é a novidade tecnológica dos EVs tendendo a se popularizar, que leva alguns a verem uma boa oportunidade de ganhar um bom dinheiro extra (principalmente com a aquisição do cabo e o conector de saída e com a mão de obra instaladora) e, a de outros a bancar o sacrifício de pioneirismo nessa inovação. Trata-se de uma linha de CA bifásica (dois fios, L1 e L2), de 220V, normalmente de 30A (já visando o carregamento com o novo retificador embarcado do LEAF para carga de 6,6 kW), com um terceiro fio que provê devido aterramento (o famoso cabo de encapamento verde e amarelo que, creiam, ainda é, de fato, muito raro nas residências brasileiras). Eu particularmente sugiro que, desde cedo, se especifique o ponto de tomada de energia para além de 30A, seja no caso de instalação de um novo ramal interno, ou mesmo no caso de reforma de um ramal existente, mesmo que seja para receber, hoje, uma estação de apenas 30A. Usando cabos condutores isolados em termofixo de seção de 6 mm2, possibilitará a instalação agora de uma estação de 30A (ou mesmo 45A) e ainda deixará alguma margem para um eventual futuro upgrade para uma estação até 20% mais potente (de 45A para até no máximo 54A, sem precisar André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 26 trocar cabo algum). Todavia, caso se deseje deixar a instalação prevista para uma máxima corrente permitida pela norma do conector (75A), então empregar cabos condutores isolados em termofixo de seção de 10 mm2 na instalação do ramal. O que essa linha CA tem de especial é que é protegida por fusíveis próprios e adequados (veja FUSE no diagrama da figura a seguir), e que ela pode ser manobrada automaticamente, sendo ligada e desligada por meio de um contator bipolar (veja Relay DPST no diagrama) ou, melhor ainda, por meio de um relé do tipo SSR (Relê de Estado Sólido) Duplo (Bifásico), com saída a Tiristor até 280VCA (duplo SCR em antiparalelo) para serviço pesado, de 50A (para uma estação EVSE de 45A/220VAC nominal), que poderá ser acionado diretamente pela eletrônica de controle (sim, haverá necessidade de uma “alguma” eletrônica de controle) comandado por CC, normalmente de 3 a 32 VCC. Repare, no diagrama abaixo, que ambas as fases da rede CA devem ser interrompidas pelo SSR, portanto, ele precisa ser Duplo (Bifásico) e por isso custa ao em torno de US$ 59,90. Até aqui nada de mais, ou seja, nada mesmo que qualquer eletricista qualquer não possa fazer num vapt- vupt, no entanto, temos algo mais: a linha CA é também monitorada! Isso significa que por meio de um componente conhecido por TC (Transformador de Corrente), a corrente de carregamento do EV que flui pela linha CA será permanentemente medida. O TC pode ser visto no diagrama anterior sob a designação “CT CR8420-1000-G”. Um TC aplicado a medição da corrente é necessário (US$ 9,90). O principio de funcionamento de um TC, de maneira geral, é o mesmo de um transformado de CA qualquer: indução eletromagnética entre o primário e o secundário. Só que o primário não está presente nesta peça pois, ele será composto quando, na montagem da instalação, nós enrolamos o(s) cabo(s) condutor(es) de energia em torno do “anel” do TC (ver montagem próxima página): André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 27 eletrônica do lado do EVSE proveja, ainda, uma baixa tensão de CC (12 VCC) para alimentar o seu próprio funcionamento. Note que a placa de controle do EVSE deve ser aterrada para o piloto para operar corretamente. Se estiver usando uma fonte de alimentação CC isolada (não aterrada) a placa EVSE vai precisar, obrigatoriamente, para funcionar adequadamente, de uma conexão adicional para o aterramento. Ai fechou? … ou não? … depende! Depende do gosto do freguês! Já que temos que ter uma eletrônica de controle, por que não incrementá-la? Por exemplo, a indicação por Leds projetada a princípio para o EVSE da Nissan me parece um tanto tosca e pode ser melhorada para, digamos, um mostrador de cristal liquido (LCD), que tal? Que tal um mostrador colorido? Se ainda estiver dentro do orçamento de US$ 700, beleza! Já existe uma boa gama de variedades de projetos pré desenvolvidos por técnicos aficcionados, com base no emprego de microcontroladores, principalmente o ATMEL AVR de 8 bits e essas placas já podem ser adquiridas como kit para montagem. Aqui estão algumas fotos de amostra alguns dos estados de uma das placa Open-EVSE, apresentados na tela de mostrador colorido: Abaixo, uma foto de um carregador usando placa de controle Open-EVSA J1772 compatível, 120V, 16A (nível 1). A mesma placa eletrônica pode ser usada é usada para upgrade do carregador para 220V, 30A (ou mesmo 220V, 45A), nível 2, visando, por exemplo, carregamento de um Toyota RAV4 EV, cuja bateria elétrica Lítio-íon apresenta um pacote de 41,8 kW.h, (autonomia de 161 km) com um retificador embarcado (via conector SAE J1772) para até 10 kW, para tempo de carga de cerca de seis horas. Isso é possível, apenas por se ajustar o firmware da placa eletrônica de controle e requerendo, obviamente, o emprego de cabos, fusíveis, SSR e caixa de portes maiores adequados. