Os quatro modos de carregamento EV no padrão IEC 61851

Neste artigo, veremos diferentes modos de carregamento de VE especificados pela International Electrotechnical Commission (IEC).

Padrões internacionais estão sendo desenvolvidos para atender às necessidades do mercado de EV. A aceitação global de EV depende de padrões internacionais bem estabelecidos que podem abordar as questões de segurança, confiabilidade e interoperabilidade do mercado de EV.

Neste artigo, veremos diferentes modos de carregamento de EV especificados pela International Electrotechnical Commission (IEC). Esses modos são especificados na norma IEC 61851 que trata dos sistemas de carregamento condutivo de veículos elétricos. O padrão descreve quatro modos de carregamento diferentes chamados modo 1, 2, 3 e 4.

A IEC desenvolveu outros padrões que tratam de outros aspectos das tecnologias de carregamento de EV. Por exemplo, o IEC 62196 discute plugues, tomadas, conectores de veículos e entradas de veículos, enquanto o IEC 61980 trata de sistemas de transferência de energia sem fio para veículos elétricos (WPT).

Diferentes tipos de conexões de cabo

O IEC 61851-1 descreve três tipos diferentes de conexões, conforme mostrado na figura a seguir:

Os três tipos principais de cabos de carregamento EV. Imagem usada cortesia da Universidade de Zagreb

Com o Caso A, o cabo está permanentemente conectado ao EV, mas pode ser destacado na estação de carga (também chamada de EVSE - equipamento de alimentação de veículos elétricos) do lado do EVSE. O Caso B especifica um cabo removível em ambas as extremidades e o Caso C é um cabo que está permanentemente conectado ao EVSE.

Modo 1 de carregamento EV

Com este modo, o EV é conectado diretamente a uma tomada doméstica. A corrente máxima neste modo é de 16 A e sua tensão não deve ultrapassar 250 V em um sistema monofásico e 480 V no caso de uma rede trifásica.

A estrutura básica de um EV conectado a uma tomada doméstica. Imagem usada cortesia da Universidade de Zagreb

O Modo 1 é o modo de carregamento mais simples possível e não oferece suporte a nenhuma comunicação entre o EV e o ponto de carregamento. Este modo de carregamento é proibido ou restrito em muitos países.

Modo de carregamento EV 2

As tomadas para uso doméstico nem sempre fornecem energia elétrica de acordo com os padrões atuais. Além disso, tomadas e plugues projetados para aplicações domésticas podem não ser capazes de tolerar o consumo contínuo de corrente no valor nominal máximo.

É por isso que conectar um EV à tomada por um longo tempo sem funções de controle e segurança pode aumentar o risco de choque elétrico. Para resolver este problema, os especialistas desenvolveram o modo de carregamento 2 que usa um tipo especial de cabo de carregamento equipado com um dispositivo de controle e proteção no cabo (IC-CPD).

O IC-CPD executa as funções de controle e segurança necessárias. A corrente máxima deste modo é 32 A e sua tensão máxima não deve exceder 250 V monofásico ou 480 V trifásico. O Modo 2 pode ser usado com tomadas domésticas e industriais.

As funções de segurança deste modo podem detectar e monitorar a conexão de aterramento de proteção. Proteção de sobrecorrente e sobretemperatura são duas outras funções de segurança que o modo 2 suporta. Além disso, o EVSE pode realizar comutação funcional, pois detecta a conexão com o EV e analisa sua demanda de energia de carregamento.

O modo de carregamento 2 e o cabo associado são mostrados na figura a seguir.

Modo de carregamento 2 e cabo associado. Imagem (modificada) usada como cortesia da Universidade de Zagreb e Ali Bahrami

Embora o modo 2 possa ser usado para cobrança privada, seu uso público está sujeito a restrições em muitos países.

Modo de carregamento EV 3

Este modo utiliza um EVSE dedicado junto com o carregador EV on-board. A corrente CA da estação de carregamento é aplicada ao circuito integrado para carregar a bateria. Diversas funções de controle e proteção são empregadas para garantir a segurança pública. Isso inclui a verificação da conexão de aterramento de proteção e a conexão entre o EVSE e o EV.

