Os veículos eléctricos estão a moldar o futuro da mobilidade e, como quase todos os veículos eléctricos se estão a revelar mais económicos em comparação com qualquer carro a gasolina, tem havido uma mudança na tendência de compra de automóveis. Espera-se que até 2030 haja mais carros eléctricos nas estradas do que carros movidos a combustíveis fósseis. Actualmente, os carros eléctricos típicos têm uma autonomia de 300 a 400 km com recarga total da bateria. Isso é mais que suficiente para o deslocamento diário. Espera-se que a bateria de um carro elétrico funcione por pelo menos cinco a oito anos sem a necessidade de substituição ou reparo de células.
À medida que mais carros eléctricos aparecem nas estradas, a necessidade de estações de carregamento também cresce tremendamente. Só nos EUA, existem 56.000 estações de carregamento com 148.000 portas de carregamento no total – e ainda assim não é suficiente para satisfazer a crescente procura de VEs. Países como a Índia esperam necessitar de 700.000 estações de carregamento de veículos eléctricos até 2030. Embora actualmente um grande desafio seja encontrar formas eficazes de carregamento rápido de carros eléctricos, a criação de instalações de carregamento de veículos eléctricos a nível nacional é outro desafio.
Na tentativa de criar uma infraestrutura de carregamento de veículos elétricos eficaz e elaborada, os fabricantes de automóveis estão ansiosos por novas formas de carregar veículos elétricos. Uma solução viável para carregar simultaneamente vários carros elétricos são as estações de carregamento de veículos elétricos sem fio (WEVCS). Essas estações de carregamento sem fio funcionam de forma semelhante aos carregadores sem fio de telefones celulares. Essas estações de carregamento podem ser instaladas em estacionamentos, permitindo o carregamento automático de carros elétricos durante as paradas. Outra opção é o carregamento dinâmico sem fio que permite carregar o veículo elétrico enquanto ele está em movimento. Embora o carregamento dinâmico prometa uma autonomia EV mais longa, apresenta riscos ambientais e de saúde.
Carregamento sem fio estático
O carregamento sem fio estático é a tecnologia de carregamento sem fio mais viável e segura. Carregamento estático significa que o carro elétrico é carregado em uma estação de carregamento sem fio enquanto está parado. Tal configuração pode ser facilmente instalada em estacionamentos e garagens. Nesse tipo de carregamento sem fio, o transmissor é instalado no subsolo e o carro elétrico possui um receptor integrado na parte inferior. Quando o carro estaciona no estacionamento ou dentro da garagem, o transmissor e o receptor se alinham e o carro começa a carregar. A taxa de carregamento depende do nível de tensão CA. Enquanto o carro permanece estacionado, ele é carregado sem fio, sem necessidade de conectar cabos. Esta é uma forma prática, fácil e eficiente de carregar veículos elétricos.
Carregamento sem fio dinâmico
O carregamento dinâmico é outro conceito de infraestrutura de carregamento de veículos elétricos. Nesta configuração, transmissores de energia estacionários são instalados em estradas e rodovias. Os veículos elétricos carregam enquanto estão em movimento, à medida que se aproximam de transmissores estacionários. Este tipo de carregamento definitivamente promete um alcance EV mais longo em movimento. A configuração para carregamento dinâmico, no entanto, teria um custo significativo, pois envolveria a construção de instalações de carregamento equivalentes a veículos elétricos em estradas e rodovias inteiras. A eficácia do carregamento de veículos em movimento é outra preocupação, pois o carregamento sem fio requer um alinhamento perfeito do transmissor e do receptor. Além disso, tal configuração também impõe ameaças relacionadas à segurança, aos efeitos ambientais e aos riscos à saúde.