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 30 Quanto a caixa,. a caixa AA 701 da Taunus é normalizada IP 65 (NBR 6146, DIN 40050, IEC 529) - totalmente protegido contra a entrada de poeira e protegido contra jatos de baixa pressão de água de qualquer direção. Ela possui placa de montagem em chapa de aço zincado de 2,0 mm (opção por 1,0 mm) de espessura e o fecho é por meio de parafusos de aço inoxidável, tipo prisioneiro, com trava e molas. A caixa e a tampa são feitas em poliéster reforçado com 15% de fibra de vidro (FIBRAMAX - SMC), vedação em borracha neoprene, placa de montagem, parafusos e molas. As medidas são Altura (A) 310 mm; Largura (L) 215 mm; Prof. (P) 95 mm + trampa; Peso (Kg) 3,3 Kg (Taunus AA 701). O ponto realmente crítico para que um hobista possa construir o seu próprio EVSE, com segurança e qualidade, aqui no Brasil, não é com respeito eletrônica de controle, mas sim, quanto a aquisição do material adequado para a confecção do cabo saída da estação. Os padrões atuais envolvem, basicamente, três modelos predominantes: 1) Corrente Nominal 16A, para tensão CA de 120V (nível 1) ou de 220-240V (nível2); 2) Corrente Nominal 32A, para tensão CA de 220V-240V (nível 2); 3) Corrente Nominal 75A, para tensão CA de 220V-240V (nível 2); André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 31 Em todos estes modelos, o conector, em geral, é o mesmo, o SAE-J1772, com micro chave sensor de proximidade embutido, terminais de energia para 70A (US$ 170,00 ... takai desune!!!!) que apesar de estar se tornando o padrão mundial, não é (e não creio que será tão cedo) fabricado no Brasil, no entanto, a diferença entre eles está na área da seção transversal dos três condutores de energia contidos no cabo que serão: 2,5 mm2 (para 16A), 4 mm2 (para 32A) e 13,3 mm2 (para 75A). Os três condutores de energia de um cabo SAE-J1772 tem a mesma bitola e conduzem, respectivamente, fase 1, fase 2 (ou neutro) e aterramento. Além dos três condutores de energia, o mesmo cabo agrega mais duas vias que são dois condutores de sinais de controle (de áreas de seção transversal igual a 0,75 mm2), perfazendo um cabo do tipo redondo multivias de 5 vias, extra flexível (por exemplo, 3 x 10mm2 + 2 x 0,75 mm2). Nos modelos de 220V-240V, nível 2, há uma grande brecha entre 32A e 75A, por isso o padrão de 45A também vem se mostrando uma opção, algo mais realista até, convergindo as necessidades do mercado e os limites de fornecimento por parte das concessionárias. Neste caso, o cabo redondo multivias flexível terá cinco vias: 3 x 10mm2 + 2 x 0,75 mm2. Tal cabo não é fabricado no Brasil e, mesmo que a demanda pareça apontar para uma necessidade algumas centenas de quilômetros desse cabo, só nos próximos anos, poucos fabricantes ainda o fazem, no mundo todo e não é de admirar que os chineses lideram a produção, fornecendo-o como subconjunto, já montado ao conector J1772, a preços que variam atualmente, de US$200 (32A) a US$300 (75A), com comprimentos de cabo de 6 a 8 m (US$ 230,00 para cabo com conetor montado para 45A). Ao lado vemos um exemplo de cabo para 75A, onde o encapamento do condutor de aterramento se apresenta nas cores preto e amarelo (aqui deveria ser verde e amarelo). André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 32 veículo. A comunicação P1901 é compatível com outros padrões 802.x através do padrão IEEE P1905, permitindo comunicações arbitrárias baseadas em IP entre o veículo e uma instalação onde estão localizados os carregadores. A P1905 inclui comunicações sem fio, mas ainda não está claro se SAE J1772 poderia ou deveria passar esses sinais de um veículo durante a operação de carregamento. O Protocolo CHAdeMO e as Estações de Abastecimento Públicas em CC: CHAdeMO é o nome comercial de um método de carga rápida da bateria para veículos elétricos que disponibilizam até 62,5 kW de alta tensão em CC através de um conector elétrico especial. Propõe- se como um padrão global da indústria por uma associação do mesmo nome. CHAdeMO é uma abreviatura de "CHArge de MOve", equivalente a "Movimento de Carga". O nome é um trocadilho para "O cha demo ikaga desuka" em japonês, traduzido para o português como "Que tal um chá?", Referindo-se ao tempo que levaria para carregar um carro. CHAdeMO pode recarregar um EV em menos de meia hora. A Associação CHAdeMO foi formado pela empresa de energia Tokyo Electric, pela Nissan, pela Mitsubishi e pela Fuji Heavy Industries (fabricante dos veículos Subaru). A Toyota mais tarde se juntou como quinto membro executivo. Três dessas empresas desenvolveram veículos elétricos que utilizam conector da TEPCO para carregamento rápido em CC. A maioria dos veículos elétricos (EVs) são dotados de um carregador embarcado, que usa um retificador para transformar corrente alternada da rede elétrica (rede elétrica VCA) em corrente contínua (VCC) adequado para recarregar o conjunto de baterias do EV. Questões de custos e problemas térmicos limitam o quanto de energia o retificador pode manipular, algo em torno de 240 VAC e 75 A, desse modo, é melhor que uma estação de carregamento externo forneça corrente contínua (CC) diretamente à bateria do veículo. Tendo em conta estes limites, a maioria das soluções convencionais de carga são baseadas tanto em serviço 230V/15A na Europa, quanto