Vitor Torquato Arioli
A
NÁLISE DE
I
MPACTOS
T
ÉCNICOS
P
ROVOCADOS PELA
P
E-NETRAÇÃO
M
ASSIVA DE
V
EÍCULOS
E
LÉTRICOS EM
R
EDES
DE
D
ISTRIBUIÇÃO DE
E
NERGIA
E
LÉTRICA
CAMPINAS 2016
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO
Vitor Torquato Arioli
A
NÁLISE DE
I
MPACTOS
T
ÉCNICOS
P
ROVOCADOS PELA
P
E-NETRAÇÃO
M
ASSIVA DE
V
EÍCULOS
E
LÉTRICOS EM
R
EDES
DE
D
ISTRIBUIÇÃO DE
E
NERGIA
E
LÉTRICA
Orientador: Prof. Dr. Walmir de Freitas Filho
Dissertação de Mestrado apresentada ao Progra-ma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computa-ção da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, na área de Energia Elétrica.
Este exemplar corresponde à versão final da dissertação defendida pelo aluno Vitor Torquato Arioli e orienta-do pelo professor Dr. Walmir de Freitas Filho.
Assinatura do Orientador:
______________________________________
CAMPINAS 2016
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Arioli, Vitor Torquato,
Ar43a AriAnálise de impactos técnicos provocados pela penetração massiva de veículos elétricos em redes de distribuição de energia elétrica / Vitor Torquato Arioli. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.
AriOrientador: Walmir de Freitas Filho.
AriDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
Ari1. Veículos elétricos. 2. Sistemas de energia elétrica - Distribuição. 3. Impacto. 4. Redes elétricas - Análise. I. Freitas Filho, Walmir de,1971-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Analysis of technical impacts caused by the high penetration level of electric vehicles in the electric power distribution systems
Palavras-chave em inglês: Electric vehicles
Power systems - Distribution Impact
Electrical networks - Analysis
Área de concentração: Energia Elétrica Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica Banca examinadora:
Walmir de Freitas Filho [Orientador] Madson Cortes de Almeida
Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho Data de defesa: 01-07-2016
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Elétrica
Candidato: Vitor Torquato Arioli (RA: 085042) Data da Defesa: 01 de julho de 2016
Título da Tese: “Análise de Impactos Técnicos Provocados pela Penetração Massiva de Veículos Elétricos em Redes de Distribuição de Energia Elétrica”.
Prof. Dr. Walmir de Freitas Filho (Presidente, FEEC/UNICAMP) Prof. Dr. Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho (CECS/UFABC) Prof. Dr. Madson Cortes de Almeida (FEEC/UNICAMP)
A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão Jul-gadora, encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Agradeço ao Prof. Walmir pela amizade, confiança, ensinamentos e orientação no trabalho.
À minha esposa Fernanda, por todo carinho, paciência, cobrança e companhia em todas as fases de elaboração da dissertação.
Aos meus pais por todo amor, carinho, por sempre terem me proporcionado es-tudar e me guiarem na escolha do melhor caminho.
Ao Ricardo Torquato pelo companheirismo e a grande contribuição técnica em todo o trabalho.
Aos meus amigos do CPqD que sempre me ajudaram e apoiaram no decorrer do mestrado.
Ao CPqD por incentivar e disponibilizar recursos para realizar os estudos que envolvem o mestrado.
E por fim, à CPFL por apostar no futuro do veículo elétrico, fornecendo subsí-dios para os estudos no tema desta dissertação.
O setor de transporte tem um papel fundamental na busca mundial por reduzir a emissão de gases poluentes na atmosfera, prioritariamente nos grandes centros urbanos. Por este fato, aliado aos crescentes incentivos governamentais e à recente evolução tec-nológica no sistema de armazenamento de energia (bateria), o Veículo Elétrico (VE) tornou-se a grande aposta neste setor. Grande parte dos VEs comercialmente disponí-veis utilizam a energia fornecida pela rede elétrica da concessionária para recarregar suas baterias. Estes são chamados veículos elétricos do tipo plug-in, e necessitam de quantidade de potência e energia significativas para cada recarga.
O aumento da penetração de VEs do tipo plug-in leva, consequentemente, ao aumento da carga atendida pela concessionária, podendo causar impactos indesejáveis na operação da rede elétrica. Alguns dos possíveis impactos são: queda da magnitude de tensão, aumento no nível de desequilíbrio (os carregadores dos VEs podem ser monofá-sicos ou bifámonofá-sicos), sobrecarga dos componentes da rede (cabos ou transformadores), aumento nas perdas elétricas, aumento do nível de distorção harmônica da rede, agra-vamento de transitórios de tensão e corrente durante curtos-circuitos, entre outros. Logo, é importante avaliar os impactos desta nova carga na qualidade de energia da rede elé-trica, a fim de que as concessionárias adequem suas práticas de manutenção e operação de rede a este novo contexto.
Neste mestrado, são identificados e caracterizados os potenciais impactos dos VEs na rede elétrica de baixa tensão, a partir de simulações em regime permanente e em regime transitório da recarga de um ou diversos VEs conectados em residências. Os estudos e análises foram realizados utilizando uma rede elétrica secundária, residencial típica do sistema elétrico brasileiro, e a modelagem do VE foi determinada a partir de medições reais de recarga.
Também é apresentada uma extensa pesquisa da situação tecnológica atual dos VEs, em que são apresentados os níveis de hibridização de VEs, características da re-carga (tipos e interfaces de conexão), tecnologias de baterias e suas aplicações em VEs, tecnologias de motores elétricos em uso nos VEs, projeções do crescimento de mercado de VE no Brasil e mundo, e as características dos principais VEs comerciais.
Palavras-chave: veículos elétricos, sistemas de distribuição de energia elétrica, impac-tos técnicos.
The transportation sector plays an important role in the global target of reducing greenhouse emissions in the atmosphere, mainly in large urban centers. Due to this fact, in addition to the increasing government incentives and the recent technological devel-opments in energy storage system (battery), the Electric Vehicle (EV) has received great attention in the transportation sector. Most of the commercially available EVs have their batteries recharged by being plugged into the power system. These vehicles are called plug-in electric vehicles and require a significant amount of power and energy to re-charge their battery.
The penetration level growth of plug-in EVs leads to an increase in the amount of energy supplied by the utility. This may cause undesirable impacts on the operation of the power system. Potential impacts include the decrease in voltage magnitude, in-crease in voltage unbalance (EVs chargers can be single-phase or two-phase in a three-phase system), asset overload (cables or transformers), increase in electrical losses, in-crease in the harmonic distortion level, inin-crease in the severity of voltage and current transients during short-circuits, among others. Therefore, it is important to assess the impact of this new load at the network power quality, so that the utilities may shape their network maintenance and operation practices to this new context.
In this work, the potential impacts of EVs in low-voltage distribution networks are identified and characterized, by employing steady state and transient simulations of multiple EV charging events at residences. Studies and analyses were performed using a typical secondary distribution network from the Brazilian power system, and the EV modeling was determined from actual measurements.
There is also an extensive research of the current technological status of EVs, which presents EVs hybridization levels, recharge characteristics (types and connection interfaces), battery and electric motor technologies used in EVs, projections of EV mar-ket growth in Brazil and worldwide and the characteristics of the main commercial EVs.