Como funciona o carregamento sem fio
O carregamento sem fio foi demonstrado pela primeira vez por Nicola Tesla quando ele desenvolveu o Tesla Coil. O carregamento sem fio funciona com o mesmo princípio de funcionamento de um transformador. Como em um transformador, a bobina secundária sai devido ao campo magnético desenvolvido pelo fluxo de corrente na bobina primária – da mesma forma que um carregador sem fio possui um transmissor e o dispositivo de carregamento possui um receptor. Quando a corrente alternada flui através do transmissor, ela cria um campo magnético alternado que transfere a corrente para o receptor. Este é o funcionamento básico de qualquer carregador sem fio, seja ele projetado para telefones celulares ou carros elétricos. Não existe, no entanto, um método de carregamento sem fio. Existem quatro métodos diferentes reconhecidos, como segue:
- Sistema de carregamento sem fio capacitivo (CWCS)
- Sistema de carregamento sem fio com engrenagem magnética permanente (PMWC)
- Sistema de carregamento indutivo sem fio (IWC)
- Sistema de carregamento sem fio indutivo ressonante (RIWC)
Sistema de carregamento sem fio capacitivo (CWCS)
Este tipo de carregamento é baseado no princípio da indução eletrostática observada nos capacitores. O carro elétrico possui uma placa receptora na parte inferior e a estação de carregamento possui uma placa transmissora no solo. O entreferro entre as duas placas atua como um meio dielétrico. O carro elétrico é carregado pela corrente de deslocamento na placa receptora devido às variações do campo elétrico pela placa transmissora. No lado do transmissor, a corrente CA é primeiro fornecida a um circuito de correção do fator de potência. O circuito mantém os níveis de tensão e minimiza as perdas de transmissão. A tensão é então passada através de uma ponte H gerando uma tensão CA de alta frequência, que é aplicada à placa de transmissão. A tensão CA de alta frequência – normalmente na faixa de 100 a 600 KHz – causa um campo elétrico oscilante. Isso gera uma corrente de deslocamento na placa receptora. A quantidade de corrente recebida na placa receptora depende de vários fatores, como o alinhamento da placa transmissora e receptora, o entreferro entre as duas placas, a tensão CA aplicada, o material usado na construção das placas e a frequência de Tensão CA. No lado do receptor, a corrente de deslocamento é usada para carregar a bateria do carro elétrico com a ajuda de um retificador e circuito de filtro.
Funcionamento de carregamento capacitivo sem fio em veículos elétricos
Sistema de carregamento sem fio com engrenagem magnética permanente (PMWC)
Este tipo de carregamento sem fio baseia-se no princípio de funcionamento de um motor elétrico. Tanto o transmissor quanto o receptor consistem em um enrolamento de armadura com ímãs permanentes sincronizados colocados como núcleo dentro dos enrolamentos. O torque mecânico é gerado quando a tensão CA é aplicada ao enrolamento do transmissor devido a ímãs permanentes. Mudanças no campo magnético permanente do transmissor fazem com que o torque mecânico sincronizado seja induzido no ímã permanente do receptor, produzindo corrente CA no enrolamento do receptor. O receptor é convertido em um gerador de energia à medida que o torque mecânico no ímã permanente do receptor é convertido em corrente alternada em seu enrolamento. O acoplamento de ímãs permanentes giratórios é chamado de engrenagem magnética. No lado do receptor, a corrente CA da engrenagem magnética é retificada e filtrada para carregar a bateria do carro elétrico.
Este método de carregamento sem fio tem várias desvantagens. Em primeiro lugar, devido ao uso de ímanes permanentes, a configuração de carregamento torna-se dispendiosa. Em segundo lugar, os ímãs permanentes são propensos a quebrar sob estresse mecânico. Portanto, a configuração de carregamento pode acarretar altos custos de manutenção.
