Análise de Veículos Elétricos

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Universidade Federal de Ouro Preto
Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas
Departamento de Engenharia Elétrica
Trabalho de Conclusão de Curso
Análise dos Veículos Elétricos Integrados à
Rede de Distribuição de Energia
João Carlos Lot Junior
João Monlevade, MG
2022
João Carlos Lot Junior
Análise dos Veículos Elétricos Integrados à
Rede de Distribuição de Energia
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Univer-
sidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos
para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia
Elétrica pelo Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas
da Universidade Federal de Ouro Preto.
Orientador: Welbert Alves Rodrigues
Universidade Federal de Ouro Preto
João Monlevade
2022
Lot Junior, João Carlos.
LotAnálise dos veículos elétricos integrados a rede de distribuição de
energia. [manuscrito] / João Carlos Lot Junior. - 2022.
Lot89 f.: il.: color., gráf., tab., mapa.
LotOrientador: Prof. Dr. Welbert Alves Rodrigues.
LotMonografia (Bacharelado). Universidade Federal de Ouro Preto.
Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas. Graduação em Engenharia
Elétrica .
Lot1. Veículos elétricos. 2. Automóveis elétricos - Consumo de energia. 3.
Energia elétrica - Consumo. I. Rodrigues, Welbert Alves. II. Universidade
Federal de Ouro Preto. III. Título.
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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
REITORIA
INSTITUTO DE CIENCIAS EXATAS E APLICADAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA
FOLHA DE APROVAÇÃO
 
 
João Carlos Lot Junior
 
 
Análise dos Veículos Elétricos Integrados a Rede de
Distribuição de Energia
 
 
 
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal
de Ouro Preto como requisito parcial para obtenção do �tulo de Engenheiro Eletricista
 
 
Aprovada em 03 de Novembro de 2022
 
 
 
Membros da banca
 
Dr - Welbert Alves Rodrigues - Orientador - UFOP
Dr - Renan Fernandes Bastos - UFOP
Dr - Thainan Santos Theodoro - UFOP
 
 
 
 
Welbert Alves Rodrigues, orientador do trabalho, aprovou a versão final e autorizou seu depósito na Biblioteca Digital de Trabalhos de
Conclusão de Curso da UFOP em 29/11/2022
 
 
Documento assinado eletronicamente por Welbert Alves Rodrigues, PROFESSOR DE MAGISTERIO SUPERIOR, em
30/11/2022, às 15:24, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8
de outubro de 2015.
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Resumo
A preocupação referente a questões ambientais, preservação dos recursos humanos, quali-
dade de vida da população, e até de fatores políticos, tem pressionado uma mudança na
indústria automobilística mundial. Essas mudanças refletem no aumento do interesse e
desenvolvimento de novas tecnologias envolvendo veículos elétricos (VEs), sendo este tipo
de veículo uma opção no que se refere à evolução do setor automobilístico de modo susten-
tável. O principal objetivo do trabalho é realizar um estudo das características técnicas e
econômicas relacionadas a integração de veículos elétricos (VEs) ao sistema distribuição.
Estudos de simulações foram desenvolvidos usando o openDSS e MATLAB para variação
de perfis de carga e utilização dos VEs. A rede utilizada é parte do sistema de distribuição
da cidade de João Monlevade-MG. O VE utilizado nos estudos é o Nissan Leaf, enquanto
o carregador bidirecional escolhido é o Wallbox Quasar (7,4 kW). Ambas viabilidades,
técnica e econômica, foram feitas considerando o fluxo bidirecional de potência dos VEs
em diferentes horários de ponta e fora de ponta. A viabilidade técnica tem o intuito de
avaliar a redução de demanda do alimentador de distribuição, enquanto a econômica avalia
a utilização da Tarifa Branca (vigor em 2018) para diminuição da conta de energia de
uma família média brasileira. As simulações foram divididas em 3 casos, um caso base
do alimentador sem VEs e outros 2 casos contendo VEs. O caso em que o carregamento
era feito no horário de ponta, houve um aumento de 36,64% no pico de demanda do
alimentador (às 18h). Para o caso cujo o carregamento era feito na madrugada, houve uma
diminuição de 29,10% da demanda energética, no mesmo horário (18h). Ao ser utilizado a
Tarifa Branca, em conjunto com um sistema V2G, pode-se economizar entorno de 17,21% e
ainda auxiliar a rede no horário de grande consumo, injetando potência na rede. Portanto,
este estudo foi proposto para apresentar uma solução ao problema que é o carregamento
de VEs no horário de pico, e apresentar um meio de reduzir a conta de energia para o
consumidor que possuir um carro elétrico em sua garagem.
Palavras-chave: Veículos Elétricos. EV. Carros Elétricos. Compensação da Rede. Com-
pensação no Horário de Pico. Bateria Veículos Elétricos.
Abstract
The concern with environmental issues, preservation of human resources, with the quality
of life of the population and even political factors, has pressured a change in the global
automobile industry. These changes reflect the increased interest and development of
new technologies involving electric vehicles (EVs), with this type of vehicle being an
option regarding the evolution of the automobile sector in a sustainable way. The main
objective of this paper is to carry out a study of the technical and economic characteristics
related to the integration of electric vehicles (EV) to the electric distribution system.
Simulation studies were developed, using openDSS and MATLAB to vary load profiles
and utilization of EVs. The grid used is part of the electric distribution system of the
city of João Monlevade-MG. The EV used in the studies is the Nissan Leaf, while the
bidirectional charger chosen is the Wallbox Quasar (7.4 kW). Both technical and economic
feasibility were made considering the bidirectional flow of EVs power at different peak and
off-peak times. The technical feasibility aims to assess the reduction in demand from the
distribution feeder, while the economic one evaluates the use of the White Tariff (in force
since 2018) to reduce the energy bill of an Brazilian family. The simulations were divided
into 3 cases, a base case of the feeder without EVs and another two containing EVs. The
case in which the loading was done at peak hours, there was an increase of 36.64% in the
feeder’s peak demand (at 6 pm). For the case whose charging was done at dawn, there
was a 29.10% decrease in energy demand at the same time (6 pm). When using the White
Tariff, alongside with a V2G system, around 17.21% can be saved in fees and still help the
network at peak consumption hours, injecting power into the grid. Therefore, this study
was proposed to present a solution to the problem of charging EVs at peak hours, and to
present a way to reduce the fee energy bill for consumers who have an electric car in their
garage.
Keywords: Electric Vehicles. EV. Eletric cars. Network Compensation. Peak Hour Com-
pensation. Battery Electric Vehicles.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Evolução dos Veículos Elétricos [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Figura 2 – Ampliação das Vendas Carros Elétricos no Cenário Mundial em 2021 [9]. 4
Figura 3 – Principais Tipos de Carros Elétricos [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figura 4 – Estrutura de um VE de Propulsão Hibrida [19]. . . . . . . . . . . . . . 10
Figura 5 – Estrutura de um VE de Propulsão HibridaPlug in [20]. . . . . . . . . . 12
Figura 6 – Estrutura de um VE de Propulsão 100% Elétrica a Bateria [21]. . . . . 13
Figura 7 – Motor a Combustão à Esquerda e Motor Elétrico à Direita. Adaptado
de [23]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 8 – Estrutura de um VE a Célula de Combustível [22]. . . . . . . . . . . . 16
Figura 9 – Estruturação das Células das Baterias em um Carro Elétrico [25]. . . . 17
Figura 10 – Bateria de Íon de Lítio Encontrada em Carros Elétricos [25]. . . . . . . 18
Figura 11 – Bateria de Hidreto Metálico de Níquel, Usada em HEV [25]. . . . . . . 20
Figura 12 – Bateria de Chumbo-Ácido [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 13 – Bateria de Níquel-Sódio do Parque Tecnológico de Itaipu [30]. . . . . . 22
Figura 14 – Supercapacitor Usado em VEs [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 15 – Curva de Carga do Dia 20/03/2021, dados ONS [31]. . . . . . . . . . . 28
Figura 16 – Consumo residencial médio do chuveiro - Brasil [15] . . . . . . . . . . . 29
Figura 17 – Comparativo Entre os Modos de Tarifação [15]. . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 18 – Arranjo dos sistemas V2G e G2V [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 19 – Arranjo do sistema “Vehicle to Home” (V2H) [46]. . . . . . . . . . . . 35
Figura 20 – Arranjo dos sistemas V2G, G2V e V2H [68]. . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 21 – Carregador Wallbox Quasar, de 7,4 kW, apresentado na CES 2020 [51]. 39
Figura 22 – Carro Elétrico Nissan Leaf, utilizado em conjunto com Wallbox Quasar.