Figura 2.1 - Arquitetura básica de um VEB ... 24
Figura 2.2 - Arquitetura básica de um VEH série ... 25
Figura 2.3 - Configuração básica de um VEH paralelo... 26
Figura 2.4 - Configuração básica de um VEH série-paralelo... 27
Figura 2.5 - Modo 1 de carga de VE ... 31
Figura 2.6 - Cabo comercial para recarga no modo 2 (Extraído de [12])... 31
Figura 2.7 - Modo 3 de recarga de VE ... 32
Figura 2.8 - Modo 4 de recarga de VE ... 33
Figura 2.9 - Estação de carga lenta (Extraído de [14])... 35
Figura 2.10 - Estação de carga semirrápida de 22 kW (Extraído de [15]) ... 36
Figura 2.11 - Estação de carga rápida (Extraído de [16])... 37
Figura 2.12 - Plugue e conector da SAE J1772 e representação da pinagem, respectivamente (Extraído de [20]) ... 39
Figura 2.13 - Plugue e conector Tipo 2 e representação da pinagem, respectivamente (Extraído de [21]) ... 40
Figura 2.14 - Plugue e conector do padrão CHAdeMO (Extraído de [22]) ... 42
Figura 2.15 - Pinagem padrão Plugue CHAdeMO... 42
Figura 2.16 - Combo Tipo 1 e 2, respectivamente (Extraído de [23] e [24]) ... 44
Figura 2.17 - Padrão GB/T para recarga CC (Extraído de [26]) ... 44
Figura 2.18 - Bateria chumbo-ácida ventilada (Extraído de [30])... 50
Figura 2.19 - Bateria chumbo-ácida regulada por válvula (Extraído de [31]) ... 51
Figura 2.20 - Representação esquemática de bateria chumbo-ácida com placa de carbono (Extraído de [34]) ... 52
Figura 2.21 - Esquemático da bateria convencional (esquerda) e bipolar (direita) (Extraído de [35]) ... 54
Figura 2.22 - Bateria NiMH (Extraído de [37])... 56
Figura 2.23 - Célula de sódio cloreto de níquel... 58
Figura 2.24 - Desenho esquemático da bateria NaNiCl ... 59
Figura 2.25 - Curvas Ragone apresentando a densidade de potência e densidade energética para vários tipos e tecnologias de baterias (Extraído de [43]) ... 61
Figura 2.26 - Representação esquemática da bateria de Lítio-íon (Extraído de [42]).... 62
Figura 2.29 - Vendas de VEBs e VEHPs nos EUA (Extraído de [54])... 71
Figura 2.30 - Percentual de vendas de VEBs e VEHPs no mundo (Extraído de [56])... 72
Figura 2.31 - Projeção de veículos elétricos no mundo até 2020 (Extraído de [56]) ... 73
Figura 2.32 - Projeção ABVE (Extraído de [57])... 74
Figura 2.33 - Velocidade de inserção de VEB (Extraído de [59]) ... 76
Figura 2.34 - Preço do VE no Brasil (mil reais em 2013) (Extraído de [59]) ... 76
Figura 2.35 - Cenário para a CPFL Energia (Extraído de [59]) ... 77
Figura 2.36 - Penetração de VE - consumo anual (Extraído de [60]) ... 80
Figura 2.37 - Penetração de VE - Potência instalada (Extraído de [60])... 80
Figura 2.38 - Quantidade de veículos que serão recarregados pela rede (Extraído de [60]) ... 80
Figura 3.1 - Recarga do VE A em 220 V monofásico... 90
Figura 3.2 - Recarga do VE B em 127 V monofásico... 90
Figura 3.3 - Modelo matemático de carregadores de VEs como carga “potência constante” ... 91
Figura 3.4 - Diagrama simplificado da rede secundária estudada ... 92
Figura 3.5 - Magnitude (fig. a) e desequilíbrio (fig. b) de tensão nodal para o caso base do sistema estudado ... 96
Figura 4.1 - Representação simplificada de um sistema de distribuição com veículo elétrico ... 98
Figura 4.2 - Comportamento do nível de tensão fase-neutro nas três fases da barra 22 ... 100
Figura 4.3 - Perfis de tensão para diferentes níveis de demanda da rede ... 103
Figura 4.4 - Perfis de tensão para diferentes pontos de conexão do veículo elétrico ... 104
Figura 4.5 - Redução no nível de tensão da barra 22 para um VE monofásico (fig. a) e bifásico (fig. b) ... 105
Figura 4.6 - Diagrama simplificado da rede secundária estudada ... 106
Figura 4.7 - Perfis de tensão considerando-se a conexão de múltiplos carregadores de VE com diferentes níveis de demanda ... 107
Figura 4.8 - Elevação do desequilíbrio de tensão em algumas barras do sistema ... 112
Figura 4.9 - Valor de desequilíbrio de tensão para diferentes níveis de demanda da rede ... 113
Figura 4.11 - Elevação do desequilíbrio de tensão considerando a conexão de um VE
monofásico (fig.a) e bifásico (fig.b) ... 115
Figura 4.12 - Perfis de desequilíbrio de tensão considerando-se a conexão de múltiplos VEs com diferentes níveis de demanda ... 116
Figura 4.13 - Representação simplificada de um sistema de distribuição com veículo elétrico ... 118
Figura 4.14 - Carregamento das linhas e transformador ... 121
Figura 4.15 - Fluxos de corrente em todos os ramos da rede (a fase com maior fluxo de corrente é ilustrada para cada ramo)... 122
Figura 4.16 - Fluxos de correntes para diferentes pontos de conexão do veículo elétrico ... 123
Figura 4.17 - Sobrecarga de ramos considerando VE monofásico (fig. a) e bifásico (fig. b)... 124
Figura 4.18 - Fluxos de correntes em todos os ramos da rede... 126
Figura 4.19 - Representação simplificada de um sistema de distribuição com VE... 127
Figura 4.20 - Perdas elétricas totais ativas (fig. a) e reativas (fig. b) do circuito ... 130
Figura 4.21 - Perdas elétricas totais ativas (fig. a) e reativas (fig. b) para três níveis de demanda da rede ... 131
Figura 4.22 - Perdas elétricas totais ativas (fig. a) e reativas (fig. b) para diferentes pontos de conexão do veículo elétrico... 132
Figura 4.23 - Perdas elétricas totais para um VE monofásico (figs. a e b) e bifásico (figs. c e d) ... 133
Figura 4.24 - Perdas elétricas ativas (fig. a) e reativas (fig. b) considerando-se a conexão de múltiplos VEs com diferentes níveis de demanda ... 134
Figura 5.1 - Correntes harmônicas e DHTImedidos durante o carregamento de um VE (corrente fundamental = 13,6 A) ... 138
Figura 5.2 - Modelo para representação de VEs nas frequências harmônicas ... 138
Figura 5.3 - Comportamento da distorção harmônica total de tensão (a) e corrente (b) no ponto de conexão do VE (barra 22)... 140
Figura 5.4 - Comportamento da distorção harmônica total de tensão (a) e corrente (b) no lado de baixa tensão do transformador de distribuição (barra 2) ... 141
Figura 5.6 - Distorção harmônica total de tensão (fig. a) e corrente (fig. b) para três níveis de demanda da rede... 143 Figura 5.7 - Distorção harmônica total de tensão (fig. a) e corrente (fig. b) para diferentes pontos de conexão do VE ... 144 Figura 5.8 - Distorção harmônica total (fase A) de tensão (fig. a) e corrente (fig. b) após conexão de um VE monofásico ou bifásico ... 145 Figura 5.9 - Distorção harmônica total (fase B) de tensão (fig. a) e corrente (fig. b) após conexão de um VE monofásico ou bifásico ... 145 Figura 5.10 - Distorção harmônica total de tensão (fig. a) e de corrente (fig. b) considerando-se a conexão de múltiplos carregadores de VE com diferentes níveis de demanda... 146 Figura 6.1 - Diagrama da rede utilizada nos estudos de transitórios eletromagnéticos 150 Figura 6.2 - Circuito detalhado do conversor CA/CC utilizado para representar o VE 150 Figura 6.3 - Exemplo de comportamento das correntes que alimentam o VE e da corrente de curto-circuito monofásico e trifásico na barra 6 ... 151 Figura 6.4 - Correntes de curto-circuito monofásico (fig. a) e trifásico (fig. b) na barra 6 para cinco potências de carregadores de VE ... 152 Figura 6.5 - Correntes do carregador de VE durante simulação de curto-circuito monofásico ... 152 Figura 6.6 - Esquemático para demonstrar como ocorrem os afundamentos e elevações de tensão ... 155 Figura 6.7 - Exemplo de comportamento das tensões na barra 6 durante a ocorrência de um curto-circuito monofásico (fig. a) e trifásico (fig. b) na barra 6... 156 Figura 6.8 - Comportamento das tensões das fases A (fig. a), B (fig. b) e C (fig. C) na barra 6 para cinco carregadores de VE – curto-circuito monofásico (Fase A - terra) .. 157 Figura 6.9 - Comportamento das tensões da fase A (fig. a), fase B (fig. b) e fase C (fig. C) na barra 6 para cinco carregadores de VE – curto-circuito trifásico ... 158 Figura A.1 - Implementação da rede elétrica e conversor CA/CC no PSCAD/EMTDC ... 172 Figura A.2 - Exemplos de resultados obtidos na simulação via PSCAD/EMTDC ... 173 Figura A.3 - Implementação do controle do conversor CA/CC no PSCAD/EMTDC . 174
Tabela 2.1 - Comparação da densidade de energia das diversas fontes de energia... 46
