A crescente popularidade dos veículos elétricos a bateria (BEVs) e dos veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs), comutadamente chamados de veículos elétricos (EVs), pode ser atribuída a vários benefícios significativos, como a redução das emissões globais de gases de efeito estufa. Estamos iniciando um novo ciclo de transformação no Brasil e com novas tendências futuras para carregadores de alta potência para veículos elétricos e os módulos inteligentes chamados (OBCs) OnBoard Chargers para automóveis.
Fonte: Research Gate
Os OBCs são módulos de alta potência sendo unidirecionais ou bidirecionais e têm uma arquitetura de sistema integrada ou não integrada. Os OBCs não integrados de alta potência são estudados tanto na indústria quanto na academia, e os primeiros são usados para ilustrar o estado da arte atual. Estes últimos são classificados com base na abordagem de projeto do conversor, estudados por seu princípio de operação e comparados sobre densidade de potência, peso, eficiência e outras métricas. Outras técnicas integradas de OBC também são discutidas, que incluem a integração do sistema com o módulo de energia auxiliar do EV e sistemas de carregamento sem fio. Por último, são abordadas as futuras estratégias e funcionalidades de carregamento nas infraestruturas de carregamento e são resumidas as tendências globais dos OBCs.
A tendência é predominantemente influenciada pelo aumento da capacidade da bateria de veículos elétricos, que foi necessário para aliviar a demanda constante por autonomia e melhorar as capacidades uso da energia pelos veículos. Embora o estado atual da tecnologia de carregamento de alta potência seja realizado principalmente com carregadores off-board, a presença de um OBC de alta potência fornece a conveniência ao consumidor, oferecendo entradas CA de alta potência, em oposição às entradas de carregamento rápido DC condicionadas.
Além dos benefícios para o tempo de carregamento e a infraestrutura de carregamento rápido, o aumento do nível de energia OBCs ajudará as empresas de serviços públicos a incorporarem mais recursos inteligentes à rede elétrica. Por exemplo, os OBCs bidirecionais permitirão funcionalidades inteligentes de veículo para rede (V2G), como corte de pico e regulação de frequência. Além disso, os OBCs bidirecionais permitiriam que os consumidores usassem a energia armazenada de seus veículos elétricos para outros fins, por exemplo, fornecendo energia de veículo para casa (V2H) durante interrupções na rede.
Os principais sistemas eletrônicos de potência a bordo de um EV incluem o OBC, módulo de potência auxiliar (APM), inversor de acionamento do motor e carregador sem fio opcional. Os métodos de carregamento de baterias de veículos elétricos incluem carregamento a bordo com o OBC e APM, carregamento off-board e carregamento sem fio, que podem ser alternativamente categorizados como condutivos (carregamento a bordo e fora dele) ou indutivos (carregamento sem fio). O sistema de carregamento sem fio foi descrito como uma interface opcional.
Os OBCs são projetados como unidades autônomas que se comunicam com um equipamento de alimentação de veículo elétrico (EVSE) e o sistema de gerenciamento de bateria do veículo (BMS), para fornecer a tensão e a corrente de carregamento solicitadas para a bateria de propulsão de alta tensão do EV. Portanto, uma parte importante do processo de carregamento é que o BMS interprete o estado correto de carga (SoC) da bateria e que o carregador forneça o perfil de carregamento correto. O OBC em modo de carregamento precisa garantir que os padrões de qualidade de energia sejam atendidos no lado da rede. As normas americanas, europeias e chinesas relativas à injeção harmônica para carregadores de veículos elétricos no modo de carregamento são abordadas na Society of Automotive Engineers (SAE) J2894 , International Electrotechnical Commission (IEC) 61000. Os OBCs EV são categorizados como carregadores de nível 1, nível 2 e nível 3 com base em seus níveis de potência de acordo com a norma SAE J1772.
Fonte: Lifewire
Carregadores unidirecionais: A estrutura típica de um carregador unidirecional é aplicada para reduzir a complexidade do sistema, o front-end e o lado secundário DC-DC após o isolamento são normalmente realizados usando pontes de diodo. No entanto, existem vários carregadores unidirecionais que pelo menos usam um front-end ativo. As vantagens dos carregadores unidirecionais são a redução da complexidade do sistema, menos componentes de circuitos ativos, o custo reduzido do sistema e o tamanho compacto. No entanto, sua profunda desvantagem reside na incapacidade de facilitar o futuro de funcionalidades avançadas de redes inteligentes.
Carregadores bidirecionais: Os carregadores bidirecionais permitem o controle do fluxo de energia da rede para o veículo (G2V), bem como V2H, carga externa (V2L), ou mais comumente de volta para a rede (V2G). Juntos, o controle de fluxo de potência V2H, V2L e V2G será designado como (V2x). Em OBCs bidirecionais, estágio PFC front-end ativo e lado secundário DC-DC ativo são necessários. Embora os carregadores bidirecionais possam facilitar uma variedade de funcionalidades benéficas, eles têm o preço maior por ter mais componentes no circuito, o que aumenta o custo do sistema e a carga de confiabilidade, e pode afetar ligeiramente a densidade de potência do OBC.
O que vem pela Frente?
- O aumento da capacidade da bateria e as tensões mais altas da bateria estarão presentes nos futuros EVs, à medida que os fabricantes de automóveis são pressionados por iniciativas governamentais para reduzir as emissões e a necessidade de aumentar toda a autonomia elétrica e melhorar as capacidades dos veículos será progressiva em escala.
- O aumento do nível de potência de carregamento para OBCs será um requisito futuro nos EVs para manter e melhorar os tempos de carregamento noturnos para EVs de maior capacidade e facilitar uma infraestrutura para carregamento mais rápido sem uma penetração significativa de estações de carregamento rápido DC de nível 3.
- Para facilitar OBCs de alta potência com maior eficiência e densidade de potência, dispositivos WBG, incluindo SiC e GaN, serão considerados em carregadores de alta frequência de comutação. Além disso, carregadores de estágio único e a utilização de magnetismo planar integrado permitirão projetos OBC de alta densidade de potência OBCs integrados, incluindo máquina de propulsão, APM e carregadores integrados sem fio são abordagens promissoras para aumentar a classificação de potência do OBC, evitando impacto significativo no peso e volume do sistema de carregamento.
- Com o aumento das classificações de potência OBC, o carregamento precisará ser coordenado e controlado. Além disso, os OBCs precisarão ser bidirecionais no futuro e compatíveis com funcionalidades avançadas de rede inteligente. Isso não apenas fornecerá funcionalidades adicionais de OBC para utilitários, como nivelamento de carga em V2G, mas também para proprietários de veículos elétricos usarem a energia armazenada de seus veículos elétricos.
Artigo: Msc. Eng. de Produção Mecânica – Alexandre Vargha (Lider do Comitê Auto e Mobilidade da ABINC)
Fonte: Revista Associação dos Engenheiros Eletricistas