em serviço 240V/30A na América do Norte e Japão. Para agilizar o carregamento, carregadores dedicados podem ser construídos em locais permanentes e dotado ramais de ligação a rede elétrica de alta capacidade de corrente. Neste tipo de conexão, a saída do carregador CC não tem limite eficaz, teórico ou prático. Tais carregadores de alta tensão e de alta corrente são chamados de carregadores CC rápidos e são também referidos como carregadores de nível 3 (em contraste com os de CA de níveis de carregamento menos potentes nível 1 e 2). André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 35 Tendo sido concebida para carregamento rápido, os carregadores com a arquitetura CHAdeMO tendem a ser aplicados, de modo praticamente exclusivo, em postos de reabastecimento de beira de estradas, de modo que deve-se prever uma parada de reabastecimento de ½ hora (em breve, de apenas 10 ou 15 minutos) a cada 140 a 150km rodados, enquanto que, os carregadores de carga lenta, que são os de uso mais recomendados, em termos número de carregamentos a serem realizados, a fim de prolongar a vida do conjunto de baterias, tente a ter uma maior aplicação como carregadores de uso domésticos ou instalados em locais de pousadas e, competindo, nas cidades e rodovias, com uma rede recarregadores CHAdeMO, instalados em postos de abastecimento públicos. Uma boa ilustração do conceito de rede de carregamento é retratada nesta ilustração da Nissan: A TEPCO desenvolveu para a arquitetura CHAdeMO uma tecnologia patenteada e uma especificação para carregamento em relativamente alta tensão (até 500 VCC) e de alta capacidade corrente (até 125 A), para carregamento rápido das baterias automotivas principais dos EVs, através de um conector de carga JARI CC para carga rápido. Parece que esta é a base para o protocolo CHAdeMO. O conector é especificado pelo JEVS (Japão Electric Vehicle Standard) G105-1993 do Japan Automobile Research Institute. Além de realizar a conexão da alimentação, ele também faz a conexão de dados, usando o protocolo CAN-Bus. Este executa funções como intertravamento de segurança para evitar energização do conector antes que seja seguro (similar ao que é feito no SAE J1772), transmissão de parâmetros da baterias para a estação de carregamento, incluindo quando encerrar a operação de carregamento, a tensão alvo, e a capacidade total da bateria, e durante o carregamento como a estação deve controlar a variação da sua corrente de saída. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 36 O conector possui 10 contatos. Os dois com um diâmetro maior (pinos 6 e 5), são respectivamente, os polos positivos e negativos da potência, que fornecem a CC de carga e os outros 8 pinos são uma combinação de sinais de comunicações analógicas e digitais para a gestão e controle do carregamento. As ligações físicas mais importantes neste sistema são mostrados na imagem ao lado: A sequência de procedimentos de carregamento no protocolo CHAdeMO é como se segue: 1) Preparação para a carregamento: o veículo verifica a sua compatibilidade com o carregador com base na informação transmitida através do bus CAN. Depois de o conector é bloqueado, o carregador se aplica uma tensão de carga de curto prazo para o seu circuito de saída e conduz um teste sobre o circuito incluindo a interface conector para confirmar que não existem anormalidades como um curto-circuito ou falha de terra; 2) Inícialização da fonte de alimentação: Após os procedimentos de preparação, o veículo calcula o nível de corrente com base no desempenho da bateria e as circunstâncias, o que pode ser carregada e envia o valor para o carregador cada 0,1 segundo através do André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 37 No entanto, quando considerando os padrões típicos de condução, a limitação de alcance do EV não devia ser uma questão empecilha, todavia, o paradigma de disponibilidade, construído pelo carro de motor a combustão, ainda está longe de ser totalmente vencido. O principal paradigma a ser quebrado será sempre o de comparação dos tempos de carregamento do conjunto de baterias com o tempo de enchimento do tanque em um posto de gasolina. Isso faz com que fabricantes como a Nissan andem continuamente atrás do aprimoramento da tecnologia da bateria e da operação de carregamento, todavia isso sempre terá limites e, neste sentido, não existe milagres. A característica de um acumulador de energia de qualquer tipo concebido, é que ele sempre será constituído de matéria e, consequentemente, será caracterizado por uma energia específica ou densidade de energia (quantidade de energia armazenada por unidade de massa). No caso das células das bateria de Lítio-íon é de do LEAF o valor declarado para a densidade de energia é 140 W·h / kg e o da capacidade energética total de 24 kW·h Se esses dados são honestos (e assim parecem pois, a maioria das baterias Lítio-íon conhecidas atualmente, operam em cerca de 100 -150 Wh / kg), e considerando que a densidade de energias é definida para apenas a massa das células da bateria em si, é possível, então, se calcular a massa total dos elementos acumuladores (células) da bateria do LEAF: m= 24000 140 =171,4 kg Como o pacote