Funcionamento de carregamento sem fio com engrenagem de ímã permanente em veículos elétricos
Sistema de carregamento indutivo sem fio (IWC)
Este tipo de carregamento sem fio baseia-se no princípio de funcionamento de um transformador. Tanto o transmissor quanto o receptor consistem em bobinas. A bobina transmissora é instalada no solo enquanto a bobina receptora fica na parte inferior do carro elétrico. Uma tensão CA de frequência na faixa de 19 a 50 KHz passa pela bobina transmissora. Isso causa uma mudança no campo magnético na bobina receptora, produzindo corrente CA. A corrente CA induzida na bobina receptora é retificada e filtrada para carregar a bateria do carro elétrico usando seu sistema de gerenciamento de bateria. Este é o método mais econômico de carregamento sem fio de carros elétricos. O carregamento funciona da mesma forma que a eletricidade é transferida entre os enrolamentos primário e secundário de um transformador. Como os transformadores são um dos componentes eletrônicos mais baratos e mais fáceis de construir, este método de carregamento sem fio é o mais econômico e simples de implementar. As bobinas precisam estar alinhadas para carregamento sem fio. A taxa de carregamento em um sistema de carregamento indutivo sem fio depende da distância entre a bobina transmissora e receptora, da indutância mútua entre eles e da frequência da alimentação CA aplicada.
Funcionamento de carregamento indutivo sem fio em veículos elétricos
Sistema de carregamento sem fio indutivo ressonante (RIWC)
O carregamento sem fio ressonante é um método aprimorado de carregamento sem fio indutivo e o método de carregamento sem fio mais econômico e eficiente. Quando as bobinas primária e secundária de um transformador são sintonizadas na mesma frequência de ressonância, a energia elétrica da bobina primária é transferida para a bobina secundária a uma taxa muito mais rápida. Quando as bobinas estão em ressonância, a transferência de energia elétrica acontece mesmo que o campo magnético entre elas seja fraco. O método de carregamento sem fio indutivo ressonante melhora a eficiência da transferência de energia e fornece um fator de alta qualidade. Tem os mesmos benefícios de custo que o carregamento indutivo, além de proporcionar maior eficiência, menores perdas e permitir um carregamento mais rápido. Se a frequência de ressonância em ambas as bobinas for igual, a energia elétrica será transferida apesar da maior distância entre as bobinas. Redes de compensação são adicionadas em ambos os lados em série e paralelo para combinar a frequência ressonante na bobina transmissora e receptora em um sistema de carga indutiva ressonante. Algumas redes de compensação adicionais podem ser adicionadas para minimizar ainda mais as perdas de energia. A frequência de operação neste tipo de carregamento permanece de 10 a 150 KHz. A integração de circuitos adicionais para combinar a frequência ressonante adiciona algum custo adicional à configuração de carregamento sem fio tanto no lado do transmissor quanto no receptor. As adições valem a pena, considerando a maior eficiência energética e taxas de carregamento mais rápidas.
Funcionamento de carregamento sem fio indutivo ressonante em veículos elétricos
Desafios no carregamento sem fio de veículos elétricos
Muitos fabricantes de automóveis estão a trabalhar no sentido do carregamento sem fios, pois será de grande benefício para o ecossistema EV. Existem, no entanto, muitos desafios no segmento de VE, tais como carregamento rápido, tecnologia de bateria segura, eficiência do motor elétrico, gestão de bateria, segurança e implementação de tecnologia de VE em diferentes segmentos automóveis.
O maior desafio para o carregamento sem fios de veículos elétricos é a sua adoção pelos fabricantes de automóveis e o envolvimento das empresas no desenvolvimento de estações de carregamento. O carregamento sem fios precisa de provar ser muito mais económico e eficiente do que o carregamento por cabo para impulsionar a sua adoção. O impacto ambiental do carregamento sem fios é outra questão importante, uma vez que as estações de carregamento precisam de cumprir normas rigorosas de EMC e EMI para superar estas preocupações.
Padrões WEVCS
Muitas organizações internacionais, como a Sociedade de Engenheiros Automotivos (SEA), a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE), estão trabalhando ativamente em conjunto para desenvolver um padrão global para carregamento de veículos elétricos sem fio. O carregamento plug-in tem uma eficiência máxima de 94 a 94,5 por cento, mas os mais recentes padrões SEA para carregamento sem fio mostraram uma eficiência de 90 a 92 por cento – quase eliminando esse obstáculo crítico na adoção do carregamento sem fio.