[52] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Figura 23 – Arranjo dos Sistemas V2G, G2V, V2H e G2H. Adaptado de [59]. . . . 40
Figura 24 – Mapa geográfico e do fluxo de Potência da Área. . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 25 – Especificação dos cabos das linhas trifásicas no OpenDSS. . . . . . . . 44
Figura 26 – Declaração do Arquivo principal da simulação. . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 27 – Arranjo dos Sistemas G2H. Adaptado de [59]. . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 28 – Curva da Demanda em pu do caso base. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 29 – Arranjo dos Sistemas G2V e G2H. Adaptado de [59]. . . . . . . . . . . 47
Figura 30 – Curva do carregamento dos VEs, G2V, no Caso 1. . . . . . . . . . . . . 48
Figura 31 – Sistema de baterias dos VEs adicionado ao programa principal. . . . . 49
Figura 32 – Curva de Carregamento dos VEs, V2G e G2V do Caso 2. . . . . . . . . 50
Figura 33 – Curva de Carga do Sistema sem VEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Figura 34 – Tensões nas barras do sistema em p.u no horário de pico, Caso base. . 52
Figura 35 – Corrente nas Linhas no Horário Demanda Máxima, Caso Base. . . . . 53
Figura 36 – Perdas de Potência Diárias (Soma das Três Fases) da Rede de MT, Caso
Base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura 37 – Curva de Carga do sistema com 132 VEs, Caso 1. . . . . . . . . . . . . 55
Figura 38 – Tensões nas Barras do Sistema em p.u no Horário Demanda Máxima,
Caso 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Figura 39 – Corrente nas Linhas no Horário Demanda Máxima, Caso 1. . . . . . . 56
Figura 40 – Perdas de Potência Diárias (Soma das Três Fases) da Rede de MT, Caso 1. 57
Figura 41 – Curva de Carga do Sistema com 132 VEs, Caso 2. . . . . . . . . . . . . 58
Figura 42 – Tensões nas Barras do Sistema em p.u no Horário Demanda Máxima,
Caso 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 43 – Corrente nas Linhas no Horário Demanda Máxima, Caso 2. . . . . . . 59
Figura 44 – Perdas de Potência Diárias (Soma das Três Fases) da Rede de MT, Caso 2. 60
Figura 45 – Demanda Diária da Residencia - Cenário 1 e 2. . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 46 – Demanda Diária da Residencia Cenário 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Figura 47 – Demanda Diária da Residencia Cenário 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Figura 48 – Demanda Diária da Residencia Cenário 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Lista de tabelas
Tabela 1 – Vendas/Emplacamentos de Veículos Elétricos no Brasil [10]. . . . . . . 5
Tabela 2 – Matriz Elétrica Brasileira, Abril de 2021 [14]. . . . . . . . . . . . . . . 6
Tabela 3 – Principais Tipos de Baterias [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Tabela 4 – Tarifação Branca [66]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Tabela 5 – Classificação da Tensão de Fornecimento (380/220 V) [39]. . . . . . . . 32
Tabela 6 – Especificações Do Carregador Wallbox Quasar [69]. . . . . . . . . . . . 39
Tabela 7 – Especificações da Bateria, Carregamento e Autonomia do Nissan Leaf
[70]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Tabela 8 – Distribuição dos alimentadores da cidade de João Monlevade em 2016
[55]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Tabela 9 – Dados da Área do alimentador analisado. . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabela 10 – Casos e suas Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Tabela 11 – Dados de VEs adicionados na Região. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Tabela 12 – Resultados da Simulação do Caso Base. . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Tabela 13 – Resultados da Simulação do Caso 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Tabela 14 – Comparação dos Resultados das Simulações dos Casos. . . . . . . . . . 60
Tabela 15 – Cenários de Estudo da Tarifa Branca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Tabela 16 – Comparação dos Cenários 1 e 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Tabela 17 – Comparação dos Cenários 1 a 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Tabela 18 – Comparação dos Cenários 1 a 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Tabela 19 – Comparação dos Cenários 1 a 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Lista de abreviaturas e siglas
VE ou EV Veículos Elétricos
EUA Estados Unidos da América
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
HEV Veículos Elétricos Híbridos
PHEV Veículo Elétrico Hibrido plug-in
BEV ou VEB Veículo Elétrico a Bateria
FCEV Veículos Elétricos a Célula de Combustível
NEV Veículos Elétricos e Novos Combustíveis
KERS Sistema de Recuperação de Energia Cinética (Kinetic Energy Recovery
Systems)
FP Fator de Potência
V2G Vehicle-to-Grid
CGH Central Geradora Hidráulica
CGU Geradora Undi-Elétrica (Usina de ondas)
EOL Central Geradora Eólica
PCH Pequena Central Hidrelétrica
UFV Central Geradora Fotovoltaica
UHE Usina Hidrelétrica
UTE Usina Térmica de Energia
UTN Usina Termonuclear
UPS Alimentação Ininterrupta de Energia (Uninterruptible Power Supplies)
ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico
ANNSTLF Artificial Neural Network Short Term Load Forecast
SINPHA Sistema de Informação de Posse e Hábitos de Uso de Aparelhos Eletro-
domésticos
ICEA Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas (UFOP)
SEP Sistema Elétrico de Potência
TB Tarifa Branca
FV Sistema Fotovoltaico
G2V Grid to Vehicle
V2H Vehicle to Home
V2B Vehicle to Building
G2H Grid to Home
MT Média Tensão
BT Baixa Tensão
BCG Boston Consulting Group
CES Consumer Electronics Show
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Tipos De Veículos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Veículos Elétricos Híbridos (HEV’s) . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 10
2.1.2 Veículo Elétrico Hibrido plug-in (PHEV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Veículos Elétricos a Bateria (BEV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.4 Veículos Elétricos a Célula de Combustível (FCEV) . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Baterias de Veículos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Bateria de Íon de Lítio - Li-íon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Bateria de Hidreto Metálico de Níquel - NiMH . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Bateria de Chumbo-Ácido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4 Bateria de Cloreto de Sódio – Níquel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.5 Supercapacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.6 Segurança, Altos Preços e Vida Útil de Baterias de VEs . . . . . . . . . . . 23
2.3 Tipo de Carregamentos de Veículos elétricos . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Sistema Elétrico Brasileiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.1 Curva de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2 Horário de Pico de Consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.3 Tarifa Branca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.4 Fator de Potência em Regime de Baixa Carga . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Interações de VEs com a Rede Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.1 Grid to Vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.2 Vehicle to Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.3 Vehicle to Home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1 Conceituação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Escolha de Carregador e Carro Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Apresentação do Sistema Simulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Configuração e Inserção de dados OpenDSS . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.1 Apresentação do Caso Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.2 Apresentação do Caso 1: VE com Carregamento no Horário de Pico . . . . 47
3.4.3 Apresentação do Caso 2: VE com Carregamento fora do Horário de Pico . . 49
4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1 Estudos dos Casos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.1 Caso Base: Sistema sem Veículos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.2 Caso 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.3 Caso 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 Tarifa Branca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.1 Tarifa Branca: Custos de carregamento de um VE . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2 Tarifa Branca: Redução da Conta de Energia com VE . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2.1 Cenário 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.2.2 Cenário 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.2.3 Cenário 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.2.4 Cenário 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.2.5 Cenário 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7 ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.1 Anexo 1 - Arquivo de Linhas do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.2 Anexo 2 - Dados dos Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.3 Anexo 3 - Declaração das Cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.4 Anexo 4 - Gráfico de Demanda com Zoom . . . . . . . . . . . . . . . 78
1
1 Introdução
Neste capítulo, será feita introdução referente as questões contextuais relacionadas
ao carro elétrico para melhor compreensão do trabalho proposto. Para tal, se faz necessário,
um relato histórico do início desse tipo de veículo até os dias atuais, além de descrever
algumas características da rede elétrica que podem ser afetadas pelo aumento do número
de veículos eletrificados no brasil. Após apresentar a contextualização, foram indicados os
principais pontos de motivação e justificativa para a realização deste trabalho.
1.1 Contextualização
Uma das características mais importantes do transporte sustentável, é o uso eficaz
e consciente da energia. Veículos mais leves, motores mais eficientes e fontes de energias
renováveis, contribuem para a preservação dos recursos naturais e a diminuição das emissões
de gases na atmosfera. O setor de transporte é o principal responsável pelas emissões nos
grandes centros urbanos [1]. A principal motivação para o desenvolvimento de veículos
elétricos está relacionada à redução de impactos ambientais causados pela dependência de
combustíveis fósseis, gerados pelo setor de transportes.
