Como funciona um posto de carregamento de veículos elétricos? Princípio de funcionamento (AC, DC, segurança)

Quando se liga um veículo elétrico à rede, começa na verdade um processo complexo, mas muito bem organizado: o veículo e o posto reconhecem-se mutuamente, decide-se quanta corrente pode ser consumida, fazem-se as verificações de segurança e só então a energia começa a fluir. Neste artigo explicamos, do princípio ao fim, como funciona um posto de carregamento de veículos elétricos, de forma técnica mas acessível.

Resposta curta: um posto de carregamento VE é uma interface controlada que transfere a eletricidade da rede para o veículo em segurança. O posto e o veículo comunicam constantemente; o posto encaminha a energia, vigia os circuitos de proteção e gere a autorização. O verdadeiro trabalho «inteligente», porém, está na forma como a energia é convertida e mantida segura.

Qual é a função essencial de um posto de carregamento?

Um equívoco comum é pensar que o carregador «enche» a bateria diretamente. No carregamento AC (corrente alternada), o posto é essencialmente um interruptor controlado e uma unidade de segurança: transmite a tensão da rede ao veículo, indica quanta corrente pode ser consumida e corta o circuito assim que surge um problema. O verdadeiro trabalho de conversão é feito pela unidade que está dentro do veículo. Já no carregamento rápido DC (corrente contínua), a maior parte da conversão acontece dentro do próprio posto.

Assim, um posto de carregamento VE tem três funções essenciais: (1) estabelecer uma comunicação segura com o veículo, (2) transferir a quantidade de energia correta e segura, (3) garantir a autorização e, quando necessário, a gestão remota.

Como comunicam o veículo e o posto? (Control Pilot / sinal piloto)

Antes de o carregamento começar, o veículo e o posto «conversam» um com o outro. Nos conectores Type 2 e CCS2, o centro desta comunicação é o Control Pilot (CP), ou seja, o sinal piloto. Através da linha piloto, o posto e o veículo confirmam que estão ligados um ao outro e acordam quantos amperes de corrente são permitidos.

Em resumo, funciona assim: o posto envia um sinal para a linha piloto. Quando o veículo é ligado, altera esse sinal para comunicar estados como «ligado» e «pronto para carregar». Através da forma do sinal, o posto transmite ao veículo o limite máximo de corrente; o veículo, por sua vez, consome um valor abaixo desse limite, de acordo com a capacidade do seu carregador de bordo (onboard charger). Assim, evita-se logo à partida que seja consumida mais corrente do que o cabo ou o posto conseguem suportar.

No carregamento rápido DC, para além desta sinalização básica, entra em ação uma camada de comunicação digital mais avançada. O veículo e o posto trocam continuamente, segundo a segundo, informações como a tensão da bateria, a temperatura, o nível de carga pretendido e a corrente pedida em cada instante. Com base nestes dados, o posto ajusta em tempo real a tensão e a corrente de saída.

Deteção de proximidade (proximity) e reconhecimento do cabo

Além do sinal piloto, a maioria dos sistemas tem também um sinal de proximidade (proximity). Graças a esta linha, o posto consegue perceber se o cabo está realmente ligado e para que limite de corrente foi dimensionado o cabo utilizado. Por exemplo, um cabo de 16A e um cabo de 32A são reconhecidos de forma diferente, e o sistema define o limite em conformidade.

Caminho AC: a conversão acontece dentro do veículo (carregador de bordo)

A maioria dos carregadores de parede (wallbox) instalados em casa e nos locais de trabalho faz carregamento AC. A corrente alternada que chega da rede é transmitida diretamente ao veículo através do cabo. No entanto, a bateria do veículo carrega com corrente contínua (DC). É aqui que entra em ação o «onboard charger» (carregador de bordo) do veículo: converte a AC recebida em DC e alimenta a bateria com a tensão adequada.