todo é avaliado em 300 kg, resta uma diferença de 128,6 kg que supõe-se que deva estar relacionado aos elementos de interligação elétrica existente entre as 4 células de cada módulo vezes os 48 módulos (que é o arranjo associativo do pacote da bateria do LEAF), além de outras peças, metálicas ou plásticas, e também da eletrônica de controle e monitoramento integrada, que compõem o pacote todo. Densidade de energia é um desses conceitos muito importantes, mas que a maioria da pessoas comum não tem facilidade em concebem. Densidade de energia é a relação entre a quantidade de energia contida em um dado sistema ou região do espaço e o seu volume ou a massa, dependendo de qual é mais útil no contexto deste sistema/região. Não seria exagero dizer que o futuro de todo desenvolvimento voltado a energia renovável viável depende de aumentar a densidade energética das baterias, mas é difícil avaliar as reais chances de se atingir isso. Digo isso, pois, mesmo que o desenvolvimento das tecnologias permita produzir baterias com densidade de energia, algo em torno dos anunciados 400 W·h / kg, a gasolina comum (sem mistura de álcool), por exemplo, oferece algo em torno de 13.000 / kg, ou seja, 30x mais densidade de energia. Veja na tabela abaixo, a comparação entre alguns exemplos de tecnologias: Tecnologias de Armazenamento Densidade de Energia por Massa (MJ/kg) Densidade de Energia por Massa (W·h/kg) Hidrogênio comprimido a 700 bar 143 39722 Gás natural comprimido a 200 bar 53,6 14889 LPG propano 49,6 13778 André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 40 LPG butano 49,1 13639 Gasolina 46,9 13028 Óleo Diesel / residencial óleo de calefação 45,8 12722 Gasohol (10% etanol 90% gasolina) 43,54 12094 Jet A (combustível de aviação / querosene) 42,8 11889 Óleo biodiesel (óleo vegetal) 42,2 11722 Etanol 30 8333 Metanol 19,7 5472 A eficiência de um carro movido à gasolina é surpreendentemente baixa. Todo calor expelido como gases da exaustão ou que vai para o radiador é energia desperdiçada. O motor também usa bastante energia para acionar bombas, ventiladores e geradores em funcionamento. De tal forma que a eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva é de 20%. Isto é, cerca de 20% do conteúdo da energia térmica da gasolina é convertida em trabalho mecânico. Um carro acionado por energia elétrica tem uma eficiência bem razoável. A bateria é cerca de 90% eficiente (a maioria das baterias gera algum calor, ou exige aquecimento) e conjunto motor/inversor elétrico tem eficiência de cerca de 80%. Isto fornece uma eficiência global de cerca de 72%. A história, porém, tem outros ângulos. A eletricidade usada para energizar o carro foi gerada em outro local. Se sua origem tiver sido em uma usina que utilizou a combustão (sem apelar para o processo nuclear, hidroelétrico, solar ou eólico), somente cerca de 40% do combustível foi convertido em eletricidade. Carregar o automóvel exige a conversão da corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC). A eficiência deste processo é de 90%, aproximadamente. Portanto, se olharmos para o ciclo completo, a eficiência de um carro elétrico distribui-se em 72% para o carro, 40% para a usina de energia e 90% para carregar o carro. Corresponde, portanto, a uma eficiência global de 26%. Esta eficiência varia consideravelmente, dependendo do tipo de usina energética que tiver sido empregado. Se a eletricidade tiver vindo de uma hidroelétrica por exemplo, em termos energéticos ela praticamente foi gratuita, (não tivemos de queimar combustível para gerá-la) e, assim, a eficiência do carro elétrico passaria a corresponder a 65%. Esse exercício aponta para a importância de se considerar o sistema inteiro, não apenas o automóvel. Poderíamos dar mais um passo ainda indagando qual a eficiência do processo de produção da gasolina, do metanol ou do carvão. Não obstante, é bastante claro que os EVs irão se firmar no cenário mundial de veículos automotores, e também no Brasileiro. Recentemente a Nissan anunciou que eles estão desenvolvendo tecnologias que permitam realizar a operação de carregamento das baterias a 80%, em um tempo igual ou menor do que 15 minutos (talvez 10 minutos). Tudo bem, isso é muito louvável, mas é preciso que se mantenha em mente, e sobre isso a própria Nissan, tem sido sempre clara em alertar, de que o carregamento rápido não deve ser mantido como padrão de carregamento, devendo-se dar preferência ao carregamento lento, feito em um período de repouso do veículo. Já se vai 1 ano e ½ desde que o Nissan LEAF foi introduzido comercialmente, e está cada vez mais evidente que ele está se tornando o primeiro EV de produção em massa, pouco a pouco, cada vez mais acessível e confiável. O fato da Nissan desenvolver as sua própria bateria, podendo, assim, buscar adequá-la às características originais do carro, continuamente aumentando a eficiência energética do EV, colabora com o sucesso disso. Da mesma forma, esta lógica também se aplica ao Motor e ao Inversor, desenvolvidos de modo a prover uma arquitetura de EV de conceito simples e preciso. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 41 Numa arquitetura simples e eficaz, todas as questões nevrálgicas se voltam mesmo para a bateria, que determina a autonomia do carro mas, principalmente, sua durabilidade e seu custo. Assim como a concepção do lendário Fusca da Volkswagen foi revolucionária o bastante para provocar sua massificação no mercado brasileiro nos anos 60 e 70, o Nissan LEAF, tendo sido concebido como um veículo de produção para o consumidor em geral, e a Nissan mantendo, convenientemente, uma política de tratá-lo como mais do que simplesmente mais um carro, essa mesma oportunidade se redesenha agora, na era dos EVs: só precisa vir a ser vendido a um preço realmente acessível para a maioria dos motoristas brasileiros e, para isso, aumentar a densidade de energia da bateria, ao mesmo tempo em que se reduz o custo de produção da mesma é a chave para aumentar o sucesso comercial desse carro. Quando o LEAF foi lançado, possivelmente um dos aspectos da sua tecnologia que mais surpreendeu os engenheiros de outras montadoras, e deu margem para se estabelecer uma formação de opinião de certo ceticismo, foi quanto ao fato da bateria do Nissan LEAF não ter nenhum sistema de arrefecimento, propriamente dito. Fazendo assim, a Nissan apostou na sua capacidade de obter uma bateria e um desenho de montagem do pacote de características especiais, não apenas olhando para a densidade de energia e para o custo, mas também para um o possível ajustamento da resistência interna da bateria para baixo, que é o que pode fazer a temperatura da bateria ser mantida, naturalmente, mais baixa. Quando uma bateria tem um sistema de arrefecimento, recorre em mais custo e mais espaço necessário para instalar o sistema. De fato, andando em outra direção, alguns fabricantes estão desenvolvendo novas baterias dotadas sistemas de arrefecimento líquido bastante sofisticados. Não obstante, todo sucesso comercial de um produto reside sempre na simplicidade e na eficiência, foi desta maneira que o fusquinha, também sem sistema de arrefecimento líquido, conquistou o Brasil. A Nissan alega que uma bateria que pode manter baixa a sua temperatura de aquecimento, sem um mecanismo de arrefecimento é também mais duradoura pois, tal bateria simplesmente funciona evitando o sobreaquecimento comece, todavia, como sempre, será a real satisfação do cliente, ao longo dos próximos oito anos (quando os primeiros LEAFs terão suas baterias originais completando os dez anos de vida útil prometida) que determinarão o sucesso dessa tecnologia. A estrutura dos módulos de bateria é estrategicamente fina, mas com uma larga superfície de contato, o que, de fato, torna as qualidades de transferência calor melhoradas. Mas fazer com que esse designe laminado fino trabalhasse como parte integrante da realidade do automóvel foi um dos grandes desafio que exigiu um desenho cuidadoso do veículo, que tornasse possível proporcionar um maior espaço para uma montagem em disposição mais horizontal possível dos módulos de bateria, que é também uma das razões pela qual o sistema de bateria do LEAF não precise de um mecanismo de refrigeração especial e, ainda assim, manter um desempenho de segurança. André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 42 haverá regeneração o tempo todo e a bateria poderá vir a se sobrecarregar e sobreaquecer, e as consequências disso podem ser muito danosas. No entanto, uma das funções de bloqueio mais comuns de um inversor de frequência típico é justamente essa: atuar o “bloqueio” quando existe uma sobretensão no barramento CC. Um inversor entrar em bloqueio, significa que ele simplesmente corta os pulsos que causam a comutação dos IGBTs da saída, deixando de enviar corrente para o motor todavia, ainda assim haverá um caminho através dos diodos para circular a corrente que regenera energia do gerador (motor) para a bateria. Provocar uma completa desconexão elétrica do motor no caso do monitoramento acusar que a bateria tende a sobrecarga, pode não ser uma boa ideia pois, o efeito disso na segurança da dirigibilidade seria semelhante ao de uma quebra repentinamente, num veículo convencional, do disco de embreagem no meio de uma descida de serra. Naturalmente que o LEAF também tem, além da frenagem regenerativa fornecida pelo motor elétrico, um freio ABS convencional de atrito hidráulico que é, de fato, uma unidade de freio inteligente eletricamente pilotado. Ela contém um motor dedicado 1 que gera a força de impulso de acordo com a quantia que o pedal de freio é pressionado (detectado por um sensor de curso), bem como da quantidade de da frenagem regenerativa cooperativa. A força de impulso é usada para gerar pressão do fluido no pistão 2 do cilindro mestre. Nas 4 rodas temos disco ventilado de 283 mm no dianteiro e de 292 mm no traseiro, ambos pistões de ação simples, todavia, mesmo não sendo um carro tão grande, o dianteiro é de duplo pistão). A manutenção desse sistema (troca de pastilhas) tende a ser relativamente reduzida devido as cooperação prestada pelo controle dinâmico do carro com a frenagem regenerativa (freio motor) atuando sempre. Obviamente, também, que o LEAF tem, também, um freio (travagem) de estacionamento, todavia, este é totalmente independente do freio convencional das 4 rodas pois, ele atua travando