Tabela 2.2 - VEs comerciais e as respectivas tecnologias de baterias de Lítio-íon ... 66
Tabela 2.3 - Tecnologias de motores utilizadas em VEs comerciais ... 68
Tabela 2.4 - Valores considerando os cenários ... 75
Tabela 2.5 - Percentuais de penetração (em relação a frota brasileira) por cenário ... 78
Tabela 2.6 - Penetração de VE por região - Cenário Conservador... 79
Tabela 2.7 - Veículos elétricos comerciais com as respectivas características ... 82
Tabela 3.1 - Diferenças do FC para rede de transmissão e distribuição... 84
Tabela 3.2 - Relação X/R ... 84
Tabela 3.3 - Valores dos expoentes a serem empregados nas equações (3.1) e (3.2) para os diferentes tipos de cargas estáticas... 87
Tabela 3.4 - Valores típicos dos parâmetros de componentes de carga – modelo exponencial [71] ... 88
Tabela 3.5 - Características elétricas da recarga de VE de acordo a SAE J1772 ... 89
Tabela 3.6 - Características elétricas da recarga conforme o tipo 2 da ABNT IEC 62196-2 ... 89
Tabela 3.7 - Dados do equivalente de rede... 92
Tabela 3.8 - Dados do transformador abaixador ... 92
Tabela 3.9 - Dados das cargas ... 93
Tabela 3.10 - Dados dos ramos ... 95
Tabela 3.11 - Perdas elétricas totais para o caso base ... 96
Tabela 4.1 - Potência máxima consumida da rede pelo carregador bifásico... 100
Tabela 4.2 - Potência máxima consumida da rede para conexão monofásica ou bifásica ... 104
Tabela 4.3 - Potência máxima consumida por múltiplos VEs – queda de tensão em RP ... 108
Tabela 4.4 - Potência máxima consumida da rede pelo carregador bifásico – desequilíbrio de tensão ... 111
Tabela 4.5 - Potência máxima consumida da rede – desequilíbrio de tensão ... 115
Tabela 4.6 - Potência máxima consumida por múltiplos VEs – desequilíbrio de tensão ... 117
Tabela 4.8 - Potência máxima consumida da rede pelo carregador bifásico – sobrecarga do transformador ... 120 Tabela 4.9 - Carregamento do transformador para três níveis de demanda da rede... 122 Tabela 4.10 - Potência máxima consumida por carregadores bifásicos – carregamento do transformador ... 124 Tabela 4.11 - Potência máxima consumida da rede pelo carregador – corrente em regime permanente ... 125 Tabela 4.12 - Carregamento do transformador para três níveis de demanda da rede... 125 Tabela 4.13 - Relação entre as perdas elétricas para diferentes configurações de circuito e um circuito trifásico ... 129 Tabela 5.1 - Espectro harmônico da corrente consumida por um VE monofásico e um VE bifásico ... 139 Tabela 6.1 - Corrente no primário do transformador de distribuição (fase A) durante curto-circuito em rede secundária com VE bifásico de diferentes potências ... 153
AAC All-Aluminum Conductors
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRADEE Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica ABVE Associação Brasileira de Veículos Elétricos
ACEA Associação dos Fabricantes de Automotores Europeus ACSR Aluminum Conductors, Steel Reinforced
AGM Absorbed Glass Mat
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ANFAVEA Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores AWG American Wire Gauge
BMS Battery Management System
BT Baixa Tensao
CA Corrente Alternada
Camex Câmara de Comércio Exterior CAN Controller Area Network
CC Corrente Contínua
CCS Combined Charging System CFL Compact fluorescent lamp CHAdeMO Charge de Move
CPFL Companhia Paulista de Força e Luz DDR Disjuntor Diferencial Residual DHI Distorção Harmônica Individual DHT Distorção Harmônica Total DoD Depth-of-Discharge
EFB Enhanced Flood Battery
EP Eletroposto
EPA Environmental Protection Agency EPRI Electric Power Research Institute EREV Extended Range Electric Vehicle
FC Fluxo de Carga
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IPI Imposto sobre Produtos Industrializados
IPVA Imposto Sobre a Propriedade de Veículos Automotores
LCO Lítio-cobalto
LFPB Lítio ferro-fosfato LMBO Óxido de lítio-manganês
LTO Lítio titanato
MCI Motor à Combustão Interna
MCM 1000 Circular Mils
ME Motor Elétrico
MT Média Tensão
NaNiCl Sódio cloreto de níquel
Na-S Sódio enxofre
NBR Norma Brasileira
NCA Níquel-cobalto-alumínio NEC National Electrical Code NEDC New European Driving Cycle
NEMA National Electrical Manufacturers Association
NiCd Níquel-cádmio
NiMH Níquel Hidreto Metálico NMC Níquel-manganês-cobalto P&D Pesquisa e Desenvolvimento PLC Power Line Communication
PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor PRODIST Procedimentos de Distribuição
PWM Pulse Width Modulation
rpm rotação por minuto
SAE Society of Automotive Engineers
SAVE Sistema de Alimentação para Veículo Elétrico SIN Sistema Interligado Nacional
SoC State-of-Charge SoH State-of-Health
VEH Veículo Elétrico Híbrido
VEHP Veículo Elétrico Híbrido Plug-in VRLA Valve Regulated Lead-Acid
1 INTRODUÇÃO ...20
1.1 OBJETIVOS...20
1.2 ORGANIZAÇÃO DESTA DISSERTAÇÃO ...21
2 VEÍCULOS ELÉTRICOS - SITUAÇÃO TECNOLÓGICA ATUAL ...23
2.1 TIPOS DE VEÍCULOS ELÉTRICOS ...23
2.1.1 Veículo Elétrico a Bateria (VEB) ...23
2.1.2 Veículo Elétrico Híbrido (VEH)...25
2.1.3 Grau de Hibridização de VEHs ...27
2.2 CARACTERÍSTICAS DE RECARGA DE VEÍCULOS ELÉTRICOS...29
2.2.1 Modos de recarga...30
2.2.2 Tipos de recarga...34
2.2.3 Interface de conexão entre VE e estação de carga...37
2.3 BATERIAS...45
2.3.1 Conceitos Básicos...46
2.3.2 Tecnologias de Baterias para Veículos Elétricos ...49
2.4 MOTOR ELÉTRICO PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS ...66
2.4.1 Motor Síncrono de Ímã Permanente (PMSM)...68
2.4.2 Motor de Indução ...69
2.4.3 Motor Síncrono com Rotor Bobinado ...69
2.5 MERCADO E PROJEÇÕES DE VEÍCULOS ELÉTRICOS ...69
2.5.1 Mundo...70
2.5.2 Brasil...73
2.6 VEÍCULOS ELÉTRICOS COMERCIAIS ...81
2.7 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS...81
3 METODOLOGIA DOS ESTUDOS EM REGIME PERMANENTE...83
3.1 FLUXO DE CARGA EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO...83
3.2 MODELAGEM DA CARGA ...85
3.2.1 Modelo Exponencial...86
3.2.2 Modelo do Veículo Elétrico ...88
3.3 DESCRIÇÃO DA REDE ELÉTRICA DO ESTUDO ...91
3.4 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS...96
4.1.2 Simulação Computacional...100
4.2 PERFIL DE DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO ...108
4.2.1 Análise teórica ...108
4.2.2 Simulação computacional...110
4.3 FLUXO DE CORRENTES EM REGIME PERMANENTE ...117
4.3.1 Análise teórica ...117 4.3.2 Simulação computacional...119 4.4 PERDAS ELÉTRICAS ...126 4.4.1 Análise teórica ...127 4.4.2 Simulação computacional...129 4.5 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS...134
5 IMPACTO DO VEÍCULO ELÉTRICO NO NÍVEL DE DISTORÇÃO HARMÔNICA DA REDE ELÉTRICA ...136
5.1 ANÁLISE TEÓRICA...136
5.2 CARACTERÍSTICAS DAS CORRENTES HARMÔNICAS INJETADAS POR VEÍCULOS ELÉTRICOS...137
5.3 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL...139
5.3.1 Caso base ...139
5.3.2 Estudos de sensibilidade...142
5.4 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS...147
6 CONTRIBUIÇÃO DO VEÍCULO ELÉTRICO DURANTE CURTO-CIRCUITO NA REDE ELÉTRICA...148
6.1 CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO...148 6.1.1 Análise teórica ...148 6.1.2 Simulação computacional...149 6.2 TRANSITÓRIOS DE TENSÃO ...153 6.2.1 Análise teórica ...154 6.2.2 Simulação computacional...156 6.3 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS...158 7 CONCLUSÕES ...160
7.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...161
7.2 PRODUÇÃO CIENTÍFICA ...161
1 INTRODUÇÃO
A tecnologia de veículos elétricos (VEs) é uma das apostas no mundo para redu-zir a emissão de gases de efeito estufa (e.g., CO2, NH4e N2O) principalmente nos
gran-des centros urbanos. Os veículos convencionais com motor a combustão interna emitem partículas poluentes que são maléficas para a saúde humana, aumentando os gastos com saúde pública, além de contribuírem para o aquecimento global [1], [2]. Os veículos puramente elétricos não emitem poluentes na sua operação enquanto, nos híbridos, quanto maior o grau de hibridização, menor será a emissão. Considerando que o Brasil possui grande percentual de sua matriz energética baseada em fontes limpas [3], o VE traz ainda mais benefícios, devido às características citadas.