Por isso, o limite máximo da velocidade de carregamento AC é normalmente definido não pelo posto, mas pela capacidade do carregador de bordo do veículo. Por exemplo, mesmo que o posto consiga fornecer 22 kW, se o carregador de bordo do veículo for de 11 kW, na prática o veículo carrega a 11 kW. No carregamento AC, com ligação monofásica (uma fase) ou trifásica (três fases), são possíveis potências de 7,4 kW até 22 kW.

Os modelos Wallbox AC da Bemis E-V Charge (3,7–22 kW, Type 2) e os cabos de carregamento Type 2 funcionam precisamente neste caminho AC: o posto transmite a energia AC de forma segura e controlada, e a conversão fica a cargo do veículo.

Caminho DC: a conversão acontece dentro do posto (carregamento rápido)

No carregamento rápido DC, a lógica inverte-se. Para não ficar limitado pela potência reduzida do carregador de bordo, o trabalho de conversão sai do veículo e passa para dentro do posto. Nas unidades de carregamento rápido DC, como as que utilizam o conector CCS2, potentes conversores (retificadores/módulos de potência) no interior do posto transformam a AC da rede em DC de alta potência e entregam essa corrente contínua diretamente à bateria.

Como o carregador de bordo fica fora do circuito, no carregamento DC é possível atingir potências muito mais elevadas; é por isso que os postos DC são conhecidos como «carregamento rápido». Aqui, o veículo diz constantemente ao posto «quero esta tensão e esta corrente»; o posto responde a esse pedido com os seus próprios módulos de potência e ajusta a saída de acordo com o estado da bateria em cada momento.

• Carregamento AC: o posto transmite AC e a conversão é feita pelo carregador de bordo do veículo. Em geral, é o veículo que define o limite de potência.
• Carregamento DC: os conversores dentro do posto transformam AC em DC e entregam-na diretamente à bateria. São possíveis potências muito mais elevadas.
• Type 2: é a tomada padrão de carregamento AC na Turquia e na Europa.
• CCS2: é o padrão de carregamento rápido DC na Turquia e na Europa; funciona com dois pinos DC acrescentados por baixo da tomada Type 2.
• kW é potência (velocidade), kWh é energia (a quantidade armazenada/transferida).

No carregamento AC, a conversão é feita pelo carregador de bordo do veículo; no carregamento DC, é o posto que a faz. Em qualquer dos casos, a verdadeira função do posto é transferir a energia de forma segura e controlada.

Como é garantida a segurança? (Proteção, ligação à terra, bloqueio do conector)

Como o carregamento envolve potências elevadas, a segurança é a parte mais crítica de um posto de carregamento VE. O princípio de funcionamento inclui vários níveis de proteção.

A proteção diferencial (contra correntes de fuga) corta imediatamente a energia quando deteta no circuito uma fuga indesejada (por exemplo, um defeito de isolamento), evitando o risco de eletrocussão. A ligação à terra oferece, em caso de defeito, um caminho seguro à corrente de fuga, impedindo que superfícies como a carcaça fiquem sob tensão. O posto vigia também situações como sobrecorrente e sobreaquecimento; se detetar alguma anomalia, interrompe o carregamento.

O bloqueio do conector também faz parte da segurança: durante o carregamento, a ficha fica bloqueada pelo posto ou pelo veículo. Assim, evita-se que o cabo seja retirado acidentalmente enquanto a energia está a fluir; a ficha só é desbloqueada depois de o carregamento terminar em segurança. Quanto à resistência física, o índice de proteção IP65–IP66 indica que a unidade está preparada para as condições exteriores, com proteção contra pó e água; a marcação CE, por sua vez, indica que o produto cumpre os requisitos europeus de conformidade aplicáveis.

O que é que o posto vigia continuamente durante o carregamento?

• Que a ligação ao veículo se mantém sempre estável, através do sinal piloto
• Se a corrente consumida se mantém dentro do limite acordado
• Se existe alguma corrente de fuga, curto-circuito ou defeito de ligação à terra
• Os valores de temperatura (ficha, cabo, módulos de potência)
• Que o conector se mantém bloqueado durante todo o carregamento

Autorização: quem inicia o carregamento? (RFID / aplicação / OCPP)

Em casa, a maioria das wallboxes pode ser configurada para começar a carregar assim que o veículo é ligado. Já em espaços comuns, locais de trabalho e postos públicos, pretende-se que o carregamento seja iniciado por pessoas autorizadas. Os métodos mais comuns para isso são o cartão RFID e a aplicação móvel: o utilizador aproxima o cartão ou inicia a sessão na aplicação, o posto valida a autorização e só então permite a passagem de energia.