diretamente o acoplamento do motor, ou seja, trava o mecanismo do redutor (ver Parking Lock na figura da pag. 5). O mecanismo de estacionamento, que se engata quando se empurra o botão 'P' na "alavanca de mudança", faz com que uma lingueta se engate na roda dentada na caixa de engrenagens de redução, André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 45 travando a movimentação de todo o sistema. Manutenção dos EVs: No início, o principal problema em se manter um carro elétrico bem conservado vai ser encontrar um mecânico que sabe como fazê-lo. A maioria dos mecânicos de automóveis são treinados para trabalhar com motores de combustão interna. Pode apostar que estes irão ficar surpresos quando olhar sob o capô de seu carro e constatar que ele não tem um. Isso significa que (pelo menos inicialmente), você provavelmente vai ter que levar o seu carro para a concessionária para a todos os serviços. Dependendo de quão boa é a garantia dada pelo fabricante, isso pode ou não custar mais do que ir ao mecânico amigável em sua estação de serviço local. O motor contém uma quantidade de peças móveis muito menor, em comparação com as centenas de peças de trabalho em um motor de combustão interna. Não há muita coisa em um motor de carro elétrico que pode se desgastar e, quando isso acontecer, vai ser relativamente simples para substituir e devido a essa simplicidade, a verdade é que o comerciante vai ter dificuldade em encontrar um montante a ser cobrado pelo serviço de manutenção e ainda terá em mente que trata-se de uma tecnologia nova. As chances são de que até o momento que o prazo da garantia de carro novo se esgote, o mecânico em sua garagem local terá aprendido como fazer a manutenção de um motor elétrico e as despesas relacionadas com a manutenção do motor será algo trivial. Manter um carro elétrico, de acordo com algumas estimativas, vai custar cerca de um terço do custo atual de manutenção de um carro movido a gasolina. Isto é, até que a bateria começa a se desgastar. Mais uma vez, as questões nevrálgicas recaem sobre a bateria pois ela irá, de modo inexorável, perder gradualmente sua capacidade de reter a carga elétrica, com o passar do tempo. Quanto mais tempo um proprietário reter a posse de um carro elétrico, mais curto irá se tornando o alcance de condução ou autonomia. Isso vai começar a acontecer desde o primeiro dia, mas a perda é tão pequena no inicio, que mesmo depois de vários meses parecerá imperceptível. Provavelmente uma bateria nunca irá parar de funcionar de uma só vez, qualquer bateria. A maioria das estimativas preveem que uma bateria de Lítio-íon típica terá vida útil de no mínimo 100.000 milhas (161.000 km) de condução, mantendo uma autonomia decente. Todavia, quem tem experiência em utilização desse tipo de acumuladores sabe que a partir dai, a queda de eficiência tendera progredir exponencialmente. O dia de trocar a bateria fatalmente chegará, seja em 5, em 8, em 10 ou mesmo 15 anos e sabe-se que pode variar assim mesmo a vida útil, dependendo do padrão de condução e mais ainda, do método de carregamento que for adotado como padrão. Tentar revender o carro nessa hora será algo semelhante a tentar vender um veículo convencional que está com o motor prestes a fundir, ou talvez ainda pior do que isso, se nos próximos anos os fabricantes de baterias não lograrem exito em barateá-las bastante. Num pais como o Brasil, os carros são pensados como bem duráveis e não de consumo, de modo que, com certeza, o mico de repor a bateria vai sobrar para alguém e quando esse alguém tomar André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 46 ciência da conta, provavelmente irá enfartar. Uma bateria para um Nissan LEAF, por exemplo, é estimado, hoje, custar cerca de US$ 15.000, uma despesa que a Nissan pode ter que assumir como perda para começar a fim de obter o custo inicial do carro lá em baixo o suficiente para estimular as vendas. Uma boa notícia é que o Departamento de Energia dos EUA estabeleceu uma meta de reduzir o custo de baterias de carros elétricos 70 por cento até o ano de 2014, no entanto, de acordo com os especialistas de Wall Street Journal, muitos não creem que isso seja factível. Alguns sistemas de baterias de automóveis (não é o caso do LEAF) utilizam do líquido de arrefecimento para manter as temperaturas de operação segura. Estes sistemas podem exigir verificações regulares. Pergunte ao seu revendedor ou consulte o manual do proprietário para obter mais informações. As baterias em EVs de passeio são projetadas para durar a vida útil esperada do veículo (nos países industrializados é de 10 anos). O Toyota Prius HEV, por exemplo, que foi vendido nos EUA desde 2001, teve falhas de menos de 0,003% da bateria (fonte: HybridCars.com). Vários fabricantes oferecem garantias 8 anos/100.000 milhas para as baterias dos seus EVs e PHEVs. Eu, particularmente, acredito no sucesso de uma outra estratégia, que a mim parece algo normal: a de jamais deixar a bateria se degradar toda a zero de capacidade e, a partir de um certo ponto, passar as fazer de tempos em tempos a substituição de módulos específicos que estejam em piores condições. Penso que isso se tornará de possível diagnose