Padrões de carregamento de veículos elétricos

Em 2011, a Associação dos Fabricantes Europeus de Automóveis (ACEA) estabeleceu as seguintes definições:

• Soquete de saída (Socket Outlet): Refere-se à porta no equipamento de suprimento de veículo elétrico (EVSE) responsável por fornecer energia de carregamento ao veículo.
• Plugue (Plug): Denota a extremidade do cabo flexível que se conecta ao soquete de saída no EVSE. Na América do Norte, o soquete de saída e o plugue não são utilizados devido ao fato de o cabo ser fixado permanentemente.
• Cabo (Cable): Descreve um feixe flexível de condutores que liga o EVSE ao veículo elétrico.
• Conector (Connector): Representa a extremidade do cabo flexível que faz a interface com a entrada do veículo.
• Entrada do veículo (Vehicle Inlet): Refere-se à porta no veículo elétrico projetada para receber energia de carregamento.

Os termos conector de veículo elétrico e entrada de veículo elétrico foram definidos anteriormente de maneira semelhante sob o Artigo 625 do Código Elétrico Nacional (NEC) dos Estados Unidos de 1999. O NEC-1999 também descreveu o equipamento de suprimento de veículo elétrico como a unidade completa especificamente instalada para fornecer energia da fiação das instalações para o veículo elétrico, abrangendo condutores, conectores de veículos elétricos, plugues de conexão e todos os outros acessórios, dispositivos, tomadas elétricas ou aparelhos.

A Tesla, Inc. usa o termo estação de carregamento para descrever um local que abriga um grupo de carregadores, enquanto se refere a um EVSE individual como um conector.

O Conselho de Trabalho de Infraestrutura de Transporte Elétrico Nacional (IWC) foi estabelecido em 1991 pelo Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica, compreendendo membros tanto de fabricantes automotivos quanto de concessionárias de energia elétrica, com o objetivo de estabelecer padrões nos Estados Unidos. Esforços iniciais do IWC levaram ao desenvolvimento de três níveis de carregamento, conforme descrito no Manual do Código Elétrico Nacional (NEC) de 1999.

De acordo com o NEC-1999, o equipamento de carregamento de Nível 1 (conforme definido no manual do NEC, embora não explicitamente no código) era conectado à rede usando uma tomada elétrica padrão NEMA 5-20R de 3 pinos com aterramento. Além disso, exigia a inclusão de um dispositivo de corrente residual a até 300 mm (12 polegadas) do plugue. O circuito de suprimento precisava ter proteção em 125 % da corrente nominal máxima. Por exemplo, equipamentos de carregamento com corrente contínua nominal de 16 amperes necessitavam de um disjuntor dimensionado em 20 A.

O equipamento de carregamento de Nível 2 (conforme especificado no manual) era conectado permanentemente e posicionado de forma segura em um local fixo sob o NEC-1999. Também exigia aterramento e proteção contra falhas de aterramento, além de um mecanismo de intertravamento para evitar que o veículo desse partida durante o carregamento e um sistema de desconexão de segurança para o cabo e o conector. Um disjuntor de 40 A (equivalente a 125 % da corrente máxima de suprimento contínuo) era obrigatório para proteger o circuito derivado. Para maior conveniência e carregamento mais rápido, muitos dos primeiros veículos elétricos (VEs) favoreciam a instalação de equipamento de carregamento de Nível 2, que podia ser conectado ao VE através de uma pá indutiva (Magne Charge) ou de um conector condutivo (Avcon).

O equipamento de carregamento de Nível 3 empregava um retificador externo ao veículo para converter a potência de entrada em CA para CC, que era posteriormente fornecida ao veículo. Na época de sua redação, o manual do NEC-1999 previa que o equipamento de carregamento de Nível 3 exigiria que as concessionárias atualizassem seus sistemas de distribuição e transformadores.

A Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE International) define os requisitos gerais físicos, elétricos, de comunicação e de desempenho para sistemas de carregamento de veículos elétricos (VEs) usados na América do Norte como parte do padrão SAE J1772, desenvolvido inicialmente em 2001. O SAE J1772 delineia quatro níveis de carregamento, com dois níveis para suprimentos de corrente alternada (CA) e corrente contínua (CC). Essas distinções baseiam-se no tipo de distribuição de energia, padrões e potência máxima.

As estações de carregamento em CA conectam diretamente o circuito de carregamento interno do veículo ao suprimento de CA.

• CA Nível 1: Este nível conecta-se diretamente a uma tomada padrão norte-americana de 120 V e é capaz de fornecer 6–16 A (0,7–1,92 kW), dependendo da capacidade de um circuito dedicado.
• CA Nível 2: Utiliza energia de 240 V (monofásica) ou 208 V (trifásica) para fornecer entre 6 e 80 A (1,4–19,2 kW), proporcionando um aumento significativo na velocidade de carregamento em relação ao carregamento em CA Nível 1.