O conceito de veículos elétricos (VEs) não é algo recente, tendo surgido em meados
do século 19. Por volta de 1800, quando ainda nem existia o automóvel motorizado,
inventores da Hungria, da Holanda e dos Estados Unidos imaginavam um veículo movido
à bateria [2]. A priori, o carro movido a energia elétrica surgiu 1828, quando o engenheiro,
físico e sacerdote Anyos István Jedlik criou o primeiro modelo. Entretanto, o título de
inventor oficial do carro elétrico vai para Thomas Davenport, que criou uma locomotiva
movida a ímãs no ano de 1834 [3]. Independente de não ser exatamente um carro elétrico,
a criação de Davenport ajudou a criar o que viria a ser carros movidos a eletricidade.
Entre 1832 e 1839, o escocês Robert Anderson criou uma espécie de carruagem elétrica, no
entanto, não há relatos exatos que comprovem a eficiência desse modelo. Apesar de várias
tentativas e modelos criados, nenhum projeto conseguiu ser apresentado de fato como um
carro elétrico.
Já na França, nos anos de 1859 e 1881, dois inventores criaram baterias recarregáveis
de chumbo, sendo essa invenção decisiva para a que o carro elétrico surgisse. Sendo assim,
em 1891, o primeiro carro elétrico foi construído nos EUA por William Morrison. Sendo
este, considerado uma espécie de vagão eletrificado, com capacidade para seis pessoas e
que chegava a 14 quilômetros por hora. Em 1900, os carros elétricos ganharam ampla
popularidade, somando 38 % de todos os veículos nas ruas dos EUA, comparados com
22 % movidos à gasolina. Na mesma época, os modelos elétricos atingiram seu apogeu
Capítulo 1. Introdução 2
em Nova Iorque, que desfilava uma frota de 60 táxis movidos à bateria. Thomas Edison e
Henry Ford trabalharam juntos para construir um veículo elétrico comprável, de baixo
custo. Em 1912, o estoque global de veículos elétricos alcançou o pico histórico de 30.000
unidades [4].
Apesar dos carros elétricos serem mais silenciosos que os demais e também mais
fáceis de operar, algumas desvantagens fizeram com que o carro elétrico fosse deixado de
lado em relação aos movidos a gasolina, sendo a principal delas, sem dúvidas, a baixa
capacidade de carga da bateria. Em 1908, ao mesmo tempo em que considerava produzir
um carro elétrico, o fundador da Ford, Henry Ford, iniciava a fabricação em série do
famoso Ford T, o modelo foi celebrado como ícone da indústria automotiva, custando
apenas US$ 650, o Ford T atraiu o interesse dos consumidores, em contraste aos veículos
com bateria, que saíam por US$ 1.750.
A partir de 1935, o carro elétrico deixou de ser produzido em definitivo. Apenas
em 1966, sua produção cogitou ser retomada, como parte de um conjunto de medidas para
frear a poluição ambiental. Desse modo, a partir da década de 70, diversas montadoras
passarama investir na criação de novos modelos [3], sendo um dos motivos a crise do
petróleo, em que aumentou o preço do recurso em 400 %, causando desestruturação na
economia mundial. A Figura 1 mostra a evolução dos veículos elétricos ao longo do tempo.
Figura 1 – Evolução dos Veículos Elétricos [2].
A produção do automóvel elétrico ganhou impulso em 1990, com um acordo
ambiental chamado de Veículos Emissão Zero da Califórnia, que criava um sistema de
créditos. Desse modo, empresas que produzissem e vendessem carros elétricos tinham
Capítulo 1. Introdução 3
certas vantagens [2]. Como é possível ver na Figura 1, os carros elétricos passaram a
ganhar força no final do século 20, em que em 1997, a Toyota lançou o Prius, primeiro
carro híbrido produzido em série. Já em 2003, foi fundada a Tesla, que em 3 anos após sua
criação, lançou Tesla Roadster, veículo esportivo de luxo que foi produzido em massa e
mudou a concepção acerca do carro elétrico. Já em 2010, foi a vez da Nissan lançar o Leaf,
mais uma opção de automóvel elétrico, sendo um dos carros elétricos mais vendidos no
mundo. Atualmente a Volvo anunciou que, a partir de 2021, venderia modelos contendo
somente propulsão eletrificada no Brasil, sendo um avanço na ideologia de vendas de carros
elétricos, por parte de uma montadora, onde inicialmente se baseava em vendas de carros
a combustão [4].
O cenário mundial atual de carros elétricos apresenta ser muito promissor. Diversos
países, principalmente os considerados desenvolvidos, dispõem de diversos incentivos para
que a indústria automotiva invista e desenvolva mais seus carros elétricos chamando a
atenção de consumidores e sendo assim mais atrativos para o cliente final. Nos EUA, está
previsto a aprovação de um projeto de lei chamado GREEN, é esperado, entre outras
medidas, um aumento do limite de créditos fiscais para montadoras que atingirem a meta
de entregar 600 mil carros elétricos. Nesse sentido, os primeiros 200 mil carros elétricos
vendidos por uma fabricante têm direito à isenção de até US$ 7.500 (aproximadamente
R$ 40 mil), após atingir essa quantidade, o crédito cai para US$ 7 mil até a montadora
chegar as 600 mil unidades vendidas [6].
No Reino Unido, a venda de carros a gasolina e diesel será proibida a partir de 2030,
enquanto a Alemanha aprovou uma extensão de quatro anos de subsídios para veículos
elétricos. As medidas refletem a abordagem combinada de incentivos e penalidades dos
governos para que montadoras passem a fabricar carros movidos a bateria.
A pressão regulatória já ajudou os veículos elétricos a conquistarem uma fatia
maior das vendas de carros de passageiro na Europa do que em qualquer outro mercado de
automóveis desenvolvido no mundo [7]. Uma dessas novas regras regulatórias ambientais
entrou em vigor em 2020, na qual se tem a obrigatoriedade da redução das emissões
médias de CO2 para 95g/km até ao final do ano. Já a China, terá uma redução de 20%
dos subsídios para automóveis de passageiros, enquanto para o transporte público (ônibus,
táxis), essa redução ficará em 10%. Essa redução é devido à recuperação de vendas durante
pandemia de 2020, e a mudança parece razoável e não deve afetar o mercado de forma
significativa o suficiente para impedir o seu crescimento. Os subsídios estatais estarão
disponíveis pelo menos até o final de 2022 [8].
O cenário mundial de vendas de carros elétricos está indo na contramão do conjunto
do setor automotivo Mundial. Enquanto temos uma redução das vendas de carros movidos
à gasolina e outros derivados do petróleo, carros elétricos estão em ascensão em seu número
de vendas. O que começou com uma desaceleração econômica sem precedentes durante a
Capítulo 1. Introdução 4
primeira onda do COVID-19, se tornou uma história de sucesso para os VEs na Europa,
em 2020 quase 1,4 milhão de Veículos Elétricos a Bateria (VEBs) e Veículos Elétricos
Híbridos plug-in (PHEVs) foram registrados na Europa, 137% a mais do que em 2019, em
um mercado de veículos que cai 20% ano a ano. Já em 2021, a Europa teve 2,3 milhões
de registros, um crescimento de 66% comparado ao ano de 2020, como visto na Figura
2. Resultado da combinação de novos modelos atraentes, e também por aumentos de
incentivos por fundos de recuperação verdes, a Lei dos 95g CO2.
As vendas de Veículos Elétricos e Novos Combustíveis (NEV) na China tiveram
um forte aumento no ano de 2021, passando quase 3,4 Milhões de veículos registrados,
um aumento de 155% em relação ao ano anterior. As vendas de VEs nos EUA cresceram
96% devido aos lançamentos de novos modelos na região norte americana e das melhores
disponibilidades do Tesla Model 3 e Y.
Os dados de vendas em outros mercados tiveram um aumento significativo, como
por exemplo, a Coreia do Sul com o aumento de 64.200 unidades para 114.500 de vendas
de VEs. Israel, Austrália, Índia e Japão também expandiram, com vendas adicionais de
mais de 10.000 unidades cada. Muitos mercados de veículos elétricos menores, como, Nova
Zelândia, Arábia Saudita, Cingapura, aumentaram as vendas de veículos elétricos em mais
de 200% [9]. Com as vendas totais de veículos leves recuperando apenas 4,6% em relação
ao ano de crise de 2020, o crescimento de 108% dos VEs significa dobrar sua participação
de mercado, mostrando o crescimento exponencial ano após ano.