Além disso, este modo pode ajustar a corrente de carga para a capacidade máxima de corrente do conjunto do cabo. A corrente máxima deste modo de carregamento é 250 A com uma rede 250 V monofásica ou 480 V trifásica. Ele também suporta um modo operacional compatível com o modo 2, onde a corrente máxima é limitada a menos de 32 A para casos monofásicos e trifásicos.

Qualquer uma das três conexões possíveis (Caso A, Caso B e Caso C) pode ser usada neste modo. Os casos B e C são mostrados abaixo.

Caso B e Caso C em modo de carregamento 3. Imagem usada cortesia da Universidade de Zagreb

Vamos ver como este modo define as comunicações entre a estação de carregamento e o EV. O circuito piloto de controle do modo 3 é mostrado na figura a seguir.

Circuito piloto de controle do modo 3. Imagem (modificada) usada cortesia da Energies.

Dependendo do status das chaves S1, S2 e S3, diferentes níveis de tensão aparecerão no "contato piloto". Isso pode ser usado como uma representação de diferentes estágios de carregamento. O EV pode iniciar um ciclo de carregamento da seguinte forma:

Antes de conectar o cabo de carregamento, os interruptores S2 e S3 estão desligados e S1 é conectado à fonte de 12 V DC. Neste caso, a tensão que o EVSE mede no contato piloto é de 12 V DC (o EVSE percebe que o EV ainda não está conectado).

Depois que o cabo de carga é conectado ao EV e ao EVSE, o controlador no lado EV pode ligar S3 para reduzir a tensão do contato do piloto para cerca de 9 V. Isso informa ao EVSE que o cabo está conectado a ambos os EV e o EVSE. Além disso, o sinal DC 9 V no contato piloto diz ao EV que o EVSE ainda não está pronto.

Quando o EVSE está pronto para carregar o EV, ele conecta S1 ao oscilador. O sinal PWM no contato do piloto informa ao EV que o EVSE está pronto.

Então, o EV liga S2 para criar uma tensão de cerca de 6 V no contato piloto para indicar que ele também está pronto. A tensão criada neste estágio depende do valor do resistor R3. O valor deste resistor especifica se ventilação é necessária nesta área de carga ou não. Com R3 =1,3 kΩ, a tensão de contato do piloto é de cerca de 6 V. Isso corresponde a áreas de carga onde a ventilação não é necessária. Para áreas que precisam de ventilação, R3 =270 Ω é utilizado, o que dá uma tensão de contato piloto de cerca de 3 V.

Quando o veículo é carregado ou deseja abortar o ciclo de carregamento por qualquer motivo, ele pode desligar o S2. Isso muda o nível de tensão positiva do PWM para 9 V e informa ao EVSE que o EV não está mais pronto para ser carregado.

Modo 4 de carregamento EV

Este é o único modo de carregamento que incorpora um carregador externo com saída CC. A corrente DC é fornecida diretamente para a bateria e o carregador integrado é ignorado. Este modo pode fornecer 600 V DC com uma corrente máxima de 400 A. O alto nível de potência envolvido neste modo exige um nível mais alto de comunicação e recursos de segurança mais rígidos.

O modo 4 permite apenas uma conexão de caso C, onde o cabo de carregamento está permanentemente conectado à estação de carregamento.

Modo quatro em uma conexão classe C. Imagem usada cortesia de Ali Bahrami

Conclusão

O padrão IEC 61851 trata dos sistemas de carregamento condutivo de veículos elétricos. O padrão descreve quatro modos de carregamento diferentes - modos 1–4.

Os primeiros três modos fornecem corrente CA ao carregador EV on-board; no entanto, o modo 4 fornece corrente CC diretamente para a bateria e ignora o carregador integrado. O Modo 3 emprega várias funções de controle e proteção com o objetivo de segurança pública. Examinamos o circuito piloto de controle deste modo em maiores detalhes neste artigo.