Como funciona o equipamento de abastecimento de veículos elétricos (EVSE)?

A infraestrutura EVSE abrange tudo, desde carregadores domésticos para veículos elétricos até estações de carregamento públicas e para frotas de veículos elétricos pesados. Vejamos alguns dos principais componentes e considerações da EVSE.

Métodos de cobrança

Existem dois tipos de potência de carga predominantes:

• Corrente alternada (CA): O EVSE fornece energia CA no conector. A CA é então convertida em CC dentro do veículo para carregar as baterias.
• Corrente contínua (CC): O EVSE fornece energia CC diretamente às baterias de um veículo elétrico, contornando o carregador integrado.

Complementar a isso é a natureza do condutor utilizado para a transferência de energia:

• Carregamento condutivo/com fio: Esta é a opção de carregamento mais comum, em que um cabo de carregamento conecta o EVSE ao EV.
• Carregamento indutivo/sem fio: em vez de um cabo plugável, utiliza tecnologia indutiva ou ressonante para fornecer energia eletromagneticamente às baterias.
• Carregamento por pantógrafo: Os pantógrafos conectam um veículo a uma linha de carregamento aérea. São usados para veículos elétricos pesados em frotas e ambientes urbanos, onde é desejável um carregamento rápido e automatizado, sem necessidade de conexão manual.

Normas de cobrança

As normas de carregamento são estruturas abrangentes que cobrem vários aspectos do carregamento entre um EVSE e um EV. Não existe uma norma única aceita globalmente. Em vez disso, existem várias normas globais e regionais:

• Sistema de Carregamento Combinado (CCS): A norma CCS especifica aspetos como a negociação de parâmetros de carregamento, autenticação, pagamento e funcionalidades avançadas como Plug and Charge (PnC). Os conectores CCS suportam carregamento CA e CC. O conector CCS tipo 1 é popular na América do Norte e o tipo 2 na Europa e no resto do mundo.
• Padrão Norte-Americano de Carregamento (NACS): O NACS utiliza um conector único e compacto para carregamento CA e CC.
• CARREGAMENTO DE MOVIMENTO (CHAdeMO): O padrão CHAdeMO é popular no Japão e utiliza duas portas separadas para carregamento CA e CC.
• Guobiao Tuijian (GB/T): Estas normas são predominantes na China. Anteriormente, utilizavam portas separadas para CA e CC; no entanto, a nova versão ChaoJi utilizará uma porta comum.
• Sistema de Carregamento Megawatt (MCS): O padrão MCS permite que veículos elétricos pesados, como caminhões e ônibus, sejam carregados rapidamente usando corrente contínua de alta potência.

Essas normas abrangem os seguintes aspectos:

• Parâmetros elétricos, incluindo níveis de carga, tensões suportadas, correntes e limites de potência para diferentes velocidades de carga.
• Conectores, incluindo a forma, a configuração dos pinos e os mecanismos de travamento mecânico das interfaces físicas
• Protocolos de comunicação, incluindo os sinais de controle entre EVSEs e EVs e entre EVSEs e redes
• Mecanismos de segurança, como aterramento e isolamento adequados

Níveis de carga

A velocidade de carregamento é determinada pelos níveis de carregamento, conforme explicado abaixo.

Carregamento CA

Os níveis de carga CA da norma J1772 da Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE) estão integrados no CCS:

• Carregamento de nível 1: depende de uma tomada doméstica padrão de 120 volts (V) CA que pode fornecer cerca de 1-2 quilowatts (kW) de potência a 10-16 amperes (A). É adequado para pequenas bicicletas elétricas, não para carros elétricos.
• Carregamento de nível 2: A maioria dos carregadores domésticos e soluções públicas de carregamento de veículos elétricos utiliza carregadores de nível 2. Funcionam a 208-240 V CA. A potência varia entre 7 e 19 kW e a corrente entre 32 e 80 A.

