Carregadores para Veículos Elétricos (EVSE): arquitetura, comunicação e certificação

A expansão dos veículos elétricos está criando uma nova categoria de equipamentos eletrônicos relativamente complexos: os carregadores para veículos elétricos, conhecidos como EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment).

Embora externamente um carregador possa parecer apenas uma interface entre a rede elétrica e o veículo, internamente existe uma combinação de eletrônica de potência, sistemas embarcados, comunicação, conectividade, medição, segurança elétrica e software.

Nos carregadores conectados, a arquitetura pode ainda envolver servidores de gerenciamento, aplicativos, sistemas de pagamento e integração com plataformas de operação. Por isso, o desenvolvimento de um EVSE deve ser tratado como um sistema eletrônico completo, e não simplesmente como uma fonte de alimentação de alta potência.

Como funciona a arquitetura dos carregadores para veículos elétricos?

Podemos dividir um sistema de recarga conectado em três grandes partes: veículo elétrico, carregador EVSE e infraestrutura de gerenciamento.

O carregador controla a transferência de energia e verifica continuamente as condições necessárias para que a recarga seja realizada com segurança. Sistemas mais sofisticados também precisam trocar informações tanto com o veículo quanto com servidores externos. É nesse ponto que aparecem dois protocolos importantes: ISO 15118 e OCPP.

Comunicação entre o veículo e o carregador — ISO 15118

A ISO 15118 trata da comunicação digital entre o veículo elétrico e a infraestrutura de carregamento. Essa comunicação permite que veículo e carregador troquem informações relacionadas à sessão de carga. Dependendo da implementação e da versão utilizada, podem existir recursos como identificação e autenticação, negociação de parâmetros e funções associadas ao Plug & Charge.

Essa comunicação acontece essencialmente no trecho Veículo ↔ EVSE e não deve ser confundida com a comunicação entre o carregador e o servidor de gerenciamento.

Comunicação do carregador com o servidor — OCPP

O OCPP (Open Charge Point Protocol) atua em outra camada da arquitetura. Ele permite a comunicação entre o carregador e um sistema central de gerenciamento, frequentemente denominado CSMS — Charging Station Management System.

Por meio dessa conexão podem ser implementadas funções como acompanhamento das sessões de carga, estado do carregador, registros de eventos, gerenciamento remoto, atualização de parâmetros e integração com sistemas operacionais e comerciais. Nesse caso, temos EVSE ↔ OCPP ↔ servidor de gerenciamento.

Pagamento, conectividade e plataforma de operação

Em uma estação pública, o processo não termina na comunicação com o veículo. O sistema pode precisar identificar o usuário e integrar a sessão de recarga a mecanismos de cobrança. Dependendo do modelo de negócio, isso pode envolver cartão, RFID, aplicativo, PIX ou integração com outros sistemas de pagamento.

O carregador também pode possuir diferentes meios de conectividade, como Ethernet, Wi-Fi ou redes celulares 4G/5G. A plataforma de operação pode concentrar informações provenientes de vários carregadores para realizar monitoramento, gerenciamento das estações, controle de usuários, relatórios e faturamento.

Essa separação é importante porque o OCPP não é o sistema de pagamento nem a plataforma comercial. Ele é um protocolo utilizado na comunicação entre a estação de carregamento e o sistema central.

O que existe dentro de um carregador rápido DC?

Nos carregadores para veículos elétricos do tipo DC Fast Charger, a energia proveniente da rede elétrica precisa ser convertida e controlada antes de ser entregue ao veículo. Uma arquitetura típica pode incluir proteção de entrada, filtragem EMI, estágios de conversão de potência, barramento DC, módulos AC/DC, contatores, sensores de tensão e corrente, sistemas de controle e circuitos de comunicação.

Carregadores de maior potência podem utilizar múltiplos módulos de potência trabalhando em paralelo, permitindo aumentar a capacidade do equipamento e criar uma arquitetura modular. O sistema embarcado coordena esses blocos, supervisionando tensões, correntes, temperaturas, estados dos contatores e diferentes condições de segurança.