A comercialização de veículos elétricos está crescente no mundo [4], principal-mente em países que adotam políticas de incentivo (isenção fiscal, não pagamento de pedágios, estacionamentos exclusivos, etc.), sendo que todos os grandes fabricantes de automotores possuem no portfólio, no mínimo um modelo de VE. O Brasil tem grande potencial para ser um dos maiores mercados de VEs no mundo, pois já é o 4º maior mercado de veículos convencionais [5]. Um incentivo para acelerar este processo é a Resolução Camex (Câmara de Comércio Exterior) n° 97/2015, a qual reduz de 35% para 0% o imposto de importação de veículos puramente elétricos [6].
Neste cenário, é importante que as concessionárias se adequem a esta nova car-ga, que pode trazer impactos técnicos às redes de distribuição de energia elétrica. Por-tanto, é importante avaliar quais são e a intensidade destes impactos, considerando prin-cipalmente a recarga residencial que é o local onde a maioria dos usuários irá recarregar seu VE [7]. Como o VE é uma carga com consumo significativo, é possível que a con-cessionária tenha que investir na melhoria de sua rede elétrica, adequando-a para o ce-nário com quantidades elevadas de VEs. Por outro lado, este crescimento da carga au-mentará também o faturamento da concessionária.
1.1 OBJETIVOS
Devido ao aumento no uso de veículos elétricos, os quais podem impactar no consumo de energia e na infraestrutura da rede elétrica, esta dissertação tem como
prin-cipal objetivo identificar e caracterizar os impactos técnicos que os VEs podem causar na rede elétrica durante a recarga de sua bateria, por meio de uma análise qualitativa. Para atingir este objetivo serão realizadas análises teóricas e simulações computacionais para avaliar quais os impactos técnicos em regime permanente e transitórios, identifi-cando os mais restritivos em um cenário de penetração crescente de VEs. Os impactos são caracterizados por estudos de sensibilidade que identificam como os mesmos se comportam em diferentes cenários de carregamento da rede de distribuição, diferentes pontos de conexão do VE, diferentes tipos de carregadores (bifásicos ou monofásicos) e quantidades de VE em recarga. Assim é possível verificar quais destes impactos são mais problemáticos e, portanto, quais devem receber mais atenção.
A dissertação tem como objetivo secundário apresentar a situação tecnológica em que se encontram os VEs, detalhando os principais componentes dos VEs (tipos de VEs, carregador, bateria, motor etc.), as tecnologias destes componentes que são utili-zadas nos VEs comerciais e as projeções de penetração do VE no Brasil e mundo.
1.2 ORGANIZAÇÃO DESTA DISSERTAÇÃO
Os próximos capítulos deste trabalho estão divididos da seguinte forma:
O Capítulo 2 apresenta a situação tecnológica atual de veículos elétricos, identificando seus principais componentes e características, e também os es-tudos de projeção da penetração do VE nos próximos anos.
O Capítulo 3 descreve a metodologia utilizada para possibilitar a análise dos impactos técnicos em regime permanente dos VEs durante a recarga, apre-sentando a rede de distribuição e a modelagem do VE utilizadas nos estu-dos.
O Capítulo 4 mostra os estudos realizados em regime permanente e as res-pectivas análises dos impactos provocados pela recarga de VEs no perfil de tensão, desequilíbrio de tensão, fluxo de corrente e perdas elétricas da rede.
O Capítulo 5 trata da análise dos impactos técnicos dos VEs nos níveis de distorções harmônicas de tensão e corrente da rede.
O Capítulo 6 identifica qual a influência da recarga de VEs nas nos níveis de correntes e nos transitórios de tensão durante a ocorrência de curtos-circuitos na rede elétrica.
2 VEÍCULOS ELÉTRICOS - SITUAÇÃO TECNOLÓGICA ATUAL
Existem diversos aspectos tecnológicos que devem ser considerados na constru-ção e comercializaconstru-ção dos VEs, como a tecnologia utilizada na construconstru-ção das baterias, a forma como devem ser recarregadas, o motor elétrico empregado nos veículos etc. Neste capítulo, apresenta-se uma discussão da situação tecnológica atual desses aspec-tos, bem como uma análise do mercado e das projeções de crescimento do número de VEs no mercado nacional e mundial.
2.1 TIPOS DE VEÍCULOS ELÉTRICOS
Os veículos elétricos (VEs) podem ser puramente elétricos, utilizando apenas motor elétrico (ME) para propulsão, ou híbridos, que utilizam tanto o ME como o motor a combustão interna (MCI) para o seu funcionamento. Os VEs híbridos, por sua vez, também possuem diferentes características, arquiteturas e tecnologias, sendo apresenta-dos a seguir os principais tipos.
2.1.1 Veículo Elétrico a Bateria (VEB)
O VEB é um veículo puramente elétrico, sendo sua energia fornecida exclusi-vamente por um conjunto de baterias que é recarregado majoritariamente por uma fonte externa ao veículo e também no reaproveitamento da energia cinética gerada durante a frenagem ou desaceleração do veículo, quando o motor elétrico opera como gerador.
Os VEBs são compostos basicamente de motor elétrico com controlador eletrô-nico de velocidade e acumuladores de energia. A montagem de um VE é considerada menos complexa em relação aos veículos convencionais, pois não necessita de comple-xos sistemas de transmissão mecânicos, exaustão de gases, entrada de ar, ignição e combustão. Devido principalmente à ausência de diversos componentes mecânicos, os VEs têm a característica de necessitar de pouca manutenção ao longo de sua utilização.
Figura 2.1 - Arquitetura básica de um VEB
Como principais vantagens do VEB, destaca-se a ausência de emissão de polu-entes físicos e sonoros, além do custo altamente competitivo do “combustível”, que é a energia elétrica.
Por outro lado, para competir com os carros convencionais, as baterias devem possuir uma capacidade de armazenamento de energia similar à autonomia dos carros com MCI, e sua recarga deve ser feita em um período de tempo relativamente curto. Há um consenso mundial de estes serem os maiores desafios a serem superados na busca de tecnologias de baterias, a fim de viabilizar a utilização de forma competitiva do VEB. Outro grande obstáculo para a popularização dos VEBs é o custo da bateria, que pode corresponder a até 50% do valor total do VEB. Os modelos de VEBs mais encontrados no Brasil são:
Nissan Leaf;
Mitsubishi iMiEV;
Renault Zoe;
Renault Fluence Z.E.;
Renault Kangoo Z.E.;
Pálio Weekend Elétrico;
BYD e6;
2.1.2 Veículo Elétrico Híbrido (VEH)
Um veículo híbrido combina duas ou mais fontes de energia. Os VEHs comerci-ais utilizam sempre um MCI e bateria, com motor e gerador elétrico. O ME é alimenta-do a partir de baterias recarregadas pela energia elétrica produzida por um geraalimenta-dor co-nectado ao MCI que, por sua vez, utiliza energia química (de algum tipo de combustí-vel) para o seu funcionamento. Deste modo, há três tipos possíveis de arranjos básicos para o VEH.
2.1.2.1 VEH Série
No VEH com configuração série há um único caminho para o fluxo da energia, proveniente de duas fontes distintas. A tração é realizada somente pelo(s) motor(es) elétrico(s), nunca pelo MCI. O MCI tem a função de acionar um gerador que, por sua vez, fornece energia para a bateria ou diretamente para o ME. O ME também pode re-carregar a bateria durante frenagens, pois também opera como gerador.
A Figura 2.2 [8] apresenta uma arquitetura básica de um VEH série. O Chevrolet Volt é um dos veículos elétricos que utiliza esta configuração.
Figura 2.2 - Arquitetura básica de um VEH série
2.1.2.2 VEH Paralelo
Na configuração paralela há dois caminhos do fluxo de energia para a tração. A energia pode ser mecânica, via MCI, ou elétrica, via bateria e ME, sendo que ambas as
fontes estão acopladas mecanicamente na transmissão. A Figura 2.3 [8] apresenta um esquemático básico de uma VEH paralelo.
Figura 2.3 - Configuração básica de um VEH paralelo
Em determinadas condições de funcionamento, o MCI é solicitado para entrar mecanicamente em paralelo com o ME, auxiliando na geração de energia para aumentar o torque de tração nas rodas. Quando o módulo que controla as condições do VE perce-be essa necessidade, um acoplamento mecânico automático é feito ocorrendo a trans-missão adicional de torque mecânico do MCI para as rodas. A bateria é recarregada durante as frenagens ou pelo gerador.