Comumente, embora incorretamente, chamado de carregamento de "Nível 3" com base na definição mais antiga do NEC-1999, o carregamento em CC é categorizado separadamente no padrão SAE. No carregamento rápido em CC, a energia CA da rede é convertida em CC por meio de um conversor de CA para CC na estação antes de chegar à bateria do veículo, contornando qualquer conversor de CA para CC a bordo do veículo.

• CC Nível 1: Este nível fornece um máximo de 80 kW a 50–1000 V.
• CC Nível 2: Fornece um máximo de 400 kW a 50–1000 V.

Padrões adicionais lançados pela SAE para carregamento incluem o SAE J3068, que se refere ao carregamento em CA trifásico usando o conector Tipo 2 definido na IEC 62196-2, e o SAE J3105, que aborda a conexão automatizada de dispositivos de carregamento em CC.

Em 2003, a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) incorporou uma parte significativa do padrão SAE J1772 à norma IEC 62196-1.

A IEC 62196-1 foi posteriormente revisada e expandida para a IEC 62196, tornando-se um padrão internacional que abrange uma variedade de tipos de plugues e modos de carregamento para veículos elétricos. Este padrão é reconhecido como padrão DIN DIN EN 62196 na Alemanha, ÖVE/ÖNORM EN 62196 na Áustria e SN EN 62196 na Suíça. Ele compreende vários componentes que foram adotados gradualmente. A terceira parte foi emitida em junho de 2014, e a IEC TS 62196-4, que cobre conectores para veículos elétricos leves, foi publicada em outubro de 2022. A parte 1 atingiu sua quarta edição a partir de 2022.

O padrão segue a definição IEC 61851 para um pino de sinal responsável por alternar a corrente de carregamento. Notavelmente, a estação de carregamento permanece sem tensão até que um veículo elétrico seja conectado, garantindo que o veículo não possa ser operado durante o processo de carregamento.

As definições para o pino de sinal e plugues de carregamento IEC-62196-1 da Parte 1 foram integradas em vários regulamentos técnicos. Além dos conectores trifásicos IEC 60309 "CEEform", os modos de carregamento também foram adotados para o conector SAE J1772 na América Norte (desenvolvido pela Yazaki), o conector CHAdeMO no Japão e o conector Mennekes (VDE-AR-E 2623-2-2) na Europa. Cada um desses conectores serve como base para uma rede de estações de carregamento públicas fornecidas por empresas de energia.

A IEC categoriza o carregamento em modos (IEC 61851-1) da seguinte forma:

• Modo 1: Envolve carregamento lento a partir de uma tomada elétrica padrão, seja em CA monofásica ou trifásica.
• Modo 2: Carregamento lento a partir de uma tomada CA regular, mas com arranjos de proteção específicos para VEs, como os sistemas Park & Charge ou PARVE.
• Modo 3: Engloba carregamento lento e rápido em CA, utilizando um soquete multipino específico para VEs equipado com funções de controle e proteção, como o SAE J1772 e a IEC 62196-2.
• Modo 4: Carregamento rápido em CC por meio de uma interface de carregamento dedicada, como a IEC 62196-3, como o CHAdeMO.

A conexão entre a rede elétrica e o "carregador" (equipamento de suprimento de veículo elétrico) é delineada em três cenários (IEC 61851-1):

• Caso A: Refere-se a qualquer carregador conectado à rede elétrica, normalmente com o cabo de suprimento da rede conectado ao próprio carregador, associado principalmente aos modos 1 ou 2.
• Caso B: Descreve um carregador de veículo a bordo com um cabo de suprimento da rede que pode ser desconectado tanto do suprimento quanto do veículo, normalmente correspondendo ao modo 3.
• Caso C: Refere-se a estações de carregamento dedicadas em CC, onde o cabo de suprimento da rede pode ser fixado permanentemente à estação de carregamento, semelhante ao modo 4.

O Padrão de Carregamento Norte-Americano (NACS), também conhecido como padrão de carregamento da Tesla, é um sistema de conector de carregamento de veículo elétrico (VE) desenvolvido pela Tesla, Inc. Ele tem sido usado em todos os veículos Tesla do mercado norte-americano desde 2012. Em novembro de 2022, a Tesla abriu o uso para outros fabricantes.

O sistema de conector NACS, atualmente sendo padronizado como SAE J3400, foi projetado para facilitar o carregamento tanto em CA quanto em CC. A versão atual do conector NACS usado com os Superchargers da Tesla pode fornecer até 250 kW de potência. Quando a energia CA é usada, o sistema NACS pode fornecer até 80 amperes a 277 volts. Na configuração mais comum, fornece até 48 amperes de corrente a 240 volts, equivalente a 11,5 kW, o que é típico para uso residencial na América do Norte.