Figura 2 – Ampliação das Vendas Carros Elétricos no Cenário Mundial em 2021 [9].
Capítulo 1. Introdução 5
No Brasil, o cenário de carros elétricos está em ascensão, em menores números
do que países mais desenvolvidos, mas ainda em avanço. Segunda a ABVE, Associação
Brasileira do Veiculo Elétrico, em 2021 as vendas de veículos elétricos e híbridos (VEs)
no Brasil, bateram novo recorde e cresceram com um aumento de 77% sobre os 19.745
emplacamentos de 2020 e de 195% sobre os 11.858 de 2019. Como é possível ver na Tabela
1, no total, o Brasil teve um aumento um total de 34.990 veículos elétricos emplacados em
2021, em que 20.678 são elétricos híbridos (HEV), 11.461 são elétricos híbridos plug-in
(PHEV) e 2.851 são elétricos a bateria (BEV).
Os Veículos Elétricos a Bateria mais vendidos no país são o Nissan Leaf Tekna
com 439 unidades vendidas, seguido do Porsche Taycan com 379 unidades e Volvo XC40
Recharge em terceiro com 375 Unidades vendidas. Com esse resultado, a frota total de
automóveis elétricos ou híbridos em circulação no país já chega a 77.259 unidades no final
de 2021 [10].
Tabela 1 – Vendas/Emplacamentos de Veículos Elétricos no Brasil [10].
A indústria de energia elétrica tem as seguintes atividades clássicas: “Geração”,
“transmissão”, “distribuição” e “comercialização”, sendo que esta última engloba a medição
e faturamento dos consumidores. Referente à geração, segundo a ANEEL, o Brasil possui
atualmente 183.450.651,82 kW de potência instalada, como visto na Tabela 2. A matriz
elétrica nacional é modelo internacionalmente, contendo 82,9% das fontes Energéticas
sustentáveis, enquanto a média global é de 26.7% [13]. Em muitos casos, assim como
o fornecimento de energia elétrica para as residências, a atividade de comercialização é
realizada juntamente com a de distribuição. Entre a produção da energia elétrica até o seu
consumo final existe um longo caminho pelo qual a energia elétrica é transportada, o qual
é composto pelas redes de transmissão e de distribuição [12].
Capítulo 1. Introdução 6
Tabela 2 – Matriz Elétrica Brasileira, Abril de 2021 [14].
Um dos grandes problemas da indústria de energia elétrica é o horário de máximo
consumo. Umas das causas desse aumento de consumo é a chegada dos consumidores em
suas casas e a utilização do chuveiro elétrico. Para o consumidor, o impacto mais óbvio da
utilização do chuveiro elétrico é o aumento na conta de energia, pois o mesmo corresponde
a mais de 20% de todo o consumo residencial do país. Já no caso das concessionárias
de energia, o impacto é muito mais severo: devido às características de alta potência e
demanda concentrada em curtos espaços de tempo pela maior parte das residências, há a
formação de picos de consumo. Essespicos de consumo são prejudiciais porque acarretam
um superdimensionamento do sistema de geração, transmissão e distribuição de energia
(que têm de estar preparado para operar no horário de pico com segurança), além de
outros impactos, como aumento das perdas e afundamento do perfil de tensão [15].
Os carros elétricos podem ser uma das soluções ou mais um agravante desse pico
de consumo. Os carros elétricos sendo utilizados para auxiliar a suprir essa demanda
estariam contribuindo para uma melhora da rede, aliviando a grande demanda do sistema
de geração, transmissão e distribuição de energia nesse horário de pico de consumo. Sendo
assim, os carregamentos dos carros elétricos podem ser deslocados para o horário da
madrugada, no qual o consumo elétrico é baixo. Porém, se a inserção dos VEs não for bem
planejada, esse pico de consumo pode aumentar, pois além do chuveiro elétrico, aqueles
que tiverem carros elétricos também estariam carregando seus carros ao chegar em suas
residências, acarretando então no aumento do pico de consumo.
Capítulo 1. Introdução 7
1.2 Motivação
É indiscutível que o veículo elétrico se mostra cada dia mais como uma solução
para os diversos problemas de poluição produzidos pelos veículos à combustão. Porém,
uma das grandes questões para aplicação em centros urbanos desse meio de transporte é
como suprir a demanda energética dessa nova carga no sistema elétrico [11]. É necessária
a realização de estudos sobre impactos do carro eletrificados na rede elétrica, mostrando,
assim tanto pontos negativos, quanto pontos positivos.
Neste caso, uma das soluções para suprir a demanda energética em horários de pico
de consumo seria a utilização de baterias de caros elétricos. Pois nesse horário há o cenário
onde, além de fábricas e comércios, a população chega a suas casas e faz o uso de chuveiros
elétricos (grande responsável pelo horário de pico na rede elétrica). A solução proposta
com a elaboração desse trabalho, é a utilização de veículos elétricos para compensação
desse pico de carga utilizando suas baterias, um conceito chamado de Vehicle-to-grid.
Contudo, sendo necessário ter toda uma configuração e hardware embarcado para ser
utilizado neste período de grande demanda. E assim também, deslocar o carregamento
dos veículos elétricos para o horário de menor consumo, ou seja, madrugada, de 00:00 até
as 6 horas da manhã.
Com a recarga dos carros elétricos nos horários da madrugada, estes estariam
ajudando com outro problema da rede. Como o consumo da madrugada é muito baixo, a
rede tende a um aumento de sua tensão, em que é regulada pela concessionarias para se
manter na faixa de tensão estabelecida por normas. Assim, com recargas de carros nesse
horário, a rede receberia uma maior quantidade de carga durante a madrugada, auxiliando
as concessionarias na correção da tensão durante a noite.
1.3 Objetivos
1.3.1 Geral
O objetivo geral do trabalho é realizar um estudo do impacto da inserção de uma
frota de veículos elétricos na rede de Distribuição. Para isso será mapeado um alimentador
real da cidade de João Monlevade-MG e realizado uma análise da rede para um caso base e
dois casos contendo VE, carregados em horários distintos. Além disso, estudos financeiros
envolvendo Tarifação Branca (TB) serão feitos, com o intuito de melhorar as contas dos
consumidores utilizando essa tipo de tarifação. Espera-se que com a inserção dos VEs no
horário de pico a demanda máxima aumente. Sendo assim, para resolver esse problema, o
carregamento será realizado de madrugada e no horário de pico será utilizado a carga das
baterias dos VEs, compensado uma parte da demanda desse horário de grande consumo.
Capítulo 1. Introdução 8
1.3.2 Específicos
Os seguintes objetivos específicos deste trabalho são:
• Definir as estruturas e diferentes configurações de carros elétricos, assim como tipos
de baterias e tipos de carregamento.
• Apresentação dos dispositivos necessários para a implantação do fluxo bidirecional
de potência entre o veículo elétrico e a rede.
• Realizar estudos de casos via simulação, utilizando os softwares OpenDSS e MATLAB,
separando as simulações em 3 casos, um cenário base sem veículos elétricos e outros
dois contendo VEs.
• Realizar estudos, dos impactos de se utilizar baterias de VEs em residência em
horários de máximo consumo na rede;
• Apresentação de simulações, abordando a utilização das baterias de carros elétricos
para suprir a demanda da rede no horário de pico e deslocando o carregamento para
a madrugada.
• Uso da Tarifação Branca junto com a tecnologia de V2G para estudos de viabilidade
econômica junto ao consumidor final.
9
2 Fundamentação Teórica
Este Capítulo visa abordar os tipos, características e conceitos da arquitetura dos
veículos elétricos desde a sua composição até o seu funcionamento e eficiência, relacionando
o tema com a matriz energética brasileira.
2.1 Tipos De Veículos Elétricos
Existem três tipos básicos de veículos elétricos: os totalmente elétricos, híbridos
(HEV) e híbridos plug-in (PHEV). Como visto na Figura 3, está sendo considero totalmente
elétricos: os elétricos a bateria (BEV) e os carros elétricos à célula de combustível (FCEV).
Estes são carregados pela energia da rede, e também podem ter parte da bateria recarregada
pelos freios regenerativos, no qual se tem um reaproveitamento parcial da energia perdida
na frenagem do veículo [16].
Figura 3 – Principais Tipos de Carros Elétricos [16].
Assim como existem uma variedade de tecnologias disponíveis para os carros a
combustão, os veículos elétricos podem acomodar as diferentes necessidades dos motoristas.