O objetivo do sistema de controle desta configuração é sempre otimizar o de-sempenho e a economia do veículo, com o melhor aproveitamento das duas fontes de energia. Em comparação com o VEH série, tem um consumo mais eficiente na utiliza-ção em estradas pelo fato de aproveitar melhor o MCI em altas velocidades. O ME é mais utilizado para baixas velocidades.
Alguns dos modelos de VEH paralelo são: Mercedes-Benz S400 Hybrid e o Honda Accord.
2.1.2.3 VEH Série-Paralelo
O VEH também pode contemplar as duas configurações simultaneamente, com-binando as vantagens da configuração série e paralelo. Assim, é possível a recarga da bateria pelo MCI, ao mesmo tempo em que estiver tracionando o veículo.
A maioria dos VEHs comerciais utiliza esta configuração, por permitir que o MCI opere no ponto ótimo, por meio de estratégias de controle, aumentando a eficiência do sistema.
A Figura 2.4 [8] mostra uma configuração básica de um VEH série-paralelo.
Figura 2.4 - Configuração básica de um VEH série-paralelo
Os modelos Ford Fusion Hybrid e Toyota Prius são exemplos de VEH tipo série-paralelo.
2.1.3 Grau de Hibridização de VEHs
Ainda com relação às diferentes configurações de VEH, há uma classificação quanto a seu grau de hibridização, ou seja, quanto o acionamento elétrico realmente impulsiona o veículo. Os itens a seguir apresentam algumas classificações.
2.1.3.1 Micro Híbrido
O micro híbrido também é conhecido como start-stop e possui dois tipos de ar-quiteturas. Uma delas é baseada no sistema de partida convencional, no qual utiliza um motor de partida mais robusto e uma central de gerenciamento eletrônico, a fim de iden-tificar quando o motor deve ligar ou desligar. Por envolver menor custo de fabricação, é o mais aplicado atualmente. A outra configuração substitui o motor de partida por um alternador/motor que também tem a função de partir o MCI, através da correia.
No VE micro híbrido, o MCI desliga assim que o carro é parado (semáforo, trân-sito etc.) e o MCI liga assim que o motorista aciona a embreagem ou a marcha é seleci-onada. A economia de combustível estimada está entre 3% e 10%.
Ressalta-se, por fim, que o micro híbrido deve utilizar uma bateria automotiva que suporte condições mais críticas, tais como: maior quantidade de partidas, operação em baixo estado de carga e maior intensidade de corrente. A bateria pode ter tensão en-tre 12 e 48 V.
2.1.3.2 Híbridos Médios
O híbrido médio é um VE que possui grau de hibridização mais intrusivo na ar-quitetura dos veículos. Além de possuir a função start-stop, utiliza um motor elétrico para auxiliar o MCI. Durante a partida e início do movimento, o veículo se mantém pu-ramente elétrico, até determinada velocidade, para depois o MCI entrar em funciona-mento. Durante o percurso, o ME pode auxiliar o MCI na tração para maiores acelera-ções – permitindo uma redução no tamanho do MCI.
Nesta configuração, é necessário que a bateria tenha capacidade maior, com ten-são entre 60 e 200 V e capaz de operar frequentemente com descargas mais profundas.
A economia de combustível é ainda maior que no caso micro híbrido, para as mesmas condições de dirigibilidade, ficando entre 15 e 20%.
2.1.3.3 Híbrido Total (VEH)
Na classificação híbrida total, o veículo pode operar somente com o ME, somen-te com o MCI ou com ambos. Diferensomen-temensomen-te do híbrido médio, o VEH pode operar com o ME por longos períodos e velocidades maiores, sendo que, para isto, sejam ne-cessárias potência (10 a 100 kW) e baterias com maiores capacidades. O MCI utilizado é menor que nas outras configurações e contempla um sistema eletrônico de gerencia-mento mais complexo para aumentar a eficiência do sistema.
Cabe destacar que no VEH a energia para recarga das baterias é proveniente de uma fonte externa ao veículo, de combustíveis fósseis (MCI) ou pela frenagem regene-rativa.
2.1.3.4 Híbrido Plug-in (VEHP)
Diferentemente dos outros híbridos, as baterias dos VEHP podem ser recarrega-das por uma fonte externa (rede elétrica comercial).
O veículo utiliza um sistema puramente elétrico até um determinado estado de carga das baterias ou até o limite de velocidade determinado no projeto, utilizando o MCI para auxiliar ou assumir totalmente. Neste uso, a autonomia no modo puramente elétrico é menor do que um VEB, ficando entre 30 e 80 km.
O tamanho das baterias é reduzido aproximadamente entre 50 e 70%, se compa-rado a um VE puro (VEB). Para essas baterias, há a necessidade de alta densidade de energia e potência, permitindo estender a autonomia no modo elétrico. O ciclo de vida da bateria (durabilidade) também é um requisito muito importante, assim como sua ha-bilidade para suportar descargas profundas.
2.1.3.5 EREV (Extended Range Electric Vehicle)
O EREV é considerado um veículo elétrico com autonomia estendida. Basica-mente é um VEHP série e/ou paralelo com maior capacidade nas baterias, possuindo autonomia estendida com o MCI. Uma sofisticada eletrônica otimiza e gerencia seu funcionamento para que o veículo atinja a maior autonomia possível. O EREV opera no modo puramente elétrico até o momento que a bateria atinge o limite mínimo de estado de carga, então o MCI é ligado e fornece energia para o veículo, podendo operar no mo-do paralelo e/ou série.
2.2 CARACTERÍSTICAS DE RECARGA DE VEÍCULOS ELÉTRICOS
A estação de carga de VE, também conhecida como Eletroposto (EP), é um dis-positivo que faze a interface entre o VE e a rede elétrica. É um sistema que fornece energia em corrente alternada (CA) ou contínua (CC), especificamente para a recarga da bateria do VE. Este sistema visa aumentar a segurança durante a recarga e reduzir o risco envolvido em eventuais erros de manipulação dos usuários ou defeitos elétricos.
A seguir são apresentados termos e definições úteis que são tipicamente encon-trados em documentos que tratam da recarga condutiva de VEs [9]:
Carregador embarcado (on-board): carregador interno no VE que converte a energia CA da rede elétrica em CC, nos níveis de tensão e corrente adequados para a recarga da bateria;
Carregador externo (off-board): carregador externo ao VE que fornece energia CC diretamente para a bateria;
Controle piloto: interface de controle entre o VE e o eletroposto. Pode ser usado para executar várias funções, como indicar ao carregador do VE qual o limite de corrente que pode ser drenado da rede elétrica;
Sistema de Alimentação para VE (SAVE): composto de condutores (fases, neu-tro e terra), plugues de conexão, e todos os acessórios, dispositivos, tomadas de energia ou aparelhos instalados especificamente com a finalidade de suprimento de energia a partir da rede elétrica. Também permite a comunicação entre a rede e o VE.
2.2.1 Modos de recarga
A norma ABNT NBR IEC 61851-1 [9] descreve os diferentes modos pelos quais o VE pode ser recarregado. Tais modos são apresentados a seguir.
2.2.1.1 Modo de carga 1
Neste modo de recarga, o veículo elétrico é conectado à rede elétrica via tomada padrão (por exemplo, residencial ou industrial), não excedendo 16 A por fase e 250 V (monofásico) / 480 V (trifásico). Sistema mono ou trifásico, com fase(s), neutro e terra, sendo um modo de recarga lenta. Este modo é proibido nos EUA pelo NEC (National Electrical Code) [10], pois nem todas as instalações domésticas americanas dispõem de aterramento local. Por não haver nenhuma interface e proteção entre o VE e a rede elé-trica, é aconselhável a utilização de um terra e um disjuntor diferencial residual (DDR) por questão de segurança.
O Pálio Weekend Elétrico é recarregado utilizando este modo, por meio de uma tomada industrial (fase-neutro-terra). A Figura 2.5 ilustra o modo de carga 1 [11].
Figura 2.5 - Modo 1 de carga de VE
2.2.1.2 Modo de carga 2
O modo 2 também foi desenvolvido para permitir que o VE possa ser recarrega-do em uma tomada comum. Em uma extremidade há um plugue de tomada residencial padrão e na outra um plugue no padrão do VE. Utiliza um cabo específico que contém DDR e condutor de aterramento de proteção com função piloto, o qual verifica a inte-gridade do terra do plugue e desabilita a tensão caso o VE não esteja conectado. É limi-tado em 32 A por fase e 250 V (monofásico) ou 480 V (trifásico), todavia tipicamente a corrente é limitada em 10 ou 16 A.