Conectores comuns incluem Tipo 1 (Yazaki), Tipo 2 (Mennekes), Tipo 3 (Scame), CCS Combo 1 e 2, CHAdeMO e Tesla. Muitos tipos de plugues padrão são definidos na IEC 62196-2 (para energia suprida em CA) e 62196-3 (para energia suprida em CC):

• Tipo 1: Acoplador de veículo em CA monofásica – Compatível com as especificações de plugue automotivo SAE J1772/2009.
• Tipo 2: Acoplador de veículo em CA monofásica e trifásica – Compatível com as especificações de plugue VDE-AR-E 2623-2-2, SAE J3068 e GB/T 20234.2.
• Tipo 3: Acoplador de veículo em CA monofásica e trifásica equipado com persianas de segurança – Proposto pela EV Plug Alliance.
• Tipo 4: Acopladores de carregamento rápido em CC
  • Configuração AA: CHAdeMO
  • Configuração BB: GB/T 20234.3
  • Configurações CC/DD: (reservado)
  • Configuração EE: CCS Combo 1
  • Configuração FF: CCS Combo 2

Projetos de conectores listados na IEC 62196-2 e -3
Suprimento de energia	Estados Unidos	União Europeia	Japão	China
CA monofásica	Tipo 1 (SAE J1772)	Tipo 2 (DE, Reino Unido) Tipo 3 (IT, FR; agora obsoleto)	Tipo 1 (SAE J1772)	Tipo 2 (GB/T 20234.2)
CA trifásica	Tipo 2 (SAE J3068)		-
CC	EE (CCS Combo 1)	FF (CCS Combo 2)	AA (CHAdeMO)	BB (GB/T 20234.3)
			ChaoJi (planejado)

No final da década de 1990 e início de 2000, vários veículos elétricos (VEs), incluindo o GM EV1, Ford Ranger EV e Chevrolet S-10 EV, foram introduzidos nos Estados Unidos. Esses veículos favoreceram o uso de Equipamento de Suprimento de Veículo Elétrico (EVSE) de Nível 2 (CA monofásica), conforme definido pelo NEC-1999, para manter uma velocidade de carregamento aceitável. Os EVSEs eram equipados com um conector indutivo (Magne Charge) ou um conector condutivo (geralmente AVCON). A GM, Nissan e Toyota apoiaram o sistema indutivo, enquanto a DaimlerChrysler, Ford e Honda apoiaram o sistema condutivo.

As pás Magne Charge vinham em dois tamanhos: uma pá mais antiga e maior (utilizada para o EV1 e S-10 EV) e uma pá mais nova e menor (usada para o Toyota RAV4 EV de primeira geração, mas retrocompatível com veículos de pá grande por meio de um adaptador). A pá maior, introduzida em 1994, era necessária para uma porta de carregamento de entrada de veículo refrigerada a líquido, enquanto a pá menor, introduzida em 2000, fazia interface com uma entrada refrigerada a ar. O SAE J1773, que descreve os requisitos técnicos para o acoplamento de pá indutiva, foi emitido pela primeira vez em janeiro de 1995, com uma revisão em novembro de 1999.

O conector AVCON (esquerda) ao lado de seu sucessor, o conector SAE J1772 (direita).

Em 28 de junho de 2001, o influente Conselho de Recursos Atmosféricos da Califórnia adotou o conector condutivo como seu padrão, citando custos mais baixos e maior durabilidade. Consequentemente, a pá Magne Charge foi descontinuada em março seguinte. Três conectores condutivos existiam naquela época, cada um nomeado após seus fabricantes: Avcon (também conhecido como butt-and-pin, usado pela Ford, Solectria e Honda), Yazaki (também conhecido como pin-and-sleeve, no RAV4 EV) e ODU (usado pela DaimlerChrysler). O conector Avcon butt-and-pin suportava carregamento de Nível 2 e Nível 3 (CC) e foi descrito inicialmente no apêndice da primeira versão (1996) da prática recomendada SAE J1772. A versão de 2001 moveu a descrição do conector para o corpo da prática, estabelecendo-o como o padrão de fato para os Estados Unidos. O IWC recomendou o conector Avcon butt para a América do Norte com base em testes ambientais e de durabilidade. Em sua implementação, o conector Avcon usava quatro contatos para Nível 2 (L1, L2, Piloto, Terra) e adicionou mais cinco (três para comunicações seriais e dois para potência em CC) para Nível 3 (L1, L2, Piloto, Com1, Com2, Terra, Terra para dados limpos, CC+, CC−). No entanto, em 2009, o J1772 havia adotado o conector circular pin-and-sleeve (Yazaki) como sua implementação padrão, tornando o conector retangular Avcon butt obsoleto.