A maior característica de um carro elétrico é que ele pode ser colocado na tomada (plugue)
para carregar através de uma fonte de energia externa. Isto o diferencia dos veículos
elétricos híbridos, nos quais complementam um motor a combustão com a energia da
bateria, mas não podem ser carregados por uma tomada.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 10
2.1.1 Veículos Elétricos Híbridos (HEV’s)
Os veículos híbridos utilizam gasolina/álcool ou diesel como principal forma de
alimentar o motor a combustão interna, como visto na Figura 4. Além de usar o motor
a combustão, que é reabastecido normalmente como qualquer outro carro de motor a
combustão, os híbridos também possuem um motor elétrico e uma bateria. Utilizando
tanto o motor elétrico, quanto o motor a combustão interna, os híbridos apresentam
significativamente melhor eficiência do uso do combustível que um carro não híbrido. Eles
também poluem menos e economizam no reabastecimento de combustível, já que o motor
elétrico complementa a atividade do motor a combustão em alguns momentos. Os híbridos
mais avançados possuem bateria de maior capacidade, sendo que esta pode ser recarregada
por uma fonte externa, pela rede elétrica, por exemplo, permitindo dirigir por maiores
distâncias usando eletricidade antes de trocar para a gasolina/álcool ou diesel. Conhecidos
como híbrido plug-in, estes carros oferecem melhor performance ambiental e conseguem
economizar combustível substituindo-o por eletricidade [16].
Figura 4 – Estrutura de um VE de Propulsão Hibrida [19].
Os híbridos mais eficientes geralmente utilizam o modo “somente elétrico” fazendo
com que o veículo opere inteiramente apenas com energia elétrica, consumindo assim,
menos combustível e reduzindo a emissão de poluentes. Nos híbridos que não são plug-in, o
modo “somente elétrico” é utilizado somente para ignição, acessórios e velocidades baixas,
quando o consumo de combustível é maior, deixando que o motor a combustão funcione
nas velocidades maiores, em que são mais eficientes. A maioria dos híbridos plug-in, que
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 11
tendem a ter maiores baterias e motor, podem funcionar totalmente a eletricidade em
velocidades mais altas por distâncias maiores [16].
O freio regenerativo (KERS) é uma outra característica quando se fala na economia
do combustível. Nas frenagens, os carros convencionais dissipam a energia cinética como
calor, diferentedos híbridos que conseguem capturar parte desta energia e transformá-la
em eletricidade, que depois, é armazenada na bateria. Esta energia pode ser utilizada
em outro momento para ajudar na aceleração do carro ou a alimentar alguns acessórios
do veículo. Da mesma forma que as geladeiras desligam as luzes do interior assim que
a porta é fechada, uma das qualidades dos veículos híbridos é desligar o motor quando
parado, economizando combustível. A bateria fornece energia para o ar condicionado e
outros acessórios, enquanto o carro fica parado no semáforo ou no trânsito, e o motor
elétrico pode ligar o carro novamente para iniciar o movimento. Se necessário, o motor a
combustão irá atuar junto com o elétrico fornecendo maior potência para a aceleração [16].
Alguns modelos de HEV’s conhecidos são: Toyota Prius, Ford Fusion Hybrid, Chevrolet
Malibu e o mais recente Toyota Corolla Altis Hybrid.
Existem três configurações que são mais comercializadas de HEV’s, nas quais suas
variações acontecem de acordo com a forma de transmissão de energia para as rodas, são
elas: Configuração série, Configuração paralela e Configuração mista. Quando os HEV’s são
projetados em configuração em série, o acionamento das rodas são feitos exclusivamente
utilizando o motor elétrico. Esse tipo de configuração possui a vantagem de ser utilizado
em baixas velocidades e quando muitas paradas são necessárias, mas possui a desvantagem
de necessitar de mais baterias do que a configuração em paralelo [18].
Já em relação à configuração em paralelo, o motor elétrico e o motor de combustão
se encontram em paralelo, e os dois atuam no acionamento das rodas. É mais utilizada
quando é exigida uma maior potência como, em subidas e na aceleração. Essa configuração
tem a vantagem de possuir um motor de combustão menor que o da configuração em série,
mas consequentemente, tem a desvantagem de ser mais caro [18].
Por último, a configuração mista visa à combinação das duas arquiteturas, série e
paralelo, com o objetivo de englobar as vantagens das duas configurações. A configuração em
paralelo aparece nesta configuração,em que o sistema de combustão mista está diretamente
ligado às rodas. Mas ao mesmo tempo há a possibilidade de se desconectar da transmissão
e operar como a configuração em série, e fazendo com que o veículo funcione em baixa
rotação. O contrário também ocorre, quando é necessária uma maior potência dos motores,
essa configuração permite a troca para a configuração em paralelo novamente [18]. As
desvantagens também são compartilhadas das outras 2 configurações, como o custo ser
mais caro do que a configuração em paralelo e consequentemente também mais caro do
que a configuração em série e também precisa de conjunto de baterias maior para suportar
as duas configurações.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 12
2.1.2 Veículo Elétrico Hibrido plug-in (PHEV)
O veículo elétrico híbrido plug-in, combina motor a combustão interna alimentado
por gasolina/álcool ou diesel com um motor elétrico e um banco de bateria recarregável.
Como visto na Figura 5, diferentemente dos híbridos convencionais, os elétricos híbridos
plug-in podem ter sua bateria recarregada de duas formas: a primeira é via frenagem
regenerativa (KERS). A segunda forma é por cabo, alimentado de uma fonte externa,
como a rede elétrica, por exemplo, permitindo alcançar longas distâncias usando apenas
energia elétrica. Quando a bateria descarrega, o motor a combustão funciona normalmente,
como um carro convencional. Esse tipo de carro elétrico emite consideravelmente menos
poluentes que os carros de motor a combustão, devido ao fato de serem carregados por
energia originada da rede. Eles não geram gases de efeito estufa quando funcionando
apenas com o motor elétrico, além disso, ganham eficiência no uso do combustível líquido,
uma vez que eles utilizam menos combustível devido ao motor elétrico [16].
Figura 5 – Estrutura de um VE de Propulsão Hibrida Plug in [20].
Este tipo de carro combina o benefício da economia de combustível do híbrido
comum com todas as capacidades elétricas de um carro elétrico movido à bateria ou
células a combustível. Normalmente, os PHEV iniciam no modo totalmente elétrico,
operando com eletricidade até que a bateria chegue ao seu limite mínimo, a autonomia
dos primeiros modelos pode chegar até a 100 km, mas alguns modelos trocam para o
modo híbrido, utilizando gasolina/álcool ou diesel, assim que a velocidade atinge 100 ou
115 km/h. Quando parado no trânsito ou no semáforo, o motor desliga automaticamente,
economizando assim energia. Os freios regenerativos (KERS) convertem parte da energia
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 13
perdida nas frenagens em energia elétrica, armazenando-a na bateria. E como o motor
elétrico complementa a potência do motor a combustão, ele pode ser de tamanho menor,
pois não compromete o desempenho e ainda melhora a eficiência de combustível do carro.
A maioria dos híbridos plug-in funcionam com pelo menos dois modos, configuração
de 100% elétrico, em que o motor elétrico e a bateria fornecem toda a energia do carro. E
também na configuração híbrida, na qual tanto energia elétrica, quanto gasolina/álcool ou
diesel são utilizados. Alguns modelos de PHEV’s conhecidos são: BMW i8, Mercedes Benz
C350e, Volvo V60 PHEV, Mitsubishi Outlander, Volkswagen Golf GTE.
2.1.3 Veículos Elétricos a Bateria (BEV)
Carros 100% elétricos, ou veículos elétricos a bateria (BEV), como também são
chamados, usam energia elétrica armazenada nas baterias para alimentar o motor elétrico
e tracionar as rodas, como visto na Figura 6. A bateria é recarregada utilizando os freios
regenerativos (KERS) e energia proveniente da rede elétrica pela tomada ou via plugue
por carregadores específicos para carros elétricos. Como eles não utilizam gasolina/álcool
ou diesel e são movidos exclusivamente por energia elétrica, os veículos elétricos a bateria
são classificados como 100% elétricos.
Figura 6 – Estrutura de um VE de Propulsão 100% Elétrica a Bateria [21].
Os carros elétricos a bateria são conhecidos por serem aliados do meio ambiente. No
entanto, para se manter nessa perspectiva positiva para com o meio ambiente, é importante
que a fonte de geração de energia para o carregamento bateria do carro elétrico tenha uma
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 14
origem também limpa, como por exemplo geração proveniente de painéis fotovoltaicos,
energia eólicas, entre outras fontes renováveis.