A Figura 2.6 [12] apresenta um dispositivo comercial que permite a recarga do Modo 2 em tomadas residenciais.
Figura 2.6 - Cabo comercial para recarga no modo 2 (Extraído de [12])
É um modo de recarga com nível moderado de segurança. Este modo atende os requisitos mínimos exigidos para recarga, embora permita que o usuário utilize extensão ou adaptador de tomada que não suporte as correntes de operação, assim como uma instalação elétrica não apropriada.
A maioria dos VEs comerciais fornecem estes cabos do modo 2, conhecidos co-mo recargas ocasionais ou de emergência, para que seja possível a recarga do VE em locais onde não há eletropostos disponíveis.
2.2.1.3 Modo de carga 3
Modo de recarga em corrente alternada (CA) do VE a partir da rede elétrica, por meio de um Sistema de Alimentação para VE (SAVE) dedicado. Tem o objetivo de garantir a segurança dos usuários durante a recarga, mesmo na ocorrência de falhas hu-manas ou nos dispositivos. As principais funções do SAVE são: verificar se as conexões estão corretas, verificar o aterramento, desenergizar o cabo quando não houver solicita-ção de recarga e informar a intensidade da corrente disponível ao VE. A Figura 2.7 de-mostra o modo 3 [13].
Figura 2.7 - Modo 3 de recarga de VE
Em estações públicas de recarga, o SAVE possui um medidor de energia embu-tido e sistema de pagamento.
Atualmente, o modo 3 é o mais utilizado e também considerado mais adequado para a recarga de VEs, principalmente por aspectos de segurança aos usuários. A seguir são descritas algumas de suas vantagens:
Minimizam-se problemas da instalação elétrica, pois a estação de carga é proje-tada para suportar sua corrente máxima de operação, além da estação informar ao VE qual é o limite de corrente que pode ser fornecido;
Apresenta monitoramento contínuo da isolação do VE durante a recarga, garan-tindo a segurança frente a eventuais defeitos na isolação do VE;
Permite que uma estação de carga forneça diferentes intensidades de potência, devido à comunicação com o VE;
Possui um mecanismo que impede a retirada do cabo da estação de carga ou do VE, durante a recarga;
Mantém desenergizado o plugue ou conector da estação de carga, quando não há recarga.
2.2.1.4 Modo de carga 4
Neste modo o VE é recarregado por meio de uma conexão indireta com a rede elétrica. O retificador CA/CC fica localizado fora do veículo (carregador externo), for-necendo energia diretamente para a bateria. É aplicado para recargas rápidas em corren-te contínua. Um siscorren-tema de controle embarcado no VE é responsável por gerenciar a intensidade da corrente que é injetada na bateria, conforme o tipo e estado de carga (SoC – State-of-Charge) da bateria.
Este modo não é apropriado para residências, pois requer infraestrutura mais ro-busta e cara que a necessária para os outros modos, devido à utilização de elevadas cor-rentes (até 400 A) na recarga. É extremamente útil para instalações ao longo de rodovi-as, permitindo que o usuário faça viagens longas e recarregue o VE rapidamente. A Fi-gura 2.8 ilustra o modo 4 [11].
Figura 2.8 - Modo 4 de recarga de VE
A norma ABNT NBR IEC 61851-1 também define três formas de conectar o VE à estação de carga, que são denominadas como casos:
Caso A: o cabo de conexão está permanentemente anexado no VE, sem conector ou entrada. A conexão é via uma tomada doméstica ou industrial (Caso A1) ou a uma estação de carga do Modo 3 (Caso A2). Foi uma solução nos primeiros VEs, principalmente de pequeno porte, mas atualmente não é comum a utiliza-ção;
Caso B: o cabo é destacável com conector e plugue nas extremidades. Neste ca-so o VE é recarregado conectando-o à tomada convencional (Caca-so B1) ou esta-ção de carga (Caso B2);
Caso C: o cabo é permanentemente anexado à estação de carga. Este caso é normalmente utilizado para conexões de alta potência. No modo de carga 4 é o único caso permitido.
O modo 3 é o mais aplicado no mundo, principalmente por garantir uma maior segurança aos usuários, estabelecendo uma comunicação entre o VE e o eletroposto.
O modo 2 é muito útil nos tempos atuais devido à ausência de grande quantidade de eletropostos, aumentando assim a confiança dos usuários em relação à autonomia dos VEs.
O modo 4 está sendo proposto para as recargas rápidas, pois a recarga em CC elimina a necessidade de carregador de alta potência embarcado no VE. Assim, é possí-vel reduzir peso e custo do VE.
2.2.2 Tipos de recarga
A recarga de veículos elétricos pode ser dividida em três classificações: lenta, semirrápida e rápida. Não há definições padronizadas das faixas de potências de cada tipo, por isso serão apresentadas as características frequentemente encontradas em ele-tropostos comerciais.
2.2.2.1 Recarga Lenta
Os níveis de demanda de energia nesses casos são semelhantes às cargas especiais residenciais, e.g. chuveiro elétrico, não ultrapassando 3,7 kW. Não é necessária uma infraestrutura especifica, mas apenas uma tomada ou circuito oriundo do quadro de distribuição e uma estação de carga lenta. A recarga lenta é monofásica, o limite de corrente normalmente é 16A e tensão 230 V, o que corresponde a uma potên-cia máxima de 3,7 kW.
A transformação da energia CA em CC para a recarga da bateria do VE ocorre no carregador embarcado do veículo, logo pode ser os Modos 1, 2 e 3. Este tipo de
re-carga permite que a bateria atinja a plena re-carga, ou seja, recarregue 100% de sua capa-cidade.
Por ser uma recarga que necessita de muitas horas (6 a 22 horas para uma recar-ga completa), dependendo do estado de carrecar-ga e capacidade da bateria, é o tipo mais apropriado para instalações residenciais, pois o VE normalmente poderá ser recarregado durante toda a noite. Também tem grande oportunidade em locais de trabalho, pelo fato de geralmente o veículo permanecer estacionado por cerca de 8 horas.
A Figura 2.9 apresenta um modelo de eletroposto de recarga lenta [14].
Figura 2.9 - Estação de carga lenta (Extraído de [14])
2.2.2.2 Recarga Semirrápida
A recarga semirrápida pode ser entendida como a intermediária entre a recarga lenta e recarga rápida. Geralmente, as estações de carga semirrápida têm potência entre 7 a 22 kW, podem ser monofásicas ou trifásicas (220 a 380 V) e com corrente variando entre 16 A e 32 A.
Assim como na recarga lenta, a recarga semirrápida permite levar a bateria à plena carga e a estação de carga fornece somente energia CA ao VE, operando somente no Modo 3.
Cabe destacar que a estação de carga pode ser semirrápida, entretanto o carrega-dor embarcado do VE deve ter capacidade de processar esta potência, senão o próprio VE limita a potência consumida. Os veículos Zoe e Fluence Z.E, ambos da Renault, são
exemplos de VEBs que permitem a recarga com 22 kW, porém o VE Kangoo tem limi-tação de 3,7 kW no carregador embarcado.
Eletropostos para recarga semirrápida possuem aplicação mais apropriada para locais como shoppings, supermercados, postos de combustíveis etc.
Os tempos de recarga semirrápida de 0 a 100 % do SoC das baterias dos VEs es-tão entre 1 e 4 horas. A Figura 2.10 mostra uma estação de carga semirrápida [15].
Figura 2.10 - Estação de carga semirrápida de 22 kW (Extraído de [15])
2.2.2.3 Recarga Rápida
A recarga rápida é uma solução para um dos obstáculos para difundir a utiliza-ção de VE, que é o tempo de recarga. Pode ocorrer tanto fornecendo corrente alternada ao VE, quanto fornecendo corrente contínua diretamente para a bateria, sem utilizar o carregador embarcado.
Caso a recarga rápida seja realizada em CA (modo de carga 3), é o carregador embarcado do VE que transforma a energia CA em CC para a bateria. A instalação deve ser trifásica e os limites da recarga geralmente são: 380 V, 63 A (por fase) e 43 kW.
A recarga rápida CC (modo de carga 4) é efetuada por uma estrutura de conversão de energia montada externamente ao veículo, onde um carregador externo (retificador CA/CC) processa a energia, condicionando-a para recarregar diretamente a bateria do VE. Esse tratamento da energia é necessário para diminuir o tempo de recarga em VEs que não possuem carregadores embarcados com capacidade para altas potências, sendo que o veículo recebe energia em tensão e corrente contínua em uma intensidade limite, conforme especificação exigida na recarga das baterias.