Carregamento CC

A CCS especifica estas cinco classes de potência CC:

• Carregamento de baixa potência: a potência de carregamento permanece abaixo de 8 kW.
• Carregamento CC: Estes EVSE podem fornecer acima de 8 kW até 50 kW.
• Carregamento rápido (FC): O FC EVSE pode fornecer 50-100 kW por pelo menos 30 minutos.
• Carregamento ultrarrápido (UFC): Podem fornecer 100-150 kW durante pelo menos 20 minutos.
• Carregamento de alta potência (HPC): O HPC EVSE pode fornecer mais de 150 kW por pelo menos 10 minutos.

Essas classes e níveis de potência também são usados para carregamento bidirecional.

Sistema de carregamento Megawatt (MCS)

O carregamento de megawatts destina-se a ônibus elétricos pesados, semirreboques, máquinas de terraplenagem, equipamentos de aviação e até mesmo embarcações marítimas. Envolve tensões CC de mais de 1.000 V e correntes de várias centenas a 4.000 A. Os sistemas MCS existentes podem fornecer 0,4-6 megawatts (MW), e os sistemas futuros estão sendo projetados para 12-24 MW.

Atualmente, o MCS especifica cinco níveis de potência:

• Nível 1 do MCS: O EVSE de nível 1 utiliza cabos de carregamento não refrigerados para fornecer até 350 A a 1.250 V.
• Nível 2 do MCS: Podem fornecer até 1.500 A a 1.250 V utilizando cabos de carregamento refrigerados a líquido.
• Nível 3 do MCS: O EVSE de nível 3 utiliza refrigeração líquida tanto para os cabos de carregamento como para as entradas dos veículos elétricos, para fornecer até 3.000 A a 1.250 V.
• MCS reforçado (R-MCS): O MCS reforçado pode fornecer até seis MW com correntes que atingem 4.000 A a 1.500 V. Ele foi projetado para ambientes adversos, como mineração, aviação e marítimo.
• X-MCS: Este padrão, que será lançado em breve, irá aprimorar o R-MCS para fornecer 12-24 MW.

Comunicação entre EVSE e EV

O EVSE e o EV comunicam-se entre si usando protocolos como as especificações da Organização Internacional de Normalização (ISO) 15118, que definem como:

• negociar os níveis de cobrança
• controlar a sequência de carregamento envolvendo handshakes e autenticação
• facilitar o carregamento inteligente (em que os tempos e tarifas de carregamento se baseiam na carga da rede em tempo real, nos preços da energia e na disponibilidade de energia renovável)
• Implementar PnC com autenticação e faturamento automatizados
• garantir a segurança por meio de relatórios sobre o estado de carga e tratamento de erros
• comunicar-se com segurança

Mecanismos de segurança

As normas de carregamento especificam mecanismos de segurança como:

• aterramento e isolamento para evitar choques elétricos
• garantindo que a energia seja fornecida apenas quando uma conexão segura for estabelecida
• mecanismos para detectar sobrecorrente, sobretensão, curtos-circuitos, falhas de aterramento e temperaturas anormais, e para desligar a energia com segurança
• monitoramento de temperatura, especialmente para carregamento CC de alta potência

Integração à rede

Os EVSEs estão cada vez mais integrados nas redes inteligentes para implementar:

• V2G (veículo para rede) para fluxo bidirecional de energia
• balanceamento de carga
• resposta à demanda
• carregamento inteligente com base na carga da rede e na disponibilidade de energia renovável

Alguns EVSEs podem ser alimentados por energia solar e outros recursos energéticos distribuídos.