Assim como os híbridos elétricos, os carros 100% elétricos minimizam a perda de
energia desligando o motor quando parados no trânsito ou no semáforo. E ao frear usam os
freios regenerativos (KERS). Alguns modelos de BEV’s conhecidos são: Tesla, Chevrolet
Bolt, Nissan Leaf, BMW i3, Renault Zoe, Jaguar I-Pace, Volkswagen e-Golf.
Em um motor a combustão, a produção de força e energia nunca é uniforme.
Os componentes ligados ao pistão causam problemas de equilíbrio mecânico e diversos
acessórios são necessários para resolver estes problemas, o que torna o motor mais pesado.
Grande parte da energia produzida pelo motor é perdida em forma de calor e apenas cerca
de 5% a 30% é convertida em trabalho para movimentar os eixos. Estes mesmos problemas
não aparecem em um motor elétrico, uma vez que ele trabalha com a ajuda de um campo
magnético gerado pelo estator, possibilitando controlar a velocidade do motor apenas com
o ajuste da frequência da potência injetada. Este controle garante uma produção uniforme
de potência e velocidade. Como visto na Figura 7, Os motores elétricos não necessitam do
sistema de exaustão, reduzindo consideravelmente os níveis de ruído e são projetados para
terem um aproveitamento de 93% a 95% da energia [23].
Figura 7 – Motor a Combustão à Esquerda e Motor Elétrico à Direita. Adaptado de [23].
O carro elétrico, atualmente, é mais caro e o valor de um veículo elétrico pode
chegar de 2 a 4 vezes mais que um carro convencional. E a maior parte do custo se deve à
bateria. Os carros elétricos geralmente possuem um banco de bateria grande, porser a
única fonte de energia para tração e que, às vezes, acaba ajudando também em outras
funcionalidades como acessórios eletrônicos, aquecimento, ar-condicionado etc. A bateria é
feita, em sua maior parte, em íons de lítio, mas possui componentes de cobalto e manganês.
Estes compostos são relativamente caros. Tirando as baterias, todo o restante do carro
é bem mais simples, barato e com menos manutenção. Os custos das baterias de carros
elétricos têm caído à medida que o custo de produção cai e a capacidade de armazenamento
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 15
das baterias aumenta. Com isso, muito em breve os carros elétricos vão custar menos que
os carros a gasolina ou de outro combustível fóssil [23].
A principal vantagem do carro à combustão interna é a autonomia e o abastecimento,
que é muito rápido e difundido levando em conta a excelente infraestrutura de postos pelo
país. Entretanto, ele possui algumas desvantagens como a alta emissão de gases poluentes,
manutenção elevada, motor com baixa eficiência e custo elevado do combustível. Os veículos
elétricos possuem diversas vantagens como: baixo custo de energia para carregamento
e manutenção, alta eficiência do motor, baixa emissão de ruídos e nenhuma emissão de
gases poluentes. As desvantagens ainda ficam por conta da autonomia, embora já existam
modelos competitivos com os carros convencionais, tempo de carregamento e baixa oferta
de pontos de recarga [23]. Contudo, são notáveis os avanços significativos nestes três
aspectos nos últimos anos e a tendência é crescer e melhorar ainda mais o cenário de carros
elétricos tanto no Brasil, quanto no mundo.
2.1.4 Veículos Elétricos a Célula de Combustível (FCEV)
Carros elétricos a célula de combustível utilizam o gás hidrogênio como principal
fonte de energia e contam com a ajuda dos freios regenerativos (KERS), que auxiliam na
recarga da bateria. Diferente dos veículos convencionais que utilizam gasolina/álcool ou
diesel como combustíveis, os de célula a combustível combinam hidrogênio e oxigênio para
produzir energia elétrica, que alimentará o motor elétrico, como visto na Figura 8. Uma
vez que eles funcionam totalmente por eletricidade, esses carros são considerados veículos
elétricos, enquanto sua autonomia e a forma de reabastecimento ainda se comparam a
um veículo normal. Em muitos aspectos, eles se assemelham aos veículos 100% elétricos,
diferenciando-se apenas pela forma que a energia é entregue ao motor elétrico.
A conversão de gás hidrogênio em eletricidade produz apenas água e calor, ou
seja, nesta conversão não há produção de gases poluentes. A produção do gás hidrogênio
em si pode poluir. Mas mesmo com o combustível vindo de fontes menos limpas como o
carvão mineral, no total, os carros à célula a combustível geram 30% menos poluentes se
comparados aos veículos convencionais. Este tipo de carro elétrico ainda está começando a
entrar no mercado e, por enquanto, pode ser encontrado em poucos países como EUA e
Japão.
Os carros a célula a hidrogênio combinam a autonomia e tipo de abastecimento
(posto de reabastecimento) de um carro convencional com os benefícios de dirigir um carro
elétrico. Reabastecer os veículos à célula a combustível é parecido ao reabastecimento de
um carro normal, o hidrogênio pressurizado é vendido em estações de recarga, assim como
a gasolina/álcool ou diesel é vendido em posto. O tanque de hidrogênio leva menos de 10
minutos para ser abastecido. Uma vez cheio, a autonomia da célula a combustível pode
variar, mas é muito semelhante aos carros normais abastecidos a gasolina/álcool ou diesel,
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 16
entre 320 a 600 km. Assim como os outros veículos elétricos, os de células a combustível
minimizam a perda de energia desligando o motor quando parados no trânsito ou no
semáforo. Depois, o motor elétrico pode ligar o carro novamente para iniciar o movimento
[23].
Figura 8 – Estrutura de um VE a Célula de Combustível [22].
Em um mercado de carros eletrificados que ainda é bastante reduzido, embora esteja
crescendo rapidamente, o Brasil se prepara para novas soluções do mundo da mobilidade
elétrica. Um segmento bem tradicional por aqui, também tem planos para a inserção do
país no processo de eletrificação da frota mundial. Trata-se do setor de cana-de-açúcar, que
vê na pioneira célula de combustível a etanol uma solução para a propulsão elétrica com
baixas emissões. O setor defende que a célula combustível que produz hidrogênio a partir
do etanol é mais eficiente: a tecnologia, que ainda está em desenvolvimento, consiste em
separar o hidrogênio do etanol e produzir eletricidade por meio de um processo químico
no próprio veículo [24] .
Algumas vantagens de se utilizar esse tipo de combustível é a redução da necessidade
de baterias grandes e caras. Também apresenta o benefício de se utilizar de uma rede
de postos já estabelecida, eliminando os investimentos em caras redes de carregamento
e distribuição de energia. De acordo com Luiz Augusto Horta Nogueira, pesquisador da
Unicamp, as células de combustível devem ganhar espaço em países de grande extensão
territorial, como é o caso do Brasil [24].
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 17
2.2 Baterias de Veículos Elétricos
Os veículos elétricos à bateria têm ummotor elétrico no lugar do motor de combustão
interna e usam uma Bateria Tracionária (geralmente de íons de lítio) para armazenar a
eletricidade que será usada pelo motor para acionar as rodas do veículo. Quando o pedal
do acelerador é pressionado, o carro fornece energia das baterias para o motor elétrico.
Embora seja parecida com as utilizadas por celulares, nos veículos elétricos a bateria é
formada por um pacote composto de milhares de células trabalhando juntas, como visto
na Figura 9.
Figura 9 – Estruturação das Células das Baterias em um Carro Elétrico [25].
A bateria é um componente que converte energia química em energia elétrica.
Uma bateria típica, é composta por duas ou mais células eletroquímicas unidas entre si.
Basicamente, uma célula de bateria é composta por um eletrodo negativo e um eletrodo
positivo que estão conectados por um eletrólito (meio). A reação química entre os eletrodos
e o eletrólito gera energia elétrica. As baterias recarregáveis invertem o sentido da reação
química através da inversão da corrente elétrica [26].
A bateria possui três características básicas: energia específica que consiste na
quantidade de energia armazenada na bateria por unidade de massa; a potência específica,
que é a potência fornecida por unidade de massa; e o tempo de vida útil que, corresponde
ao numero de ciclos de carga/descarga a que esta pode ser sujeita [26].
As principais tecnologias de baterias recarregáveis resumem-se a baterias de Íon de
Lítio (Li-Ion), Hidreto Metálico de Níquel (Ni-Mh), Chumbo-Ácido (Pb), Níquel Cádmio
(Ni-Cd), e Cloreto de Sódio-Níquel (Na/Nicl2) e Supercapacitores.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 18
2.2.1 Bateria de Íon de Lítio - Li-íon
O tipo mais comum de bateria utilizada em carros elétricos é a bateria de íons
de lítio, visível na Figura 10. Esse tipo de bateria pode parecer familiar já que também
são usadas na maioria dos eletrônicos portáteis usados no dia a dia, incluindo telefones
celulares e computadores. Elas não sofrem do famoso efeito de memória, o que significa
que não há um comprometimento de seu desempenho, mesmo ao serem carregadas sem
antes terem sido descarregadas por completo. Por serem mais eficientes e consistentes, as
baterias de íon de lítio não necessitam de manutenção.