As estações de carga rápida fornecem a energia CC com níveis de tensão e corrente determinados pelos veículos, ou seja, o VE informa qual a tensão e corrente devem ser fornecidas para a bateria, sendo imprescindível um sistema de comunicação da bateria com a estação de carga. Os limites da recarga rápida CC geralmente são: 500 V, 125 A e 55 kW, embora a Tesla tenha desenvolvido um supercarregador, especí-fico para os seus veículos, com capacidade de fornecer 120 kW para o VE em corrente contínua. Cabe destacar que a recarga rápida não recarrega 100% da capacidade da bateria, mas atinge cerca de 80% da capacidade. Para recarregar os 20% restantes é ne-cessário um tempo maior, devido às características eletroquímicas das baterias.
Um ponto a salientar é que a recarga rápida acelera a degradação da bateria, por este motivo não deve ser utilizada frequentemente.
Uma estação de carga rápida deve ser instalada em um ponto específico para esse fim, pois exige uma infraestrutura de demanda de energia elétrica muito além da capacidade de uma instalação residencial.
Os tempos de recarga rápida de 0 a 80 % do SoC das baterias dos VEs atuais são aproximadamente 30 min. A Figura 2.11 apresenta uma estação de carga rápida [16].
Figura 2.11 - Estação de carga rápida (Extraído de [16])
2.2.3 Interface de conexão entre VE e estação de carga
Para o correto funcionamento dos modos de recarga descritos anteriormente e para ser possível a intercambialidade entre VEs e estações de carga de diferentes fabri-cantes, é necessário que as interfaces (plugues e conectores) sejam padronizadas.
A norma brasileira ABNT NBR IEC 62196-1 [17] tem o objetivo de estabelecer os requisitos e características destas interfaces, e também os respectivos acessórios que são utilizados para a recarga condutiva de veículos elétricos - levando em consideração as situações de recarga mais frequentes.
A parte 2 da norma (ABNT NBR IEC 62196-2) [18] define os requisitos que os diferentes tipos de plugues e conectores devem atender na recarga em CA. Tem como objetivo definir uma arquitetura comum dos sistemas de recarga de VEs, na qual inclui requisitos operacionais, funcionais e dimensionais para a entrada do VE e seu respectivo condutor.
Para a recarga rápida em corrente contínua (CC) ou a combinação CA/CC no mesmo plugue/conector, foi elaborada a norma IEC 62196-3 que estabelece os requisi-tos que os padrões de plugues e conectores devem atender para o modo 4.
A seguir são apresentados os principais padrões utilizados nos VEs comerciais.
2.2.3.1 Tipo 1 - SAE J1772
O padrão do Tipo 1 é o padrão de conexão de VE definido nos EUAs pela norma SAE J1772 [19], desenvolvida pela SAE (Society of Automotive Engineers). O design deste padrão foi baseado num conector desenvolvido por uma empresa chamada Yazaki, como também é conhecido este padrão.
O conector do Tipo 1 é sempre monofásico, pode operar em 120 V ou 240 V, com corrente limitada em 32 A. Possui 5 pinos: 2 para alimentação CA (fase-neutro ou fase-fase), terra, detecção de proximidade e controle piloto.
O pino de detecção de proximidade previne que o VE se movimente enquanto estiver conectado ao posto de recarga. Já o pino de controle piloto realiza a comunica-ção com o VE. Uma onda quadrada (1 kHz / ±12 V) gerada no pino de controle piloto é utilizada para detectar a presença do VE, informar a corrente máxima permitida na esta-ção de carga e realizar o controle da operaesta-ção.
A norma SAE J1772 define dois níveis de recarga em CA:
Nível 1: é a recarga mais lenta, com tensão CA monofásica de 120 V e corrente máxima de 16 A (1,9 kW). É utilizado principalmente em instalações residenci-ais que já suportam o nível de potência;
Nível 2: tensão CA monofásica de 240 V e com corrente máxima de 80 A (19,2 kW). Este nível normalmente é utilizado em estações de carga pública; A Figura 2.12 apresenta uma foto do plugue SAE J1772 [20].
Figura 2.12 - Plugue e conector da SAE J1772 e representação da pinagem, respectivamente (Extraído de [20])
Também é apresentada na Figura 2.12 a disposição dos pinos no conector e plu-gue, os quais têm a seguinte função:
Pino 1: fase 1 (V);
Pino 2: fase 2 ou neutro (V);
Pino 3: controle Piloto;
Pino 4: detecção de Proximidade;
Pino 5: terra.
O plugue e conector Tipo 1 (padrão SAE J1772) é compatível com os VEs que são comercializados nos EUA, por exemplo:
Nissan Leaf;
Chevrolet Volt;
Toyota Prius Plug-in Hybrid;
Mitsubishi i-MiEV;
Honda Fit EV;
Ford Focus Electric;
Tesla Model S (via adaptador portátil fornecido pela Tesla);
2.2.3.2 Tipo 2 - Mennekes
O padrão Tipo 2 atende os requisitos da norma ABNT NBR IEC 62196-2 [18] e é conhecido como Mennekes - fabricante alemão de plugues e conectores industriais que desenvolveu o padrão.
O tipo 2 foi o padrão adotado pela ACEA (Associação dos Fabricantes de Automotores Europeus), sendo amplamente utilizado nos VEs e estações de carga em toda a Europa.
Figura 2.13 - Plugue e conector Tipo 2 e representação da pinagem, respectivamente (Extraído de [21])
O padrão Mennekes Tipo 2 é apropriado para conexões monofásicas ou trifásicas. Este padrão permite correntes de recarga entre 13 e 63 A (3,7 kW a 44 kW), ou seja, permite recarga lenta, semirrápida e rápida.
A Figura 2.13 [21] mostra o plugue e conector do padrão tipo 2 e também a dis-posição dos pinos no conector e plugue, que têm a seguinte função:
Pino 1: detecção de proximidade;
Pino 2: controle piloto;
Pino 3: terra;
Pino 4: fase 1 (V);
Pino 5: fase 2 (V);
Pino 6 : fase 3 (V);
Pino 7: neutro.
Os pinos "Controle Piloto" e "Terra" tem a atribuição de realizar a comunicação entre o VE e a estação de carga.
Assim como o padrão SAE J1772, o padrão Mennekes possui sistemas de proteção e segurança, tais como: verificação do aterramento da estação de carga, comunicação com o VE e intertravamento elétrico e/ou mecânico.
Alguns exemplos de VEs que utilizam o padrão Mennekes são:
Renault Kangoo Z.E.;
Renault Zoe;
Renault Fluence Z.E.;
Volkswagen e-Golf;
BMW i3;
BYD e6;
Volkswagen e-UP.
Alguns VEs que tem o padrão SAE J1772, como o Mitsubishi i-MiEV, Nissan Leaf e a primeira versão do Renault Kangoo Z.E., podem ser recarregados em estações de carga com tomada no padrão Tipo 2, por meio de um cabo conversor de padrão (o plugue em uma extremidade é Tipo 1 e na outra Tipo 2). Esta solução já é utilizada na Europa.
2.2.3.3 CHAdeMO
O padrão CHAdeMO (Charge de Move – recarregue para o movimento) foi ela-borado por uma associação formada no Japão, composta pelas empresas Tokyo Electric Power Company, Nissan, Mitsubishi, Toyota e Fujy Heavy Industries. Este padrão foi desenvolvido para atender o método de recarga rápida de VEs, no Modo 4, podendo operar com potências até 62,5 kW, utilizado com alta tensão CC.
Este método de recarga utiliza tensão CC como alimentação, ao invés de alimen-tação CA dos outros métodos e a comunicação entre a esalimen-tação de carga e o VE é via protocolo CAN (Controller Area Network).
Figura 2.14 - Plugue e conector do padrão CHAdeMO (Extraído de [22])
Figura 2.15 - Pinagem padrão Plugue CHAdeMO
A Figura 2.15 apresenta os pinos do padrão CHAdeMO e suas funções são:
Pino 1: referência de terra;
Pino 2: relé 1 de controle do VE;
Pino 3: sem atribuição;
Pino 4: controle de recarga;
Pino 5: alimentação CC (+);
Pino 6 : alimentação CC (-);
Pino 7: detecção de proximidade;
Pino 8: comunicação (+);
Pino 9: comunicação (-);
Pino 10: relé 2 de controle do VE.