O sistema de controle é uma parte crítica do EVSE

No centro dessa arquitetura normalmente existe um ou mais controladores embarcados. Eles podem ser responsáveis pelo controle dos módulos de potência, aquisição de sensores, gerenciamento de contatores, comunicação com o veículo, interface com o usuário e comunicação com sistemas externos.

Dependendo da arquitetura do produto, podem ser empregados microcontroladores, microprocessadores, interfaces CAN, Ethernet, comunicação serial e módulos celulares ou Wi-Fi. Também é necessário prever mecanismos de diagnóstico e atualização de firmware, principalmente quando os carregadores estão distribuídos geograficamente.

Segurança elétrica e compatibilidade eletromagnética

Um carregador de veículos elétricos trabalha com níveis significativos de potência e, portanto, a segurança precisa fazer parte da arquitetura desde as primeiras etapas do projeto. Entre os aspectos que precisam ser considerados estão proteção contra sobrecorrente e sobretensão, isolamento, aterramento, monitoramento elétrico, temperatura, contatores e condições anormais de operação.

Conversores de potência operando por chaveamento podem gerar ruído conduzido e radiado. Ao mesmo tempo, a eletrônica de controle deve continuar funcionando corretamente quando submetida às perturbações eletromagnéticas previstas para seu ambiente de utilização. Por isso, filtros EMI, layout das placas, aterramento, blindagem, escolha dos componentes e arquitetura mecânica não devem ser tratados apenas no final do desenvolvimento.

Normas técnicas e certificação de carregadores

Entre as principais referências técnicas utilizadas no desenvolvimento de sistemas de carregamento estão a série IEC 61851, relacionada aos sistemas de carregamento condutivo, e a ISO 15118, relacionada à comunicação entre veículo e infraestrutura de carregamento. As normas internacionais podem ser consultadas diretamente nos sites da IEC e da ISO.

Entretanto, é importante separar norma técnica de certificação compulsória. A existência de uma norma aplicável ao produto não significa automaticamente que determinado equipamento precise possuir certificação compulsória pelo INMETRO.

Quando o equipamento incorpora interfaces de telecomunicações — por exemplo Wi-Fi, Bluetooth ou comunicação celular — também devem ser analisados os requisitos regulatórios aplicáveis aos módulos e interfaces de radiofrequência utilizados. Antes de iniciar o desenvolvimento, é recomendável realizar um levantamento normativo específico para a configuração do produto e para o mercado onde ele será comercializado.

Desenvolver pensando na certificação reduz retrabalho

Um erro frequente em produtos eletrônicos é desenvolver primeiro o equipamento e analisar os requisitos normativos somente quando o protótipo está pronto. Em equipamentos de potência, essa estratégia pode gerar modificações significativas no hardware, PCB, filtros, isolamento, gabinete e até na arquitetura geral do produto.

O ideal é que os requisitos de segurança elétrica, EMC, telecomunicações e comunicação sejam considerados desde a definição inicial da arquitetura. Isso permite transformar os requisitos normativos em especificações de engenharia e reduzir o risco de descobrir problemas somente durante os ensaios de laboratório.

Desenvolvimento de eletrônica para sistemas de carregamento

O desenvolvimento de carregadores para veículos elétricos envolve diversas disciplinas de engenharia que precisam funcionar de maneira integrada. Veja também outros projetos de engenharia eletrônica da ECK.

A ECK Engenharia Eletrônica atua no desenvolvimento de hardware e firmware embarcado, IoT e sistemas de comunicação, interfaces de sensores e controle, compatibilidade eletromagnética e suporte técnico para processos de certificação. Essa experiência pode ser aplicada ao desenvolvimento de módulos eletrônicos, controladores e subsistemas destinados a equipamentos de carregamento e infraestrutura para veículos elétricos.

O objetivo é considerar desde o início não apenas o funcionamento do protótipo, mas também aspectos relacionados à industrialização, confiabilidade, comunicação e atendimento aos requisitos técnicos do produto.