Sua relação de peso/potência e eficiência energética é alta e possuem bom desem-
penho em altas temperaturas. Na prática, isso significa que as baterias retêm bastante
energia para seu peso, o que é vital para carros elétricos, pois menos peso significa que o
carro pode viajar mais com apenas uma única carga. Embora a bateria seja de íons de
lítio, ela não contém nenhum metal lítio, apenas íons. Os íons são átomos ou moléculas
com cargas elétricas causadas pela perda ou ganho de um oumais elétrons. Além disso,
estas baterias são as mais seguras dentre as diversas opções e os fabricantes asseguram
esta segurança a fim de proteger os consumidores de eventuais falhas.
Figura 10 – Bateria de Íon de Lítio Encontrada em Carros Elétricos [25].
A bateria a base de lítio é um dos tipos de acumuladores de energia que tem
recebido maior atenção e investimentos, devido as elevadas densidades de potência e
energia apresentada por esta bateria. Características estas que são fundamentais para
a viabilização das tecnologias dos veículos elétricos e híbridos. Apesar da maior energia
específica entre as baterias atualmente disponíveis, a sua energia específica mássica é duas
ordens de grandeza inferior a de combustíveis líquidos [26].
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 19
Assim a bateria de Lítio-Íon apresenta as seguintes particularidades:
• Energia e potência específicas superiores a todas as outras baterias, como também o
número de ciclos carga/descarga;
• Baixo índice de auto-descarga;
• Não possui efeito memória;
• Apresenta elevadas correntes de descarga, ideais para baterias do tipo tracionarias.
Alguns dos inconvenientes deste acumulador são:
• Baixa tolerância a picos de potência, portanto necessita de proteção contra sobreten-
sões e sobrecorrentes;
• Elevado custo de fabricação, sendo este 40% maior que uma bateria de Ni-Cd [27].
Além das características citadas, é preciso mencionar que, a maioria das peças de
baterias de íon de lítio são recicláveis, tornando essas baterias uma boa opção para os
ambientalmente conscientes. Este tipo de bateria é usado em BEVs e PHEVs [25]. Apesar
de ser muito utilizada em carros elétricos, a tecnologia da bateria de íon de lítio ainda
esta em evolução para que esta seja mais leve, tenha uma maior carga e maior duração.
Uma tecnologia atualmente em desenvolvimento é a bateria de lítio-metal, uma
bateria para carros elétricos com tecnologia de ”Estado Solido”, já que dispensa o eletrólito
líquido. Em seu lugar ela usa um separador cerâmico seco, que permite transferência de
energia com mais eficiência. Elas mantêm mais de 80% da capacidade após 800 ciclos de
carga, muito mais que as baterias para carros elétricos atuais, e tem recarga rápida, em
que pode chegar a 80% da capacidade em apenas 15 minutos [28]. A empresa responsável
pelo desenvolvimento (QuantumScape) afirma que tudo isso pode se traduzir em baterias
capazes de alimentar um veículo por “centenas de milhares de quilômetros” antes que precise
ser substituída. Sendo essa tecnologia um avanço no que se diz respeito ao armazenamento
de energia para o futuro do transporte eletrificado.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 20
2.2.2 Bateria de Hidreto Metálico de Níquel - NiMH
As baterias de hidreto metálico de níquel, vista na Figura 11, são amplamente
utilizadas em veículos elétricos híbridos (HEV), mas também são usadas com sucesso em
alguns veículos totalmente elétricos (BEVs). Existem quatro tipos de baterias baseados em
níquel: (i) Ferro-níquel (Ni-Fe), que não é considerada uma opção para os VEs, pois tem
um ciclo de vida muito curto e potência especifica baixa; (ii) Zinco-níquel (Ni-Zn); (iii)
Cadmio-níquel (Ni-Cd); (iv) Hidreto de metal de níquel (Ni-MH). Esta última é o tipo de
bateria considerado para a implementação no VEB [26].
Figura 11 – Bateria de Hidreto Metálico de Níquel, Usada em HEV [25].
O sucesso da bateria de Ni-MH se deve principalmente à elevada densidade de
energia, e, também, ao uso de hidreto de metal, que por sua vez não contamina o meio
ambiente. Esse tipo de bateria, por exemplo, possui densidade de energia 40% maior em
relação a uma de Ni-Cd. Em contrapartida, possui menor durabilidade, já que as altas
temperaturas de carga reduzem seu tempo de vida útil, além do fato de que as baterias de
Ni-Mh também sofrem o fenômeno de auto-descarregamento.
As baterias de Ni-MH substituíram as baterias de Ni-Cd por não causarem danos ao
meio ambiente e, também, pela elevada densidade de energia. Essas baterias representam
um passo intermediário em direção a criação das baterias de Lítio-Íon, que são utilizadas
principalmente em telecomunicações e VEs [27].
2.2.3 Bateria de Chumbo-Ácido
Bateria de chumbo-ácido, apresentada na Figura 12, é o tipo de bateria mais antigo
utilizado em VEs. Tem um baixo custo, normalmente é utilizada para uma infinidade de
aplicações. Por exemplo, em veículos de combustão interna como fonte que alimenta o
motor de arranque e o sistema eletrônico, em sistemas de alimentação ininterrupta de
energia (Uninterruptible Power Supplies – UPS’s) [26].
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 21
Figura 12 – Bateria de Chumbo-Ácido [25].
Atualmente, as baterias de chumbo-ácido estão sendo utilizadas em veículos elétricos
apenas para complementar outras cargas, como as de acessórios. Essas baterias são de
alta potência, baratas, seguras e confiáveis. Apesar disso, sua curta vida útil e o baixo
desempenho em temperaturas frias, dificultam o uso em veículos elétricos. Existem baterias
de chumbo-ácido de alta potência em desenvolvimento, mas no momento, estas baterias
estão sendo usadas apenas em veículos comerciais como armazenamento secundário [25].
Para aplicação em VEs, esse tipo de bateria tem as seguintes desvantagens:
• Baixa energia específica;
• Reposição periódica de eletrólito;
• Instalação vertical obrigatória;
• Desprendimento de hidrogênio no ar.
2.2.4 Bateria de Cloreto de Sódio – Níquel
A tecnologia da bateria de níquel-sódio faz parte de uma classe de baterias conhe-
cidas como bateria de sal fundido, indicada na Figura 13. Do ponto de vista histórico,
essas baterias vêm chamando atenção desde sua primeira publicação em 1978, durante
o programa ZEBRA (Zeolite Battery Research Africa), na África do Sul, por apresentar
elevada densidade de energia (796 Wh Kg-1), eficiência elevada (98%, não ocorre reações)
e tempo de vida satisfatório (3000-7000 ciclos, SOC 80%) [30].
A bateria de Cloreto de Sodio-Niquel (NaNiCl2) ou ZEBRA está avançando em
estudos para sua melhor utilização junto com os VEs atuais. Suas principais vantagens
são:
• É completamente reciclável e não produz emissões;
• Não exige manutenção constante;
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 22
Figura 13 – Bateria de Níquel-Sódio do Parque Tecnológico de Itaipu [30].
• Tem energia específica em torno de 100 Wh/kg;
• Possibilita cerca de 1000 ciclos de carga/descarga [29], atualmente chegando a 3000
-7000 ciclos.
As desvantagens desta bateria são:
• Opera em temperaturas entre 270ºC e 350ºC, torna-se necessário manter a bateria
nesta faixa de temperatura;
• A taxa de auto-descarregamento pode ser 10% por dia;
• A bateria pode ser resfriada, no entanto levará cerca de um dia para aquecer
novamente [26].
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 23
2.2.5 Supercapacitores
Os supercapacitores, Figura 14, são dispositivos de armazenamento e energia, porém
não são considerados baterias, no entanto são dispositivos que contêm baixa densidade
energética, alta densidade de potência e possuem um excepcional ciclo de vida, ou seja,
armazenam menos energia, mas possuem a capacidade de carga e descarga muito maior
que as baterias tradicionais.
Figura 14 – Supercapacitor Usado em VEs [25].