Os VEs compatíveis com este padrão possuem duas tomadas para recarga, uma lenta (normalmente padrão tipo 1) e uma rápida (CHAdeMO). Alguns exemplos de VEs que utilizam este padrão são:
Nissan Leaf; Mitsubishi i-MiEV; Citroen C-Zero; Peugeot iOn; Fiat 500. 2.2.3.4 CCS - Combo
Para recarregar VEs em menos de uma hora, a SAE juntamente com a IEC cria-ram um padrão de plugue e conector que permite tanto a recarga rápida em CC, quanto a recarga em CA. Este padrão é conhecido como CCS (Combined Charging System) e utiliza comunicação com o VE via PLC.
O objetivo desse padrão é que os usuários de VEs tenham a possibilidade de uti-lizar a maioria dos atuais postos de carga, permitindo a implantação de uma infraestru-tura comum aos diversos VEs. Esta conexão apresenta em um único dispositivo a possi-bilidade de utilizar todos os métodos existentes de recarregamento: monofásico CA, trifásico CA e rápido CC. Ressalta-se que o VE deve permitir tais variações de recarga.
Apesar do objetivo de corrigir a existência de diferentes padrões, há dois tipos de combo:
Combo Tipo 1: combo da SAE J1772 no qual a tomada do VE tem duas partes. A superior contém o padrão SAE J1772 para recarga CA (níveis 1 e 2) até 19 kW e a parte inferior contém 2 entradas específicas para recarga rápida em CC – permitindo recargas de até 500 V / 200 A (100 kW). Logo, o VE que con-tém esta tomada pode ser recarregado em eletropostos do padrão SAE J1772 de forma lenta (CA) e rápida (CC);
Combo Tipo 2: da mesma forma que o tipo 1, este padrão permite recargas em CC e CA, porém a parte superior é o padrão Mennekes Tipo 2. Este padrão per-mite a recarga rápida tanto em CA (até 44 kW) como em CC.
A Figura 2.16 apresenta os plugues e tomada dos padrões Combo tipo 1 [23] e tipo 2 [24], respectivamente.
Figura 2.16 - Combo Tipo 1 e 2, respectivamente (Extraído de [23] e [24])
Por ser um padrão lançado recentemente, poucos VEs possuem o padrão CCS. Alguns dos modelos de VEs que possuem são:
GM Chevy Spark EV (Tipo 1);
BMW i3 (Tipo 1 nos EUA e Tipo 2 na Europa);
Volkswagen e-up! (Tipo 2).
2.2.3.5 GB/T 20234
O padrão GB/T 20234 [25] foi desenvolvido para os VEs na China. O projeto mecânico para recargas em CA deste padrão é igual ao Mennekes tipo 2. Entretanto, a corrente de recarga é limitada em 32A, é monofásico, utiliza comunicação CAN e o sinal PWM (Pulse Width Modulation) do controle piloto é detectado por corrente (ao invés de tensão, como é no padrão tipo 2).
O padrão GB/T 20234 para recarga rápida CC é diferente de todas as outras e também utiliza comunicação CAN, assim como o CHAdeMO.
2.3 BATERIAS
A baixa autonomia dos VEs é sua grande desvantagem em relação aos veículos convencionais, sendo este o motivo do seu abandono no início do século passado. Neste sentido há inúmeras pesquisas nos EUA, Europa e Ásia que buscam encontrar um sis-tema de armazenamento de energia que viabilize estas soluções, em termos técnicos e econômicos.
Na década de 90 a Toyota lançou o Prius, que se tornou o VEH mais popular e comercializado no mundo por atingir custos competitivos com os demais veículos no mercado, economizar combustível e garantir a segurança dos usuários. Este VEH utili-zava baterias de níquel-metal-hidreto (NiMH), que são adequadas na aplicação híbrida, pois possuem densidade de energia maior que as tradicionais baterias chumbo-ácidas, mas menor que as da tecnologia de lítio-íon.
Porém, com a necessidade de VE puramente elétrico, as baterias de NiMH não atendem aos requisitos de densidade de energia e potência necessários para sua difusão. Por este fato, a bateria à base de lítio é um dos tipos de acumuladores de energia que tem recebido maior atenção e investimentos, devido às elevadas densidades de potência e energia apresentada por esta bateria, características fundamentais para a viabilização das tecnologias dos veículos elétricos puros e híbridos. Outra característica importante da bateria de lítio-íon é que esta tecnologia é menos agressiva ao meio ambiente, se comparada com as tradicionais baterias chumbo-ácida e níquel-cádmio.
A Tabela 2.1 [27],[28] apresenta um comparativo entre as diferentes fontes de energia que podem ser utilizadas na propulsão de veículos. Nota-se que as baterias com tecnologias mais avançadas ainda estão longe de competir com os combustíveis con-vencionais (gasolina, diesel e etanol) no quesito densidade de energia, o que impacta diretamente na autonomia do veículo. Entretanto, um motor a combustão interna (MCI) possui um rendimento energético de, aproximadamente, 30%, enquanto um motor elé-trico (ME) possui rendimento de, aproximadamente, 90%.
Tabela 2.1 - Comparação da densidade de energia das diversas fontes de energia
Fonte energética Densidade de energia por massa
kJ/kg Wh/kg Hidrogênio 120.000 432.700 Gasolina / Diesel 44.400 157.100 Gás natural 43.000 157.000 Etanol 26.800 97.000 Célula a Combustível 1.600 440 Bateria de Zinco-ar 470 a 720 130 a 200 Bateria Lítio-íon 216 a 720 60 a 200 Bateria NiMH 144 a 288 40 a 80 Bateria de Níquel-cádmio 54 a 162 15 a 45 Bateria Chumbo-ácida 108 a 162 30 a 45 Bateria de sódio 360 a 900 100 a 250 Supercapacitor 3 a 50 1 a 15
A crescente demanda de VEs no mundo pode contribuir para uma queda signifi-cativa no preço das baterias, que hoje representam cerca de 40-50% do preço total de VE. A expectativa é que a bateria tenha uma redução de custo devido ao forte investi-mento em pesquisa e à produção em escala [29].
Os principais desafios para o avanço da tecnologia das baterias em VE são:
Alta confiabilidade;
Alto desempenho (ciclos e profundidade descarga);
Alta densidade energética, baixo peso e volume (Wh/kg e Wh/l);
Larga faixa de temperatura de operação;
Tempo de recarga reduzido;
Vida útil elevada;
Custo razoável;
Segurança.
2.3.1 Conceitos Básicos
Uma bateria recarregável (ou secundária) é um dispositivo que armazena energia elétrica na forma de compostos eletroquimicamente ativos (energia química), e que transforma energia química em elétrica. Portanto, é um dispositivo capaz de armazenar
e gerar energia elétrica por meio de reações eletroquímicas de oxidação (perda de elé-trons) e de redução (ganho de eléelé-trons), gerando corrente elétrica pela transferência de elétrons para um circuito externo.
Fisicamente, a unidade básica de uma bateria é uma célula (elemento) que é formada por dois eletrodos, cátodo (placa positiva) e ânodo (placa negativa), separados fisicamente por material isolante elétrico, porém condutor iônico (separador), e mergu-lhados ou envolvidos por um eletrólito. O cátodo é constituído pelo material ativo, com maior potencial de oxirredução (redox), e o ânodo pelo material ativo com menor po-tencial redox. Geralmente, o separador é um filme microporoso de fibra ou polímero, e o eletrólito pode ser líquido, sólido ou gasoso, o qual é o meio condutor. A associação de duas ou mais células, em série e/ou paralelo, constitui uma bateria.
A descarga da bateria ocorre com a energia química armazenada nos eletrodos se transformando diretamente e espontaneamente em energia elétrica, por meio de reações de oxidação/redução dos materiais ativos das placas. Já a recarga necessita do forneci-mento de energia elétrica de forma a transformar os materiais gerados na descarga nos produtos eletroquimicamente ativos originais.
Os principais termos para definir uma bateria para VE e caracterizar seu desem-penho são apresentados a seguir:
Célula, módulo e pack: uma célula (ou elemento) é a bateria na sua tensão no-minal. O módulo é composto por duas ou mais células conectadas em série e/ou paralelo, para aumentar a potência e energia. O pack é associação de módulos dentro de uma mesma estrutura, podendo ter um sistema de gerenciamento tér-mico;
Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS – Battery Management System): sis-tema eletrônico para monitoramento e gerenciamento da bateria, sendo funda-mental em baterias de lítio-íon. Garante que as células que compõem a bateria operem dentro dos requisitos de desempenho e segurança;
Tensão (V): representa o potencial, ou força eletromotriz, de uma célula eletro-química, e é a diferença entre os potenciais de oxidação e redução dos materiais ativos do cátodo e ânodo;
Corrente (A): representa o movimento orientado de partículas eletricamente car-regadas (elétrons), que a célula eletroquímica pode aplicar sobre um circuito