É aqui que entra o OCPP. Os modelos compatíveis com OCPP permitem ligar o posto a um sistema central de gestão (CSMS). Assim, funções como a autorização, o início/paragem remotos, o acompanhamento da utilização e a medição de energia podem ser geridas de forma centralizada. Isto é especialmente importante em locais de trabalho e frotas onde são explorados vários postos.

Para quem quiser aprofundar o OCPP e os conceitos relacionados, temos também um guia próprio que explica para que serve este protocolo.

As fases de uma sessão de carregamento

A melhor forma de resumir o princípio de funcionamento é acompanhar uma única sessão de carregamento do início ao fim. Uma sessão típica passa pelas seguintes fases:

• 1) Ligação: o cabo é ligado ao veículo e ao posto; a ligação é detetada através do sinal de proximidade.
• 2) Reconhecimento e acordo: através do sinal piloto, o veículo e o posto reconhecem-se mutuamente e é definido o limite máximo de corrente.
• 3) Autorização: se necessário, a sessão é autorizada com cartão RFID ou pela aplicação.
• 4) Bloqueio e verificação: o conector é bloqueado e concluem-se as verificações de segurança (corrente de fuga, ligação à terra, temperatura).
• 5) Transferência de energia: no caminho AC, é o veículo que carrega a bateria através do carregador de bordo; no caminho DC, são os conversores do posto que o fazem.
• 6) Gestão: o posto vigia continuamente a corrente; à medida que a bateria enche, reduz a potência de forma gradual.
• 7) Fim: quando se atinge o nível pretendido ou o utilizador interrompe, a energia é cortada, o conector é desbloqueado e o cabo é retirado em segurança.

Porque é que a bateria abranda depois dos 80%? (Taper / redução progressiva)

Sobretudo no carregamento rápido DC, nota-se que, depois de a bateria atingir um certo nível de carga, muitas vezes por volta dos 80%, a velocidade de carregamento cai de forma visível. É o chamado «taper», ou seja, uma redução progressiva, e não se trata de uma avaria, mas de um comportamento de proteção intencional.

À medida que enchem, as baterias deixam de conseguir aceitar corrente elevada em segurança; para evitar o sobreaquecimento e o encurtamento da vida útil das células, o veículo pede cada vez menos corrente ao posto. O posto acompanha esse pedido e reduz a sua saída. Por isso, no carregamento rápido, o intervalo mais eficiente é, em geral, o que vai de um nível de carga baixo até aos 80%; os últimos 20% podem demorar desproporcionalmente mais. No carregamento AC, como as potências já são mais baixas, este abrandamento é muitas vezes menos percetível.

Resumo: afinal, o que faz um posto de carregamento?

Um posto de carregamento VE é um aparelho controlado que comunica com o veículo, encaminha a energia em segurança e, quando necessário, autoriza o carregamento e pode ser gerido remotamente. Nos modelos AC, a conversão fica a cargo do veículo; nos modelos DC, a cargo do posto. Mas, em qualquer caso, a segurança (proteção diferencial, ligação à terra, bloqueio do conector) e a comunicação correta (sinal piloto) são o coração do princípio de funcionamento.

A Bemis E-V Charge é uma marca sediada em Bursa (Turquia) que fabrica, nas suas próprias instalações, todos os elos deste princípio de funcionamento: Wallbox AC, carregadores portáteis, cabos Type 2, adaptadores V2L/C2L e unidades de carregamento rápido DC com conector CCS2. Com modelos com marcação CE, índice de proteção IP65–IP66 e compatibilidade OCPP, oferece produtos tanto para uso particular como empresarial.