Para um carregamento seguro e confiável de veículos elétricos, é essencial realizar testes completos do EVSE. Os testes do EVSE devem abordar os aspectos descritos abaixo:

• Interoperabilidade: o EVSE deve ser capaz de carregar com sucesso todos os veículos elétricos de qualquer fabricante ou modelo, a fim de manter a confiança do consumidor na mobilidade elétrica.
• Conformidade com protocolos: Muitos problemas de incompatibilidade decorrem de erros de comunicação. Com inúmeras normas EVSE e funcionalidades avançadas, é fundamental realizar testes rigorosos de conformidade com protocolos para garantir a interoperabilidade.
• Segurança: Os testes EVSE validam eventos críticos para a segurança, como desligamentos de emergência e descarga de fontes internas de alta tensão. O teste de resistência de isolamento também é uma verificação de segurança fundamental.
• Desempenho: Os testes EVSE devem validar o desempenho em condições de falha, temperaturas extremas e eventos dinâmicos da rede.
• Simulação: Simulações realistas de diferentes veículos elétricos, baterias, cenários positivos e condições de erro permitem levar os sistemas ao seu limite desde as fases iniciais, a baixo custo, sem colocar em risco as instalações EVSE ou os veículos elétricos.
• Automação: A automação de testes permite uma avaliação repetível por meio de centenas de testes, verificando continuamente a interoperabilidade e a conformidade.
• Compatibilidade eletromagnética (EMC): as emissões do EVSE podem interferir com outros dispositivos eletrônicos e comunicações sem fio. Os testes de EMC garantem que os EVSEs funcionem sempre no ambiente eletromagnético pretendido.
• Segurança do protocolo: a autenticação segura e a troca de dados são verificadas por meio de testes de segurança da camada de transporte, infraestrutura de chave pública para PnC e segurança XML para integridade da camada de aplicação e não repúdio.
• Depuração: Para depuração e análise da causa raiz, os visualizadores de rastreamento de protocolo e os analisadores man-in-the-middle permitem a observação, captura e decodificação de sinais de comunicação e energia entre um EV e um EVSE.

Os testes de interoperabilidade utilizam sistemas e métodos de teste especializados para garantir uma comunicação e transferência de energia perfeitas entre diferentes redes, EVSE e veículos elétricos. Vejamos estas técnicas abaixo.

• Teste de conformidade: A verificação rigorosa da conformidade com o protocolo, utilizando especificações oficiais de casos de teste de vários padrões de carregamento, garante o cumprimento estrito das regras que regem as negociações de carregamento. Testar os comportamentos de negociação e fallback garante a compatibilidade com modelos de veículos elétricos novos e antigos. Os EVSEs podem ser projetados para suportar padrões em evolução.
• Emulação EVSE: O sistema de teste emula um EVSE CA ou CC configurável para testar qualquer veículo elétrico.
• Emulação de EV: O sistema de teste atua como um EV configurável universal que permite testes funcionais, de segurança e de desempenho do EVSE. Ele usa uma carga eletrônica e uma fonte de alimentação regenerativa para simular o comportamento do EV.
• Emulação de bateria: O sistema de teste pode emular qualquer capacidade, tecnologia, estado de carga ou resistência interna da bateria de um veículo elétrico.
• Teste man-in-the-middle: Um sistema de teste é colocado entre um veículo elétrico real e um EVSE real para monitorar, capturar e decodificar passivamente os sinais de comunicação e energia. Isso permite a análise em tempo real de erros e suas causas durante uma sessão de carregamento real.
• Testes automatizados: Bibliotecas extensas de casos de teste automatizados baseados em especificações do setor podem ser executadas de forma sistemática e contínua para validar comportamentos, injetar parâmetros modificados e definir condições de aprovação/reprovação.
• Teste ao nível dos componentes: O controlador de comunicação EV (EVCC) no veículo e o controlador de comunicação do equipamento de alimentação (SECC) no carregador são testados individualmente utilizando um testador de interface de comunicação que emula o controlador correspondente e executa casos de teste pré-programados. 

Qual é a diferença entre o teste de conformidade EVSE e o teste funcional?

Os testes de conformidade EVSE verificam rigorosamente a adesão às normas oficiais de carregamento e aos protocolos de comunicação, incluindo o seu comportamento em condições normais, extremas e de erro. É um pré-requisito para a aprovação e certificação do tipo.

O teste funcional vai além do teste de conformidade, verificando se um EVSE está se comportando e funcionando conforme o esperado pelos usuários.