com o tempo e os módulos substituídos com certa facilidade, para posteriormente serem encaminhados a serviços especializados, onde passarão por procedimentos de retrabalho, a nível de substituição de células defeituosas. Na minha visão, até mesmo as células defeituosas poderão vir a ser recicladas. Deste modo, o proprietário comum, trocará de 4 a 8 módulos, a partir do oitavo ano de uso do carro, e torna isso um hábito regular anual. Isso tem tudo a ver com o jeitinho brasileiro e, com toda certeza, surgirá o costumeiro mercado paralelo, fornecendo módulos e células de baterias, novas e recondicionadas. Lembre-se, sempre foi assim, por aqui. Pagar os atuais cerca de US$ 15.000 (R$ 30.700), quase metade do preço do carro zero, de uma única vez, na manutenção de um com cerca de 10 anos de idade, isso eu posso apostar, que muita pouca gente irá, em sã consciência, se dispor a fazê-lo. É bem provável ainda que, um carro elétrico que chegue próximo a essa idade, com o pacote de bateria todo original, não conseguirá encontrar comprador e, nós, brasileiros, não costumam descartar carros no lixo. Será uma pena se nos próximos dois anos o Nissan LEAF ainda não venha a ser vendido ao público consumidor também no Brasil, mas eu creio que isso possa mesmo vir a ocorrer pois, desde quando visitei a planta da Nissan em Kyushu no Japão, em 2001, pude constatar a timidez de interesse desta marca japonesa com relação ao mercado brasileiro e, agora, fazendo uma parceria com a Renalt, também tímida em relação ao Brasil, creio que ficaremos mesmo sem os LEAFs por aqui, até meados de 2014. Deste modo, as montadoras de maior tradição no mercado brasileiro tem alguma chance de reverter André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 47 primeira abordagem e para definir topologias básicas, é interessante a assumir que nenhuma perda ocorre no processo de conversor de um conversor de energia (situação ideal). Com esta hipótese, os elementos básicos são de dois tipos: • Elementos não-lineares, chaves, principalmente eletrônicas: semicondutores operados em modo de comutação; • Elementos lineares reativos: condensadores, baterias, indutâncias e indutâncias mútuas ou transformadores. Estes componentes reativos são utilizados para armazenamento de energia intermédia, mas também para a filtragem de tensão e corrente. Eles representam, geralmente, uma parte importante do tamanho, peso e custo do equipamento. Independente de qual seja o método utilizado para carregamento de energia elétrica para a bateria de um EV, seja pela conexão de um cabo ao conector SAE-J1772, ou ainda pela conexão de um cabo ao conector JARI CC CHAdeMO, em ambos os casos envolverá, sempre, a conexão do mesmo até alimentadores da rede elétrica CA e o inevitável emprego de Conversores Estáticos no processo, seja para retificar a CA, convertendo-a em CC, ou seja para elevar ou abaixar o valor da CC (conversores CC-CC). A diferença entre os conexões mencionadas, é que o carregamento por meio do conector SAE- J1772 foi concebido, originalmente, para ser algo bastante simples, não contendo em si, ou seja, na própria estação de carregamento, nenhum tipo de conversor estático, mas sim, utilizando os conversores embarcados do próprio veículo, tanto conversores CA-CC, quanto conversores CC-CC. A aparência externa do carregador embarcado do Nissan Leaf é mostrado na figura ao lado. O projeto do carregador embarcado tem como premissa a refrigeração a água. Nele, a corrente alternada (CA 100- 240V) fornecida pela fonte de energia comercial é convertida em corrente contínua (CC 260-410V) e, assim, a bateria de íons de Lítio é carregada. A potência de saída é de 3,3kW (como já foi dito, a Nissan está providenciando um upgrade para 6,6 kW para novos modelos, que não poderá, com facilidade, ser instalado nos modelos anteriores) e a eficiência de carregamento é de aproximadamente 90%. O Nissan LEAF 2013 a ser lançado com um novo carregador embarcado, mais potente, de 6,6 kW, irá reduzir pela metade o tempo que leva para carregar a partir de uma estação de carregamento J1772 nível 2 de 240V. Quando técnicos da Nissan anunciaram que a montadora japonesa estaria dobrando a potência do carregador embarcado por volta de março de 2011, orgulhosamente se proclamou que o sistema atualizado do carregador do Nissan LEAF também estaria disponível como uma atualização para os atuais modelos 2011/12. Agora, um crescente corpo de evidências sugere que qualquer pessoa que queira atualizar o unidade André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 50 de carregamento do seu LEAF de 3,3 kW para 6,6 kW, poderá estar em dificuldades pois, diferentes de atualizações de software, upgrades de hardware geralmente são bem mais complexos. Trocar o carregador de 3,3 kW para 6,6 kW não é a mesma coisa que carregar uma ferramenta de diagnóstico e reprogramação do computadores de bordo do veículo, em vez disso, a atualização do carregador é um processo moroso que envolve várias horas de trabalho no carro, além de envolver o alto custo das peças. Como consequência, a menos que haja algo errado com o hardware original, proceder uma atualização é algo altamente improvável e envolverá um custo relativamente elevado. Mesmo que a Nissan oferecesse a atualização, não poderia ser barato pois, trocando-se o retificador original para um outro com a potência dobrada, sob o mesmo regime de tensão, a corrente será dobrada e, com isso, tudo o que se refere a fiação de energia (que é a parte mais cara da fiação) terá que ser, necessariamente, trocada, bem como, ainda, o controlador de bateria e o conversor CC/CC. Quando a Nissan iniciar produção do LEAF modelo 2013, o carregador embarcado não será a única coisa que terá que ser atualizada, a partir das especificações dos modelos 2011/12. O LEAF 2013 terá, na verdade, várias outras pequenas mudanças e, por isso, nem os técnicos da Nissan acreditam que a oferta do serviço de upgrade por parte da empresa aconteça. Portanto, não se trata de apenas trocar o conversor CA/CC (o retificador), que além de mais potente, passará a ser bidirecional, ou seja, o LEAF poderá passar a ser usado como fonte de C.A. para alimentar uma localidade isolada da rede CA, ou ser comandado remotamente, por comunicação de dados via uma “rede elétrica inteligente” e “revender” a sua energia armazenada durante a madrugada, de volta para a concessionária, em momentos de picos de consumo de energia. Essencialmente, embora o carregador esteja localizado em uma corcova em forma de fácil acesso por trás do assento traseiro, a remoção e substituição com uma unidade de alta potência é uma empresa grande, semelhante a que envolve a substituição do motor completo em um carro a gasolina, portanto, os proprietários dos LEAF existentes estão presos a um carregador de 3,3 kW, que veio originalmente com o carro, ou precisarão bancar a cara operação de upgrade (vários milhares de dólares) em serviços paralelos. Informações, tais como a condição de carregamento da bateria de íons de Lítio, um sinal de status de carregamento rápido, e instruções da VCM (Vehicle Control Module) é recebido através da comunicação da rede CAN, de modo que o carregamento pela saída e controle é implementado de acordo com as informações recebidas. Devido as necessidades do fluxo de energia, seja entre a máquina elétrica (motor) e a bateria, ou ainda entre a bateria e a rede CA, convém que todos os conversores empregados sejam do tipo bidirecional. Os Conversores Integrado Bidirecional CA/CC e CC/CC devem satisfaz os requisitos André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 51 funcionais para aplicações dos PHEVs ou do EVs: 1) A tomada de energia CA da rede para carga de bateria; 2) A alimentação, via conversão BOOST CC/CC a partir da bateria para o sistema elétrico de tração do motor, e; 3) A regeneração, via conversão BUCK CC/CC a partir do sistema elétrico da máquina para a bateria. Os Conversores Integrado Bidirecional também abordam algumas questões relacionadas com a eletrônica de potência, tais como: 1) Redução do número de indutores; 2) Redução do número de sensores de corrente; 3) Tolerância a falhas de corrente através das chaves semicondutoras de potência; 4) Tolerância à recuperação reversa atual de interruptores e diodos, e; 5) A mais larga gama de tensões de bateria aplicáveis. Mesmo um conversor CA-CC monofásico embarcado precisa, também, ser bidirecional, caso se deseje desfrutar da possibilidade de extrair a energia acumulada na bateria do EV e aproveitá-la para algum abastecimento emergencial da rede CA. Devido a sua capacidade para inverter a direção do fluxo de corrente e, assim, da potência, os conversores CC-CC bidirecionais vêm se tornando cada vez mais utilizados para promover a transferência de energia entre duas fontes de energia de CC em qualquer direção. O conversor CC-CC bidirecional, juntamente com o armazenamento de energia têm se tornado uma opção promissora para muitos sistemas de conversão energia, inclusive os EVs, reduzindo o custo, melhorando a eficiência e o desempenho do sistema. No que diz respeito à estrutura do núcleo de um Conversor Integrado Bidirecional CC- CC, a estrutura BUCK-BOOST não- inversora é empregada, que proporciona as três formas de operação BUCK (baixamento), BOOST (elevação), e BUCK- BOOST combinado. No entanto a operação BUCK-BOOST combinada, em particular, precisa ser eliminada devido às suas perdas de comutação. Os outros dois modos de operações são, então, os usados para os Conversores Integrado Bidirecionais contidos nos EVs e PHEVs. A perda de energia em um transistor é muito alto quando se atravessa uma região ativa duas vezes durante o período de comutação. Portanto, um pouco de energia eléctrica está prevista para ser perdido em forma de calor nos componentes dos circuitos conversores durante o processo de carregamento da bateria. Os Conversores Bidirecionais são capazes de promover o fluxo de energia elétrica para ambos os sentidos, sendo assim, eles não tem terminas que sejam específicos para funcionar apenas como entrada ou apenas como saída, mas dependendo das circunstâncias da operação, eles devem poder trocar de função entre entrada e saída pois, numa aceleração do veículo, a energia precisa fluir da bateria para a máquina elétrica, ao passo que numa redução de velocidade, a energia fluirá da André Luis Lenz andrellenz@hotmail.com 52