Diferente das baterias comuns que armazenam um líquido entre um eletrodo e um
eletrólito, os supercapacitores são dispositivos com alta capacidade de armazenamento que
utilizam eletricidade estática para armazenar energia. Eles são componentes elétricos com
dois terminais que armazenam energia eletromagnética na forma de um campo elétrico. Os
terminais são conectados a duas placas condutoras que possuem um material isolante entre
elas, o dielétrico. Supercapacitores, como baterias de chumbo-ácido, são principalmente
úteis como dispositivos de armazenamento secundário em veículos elétricos, porque eles
ajudam as baterias eletroquímicas a nivelar sua carga. Além disso, podem fornecer energia
extra aos veículos elétricos durante a aceleração e a frenagem regenerativa.
2.2.6 Segurança,Altos Preços e Vida Útil de Baterias de VEs
A segurança das baterias de íon-lítio em veículos elétricos é prioridade para a
indústria automotiva e todos os esforços de desenvolvimento estão focados na redução dos
riscos. O sistema do veículo elétrico como um todo, geralmente, é dividido em diversas
camadas como: composição química, célula, banco de bateria, veículo, bem como ambiente
e infraestrutura e resgate. Cada nível é estudado profundamente e possui uma tecnologia
para reduzir os riscos e melhorar a segurança [25]. Em algumas situações de projeto, o
compartimento da bateria é integrado à estrutura do veículo e sua posição pode ser crucial
em um momento de extinguir um incêndio. Por outro lado, a disposição do banco de bateria
na parte de baixo do carro, próximo ao solo, Figura 10, oferece maior rigidez estrutural
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 24
contra colisões laterais e leva o centro de gravidade para próximo do solo tornando-o mais
estável.
O preço de uma bateria de veículo elétrico é determinado por sua capacidade de
armazenamento, dada em quilowatts-hora (kWh), que define a autonomia e o nível de
potência do motor que fornece. Este preço já representou mais da metade do custo de
produção do veículo, porém o desenvolvimento envolvido no mercado de veículos elétricos
fez com que o preço por quilowatt-hora baixasse. Neste contexto, é visto uma queda no
custo do lítio, que também deve diminuir o preço das baterias por conta da abertura de
novas minas para atender a alta demanda esperada do mercado. O mesmo deve acontecer
com o cobalto, outro material caro utilizado na produção das baterias, que também precisa
ser minerado.
Apesar de cada tipo de bateria ter seu próprio uso, a bateria dos veículos elétricos foi
projetada para uma vida útil prolongada, devido a repetição do processo de carga/descarga.
Assim, podendo durar até 20 anos em climas moderados ou até 12 anos em climas extremos.
O processo cíclico de descarga para alimentação do motor elétrico e a recarga da bateria
afetam a quantidade de energia que pode ser armazenada. Ao longo do tempo, a repetição
deste processo acaba diminuindo a autonomia do carro e o tempo entre as cargas.
Portanto, com a redução dos custos do lítio, e com toda a tecnologia sendo estudada
e aperfeiçoada, é compreensível que este material está sendo o mais usado para projetos
de veículos elétricos. Pois a escolha pelo tipo de bateria depende da densidade energética
a qual se pretende obter, sendo este o termo que define a capacidade de armazenamento
de energia da bateria. Assim, observando a Tabela 3 , é possível ver um bom valor de
densidade energética na bateria de lítio. Isso comparada as outras baterias, sendo uma
das melhores escolhas para projetos de carros elétricos.
Tabela 3 – Principais Tipos de Baterias [25].
Íon de Lítio Níquel Hidreto Metálico
NIMH Chumbo-Ácido Supercapacitores
Densidade Energética
(Wh/kg) 100 - 300 40 - 120 30 - 40 1 - 10
Densidade de Potência
(W/kg) 1.000 - 5.000 300 - 1.000 180 1.000 - 10.000
Ciclo de
Vida 500 - 15.000 500 - 1.000 500 - 800 Ilimitado
Eficiência de Carga
e Descarga 95 - 99% 65 - 80% 70 - 92% 98%
Taxa de Descarga
Própria 1 - 5% / mês ∼30% / mês 3 - 20% / mês -
Tolerância de
Sobrecarga Baixa Baixa Alta -
Necessidade de
Manutenção Sem necessidade 60 - 90 dias 3 - 6 meses Sem necessidade
Tempo de Carga
Rápida 1 hora ou menos 2 - 4 horas 8 - 16 horas Segundos
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 25
2.3 Tipo de Carregamentos de Veículos elétricos
Os veículos elétricos híbridos plug-in e veículos elétricos a bateria (BEV), necessitam
de uma fonte de alimentação externa para o carregamento de suas baterias e, por este motivo,
é importante saber os tipos de modo de carregamento e suas principais características.
Atualmente existem 4 principais modos de carregamento, sendo eles [71]:
• Carregamento Direto: É um carregamento realizado em uma tomada que não é
específica para os veículos elétricos, ou seja, quando o EV é conectado diretamente a
uma tomada doméstica, como a que utilizamos para outros eletrodomésticos. Esse
tipo de carregamento não é indicado para carros elétricos ou motos de maior potência,
uma vez que esse tipo de carregamento carece de uma proteção adequados ao sistema
elétrico do veículo [71].
• Lento: Este tipo de carregamento utiliza um sistema elétrico monofásico e é executado
com uma potência inferiores 3,7 kW podendo chegar a 7,4kW. O veículo elétrico ou
híbrido é conectado à rede elétrica por meio de “cabo de carregamento” correspon-
dente para fornecer segurança ao carregamento. Este modo consiste na instalação de
uma caixa com uma tomada, normalmente exclusiva para o carregamento do veículo
elétrico. Esta caixa deve ser conectada aos sistemas de proteção adequados para a
rede elétrica. O tempo de carregamento deste modo é em torno de seis a doze horas,
sendo recomendado para uso residencial [71].
• Semi-Rápido: Indicado para todos os tipos de veículos elétricos, este modo de
carregamento necessita de um posto de carregamento, o qual conta com diversas
proteções para a segurança tanto do sistema elétrico da rede quanto do veículo.
O Carregador do veículo elétrico é alimentado por uma corrente alternada (AC),
sendo indicado para modelos híbridos plug-in ou 100% elétricos. Alguns carregadores
de VEs permitem carregamento exclusivamente em monofásico, enquanto outros
permitem o carregamento tanto em trifásico quanto em sistemas monofásico. O
tempo de carregamento é entre uma a duas horas, sendo recomendado para locais
públicos, centros comerciais, shopping centers e estacionamentos [71].
• Rápido: Este tipo de carregamento consegue realizar a recarga da bateria de um
veículo elétrico em poucos minutos, permitindo o carregamento de até 80% da
bateria em aproximadamente 30 minutos. Sendo ideais para postos de serviço e
abastecimento, rodovias e frotistas. A carga dos carregadores ultrarrápidos está
disponível para ambas correntes. Em CA, a estação fornece energia a uma potência
de 40 a 60 kW, enquanto em CC, a potência chega a 400 kW, ficando limitado à
potência máxima de recarga do próprio carro. Por conta desta alta potência o veículo
é carregado em pouco tempo [71].
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 26
2.4 Sistema Elétrico Brasileiro
A maior parte da energia elétrica gerada no Brasil é proveniente de usinas hidro-
elétricas. O Brasil apresenta um grande potencial hidráulico para a geração de energia
elétrica. Uma parte deste potencial se encontra aproveitada, contendo atualmente mais de
110 usinas hidrelétricas em funcionamento. Por outro lado, há muitos locais nos quais essa
modalidade de energia primária ainda pode ser explorada. Nas grandes usinas geradoras o
nível de tensão na saída dos geradores está normalmente na faixa de 6 kV a 25 kV. No caso
das hidroelétricas e termelétricas os geradores são do tipo síncrono, operando na frequência
nominal de 60 Hz, que é a frequência dos sistemas elétricos brasileiros. Observa-se que
as máquinas da maior usina do Brasil, a Usina de Itaipú - Binacional, do lado paraguaio
funcionam em 50 Hz, mas são interligadas por um sistema de corrente contínua com a
região Sudeste do Brasil. Conversores retificadores são utilizados para produzir a corrente
contínua em Foz do Iguaçu - PR, enquanto que em Ibiúna-SP há inversores para produzir
a corrente alternada [12].
Normalmente junto às usinas, subestações elevadoras transformam a energia para
um nível de tensão adequado. O transporte de energia é realizado por diferentes segmentos
da rede elétrica que são definidos com base na função que exercem:
• Transmissão: redes que interligam a geração aos centros de carga;
• Interconexão: interligação entre sistemas independentes;
• Subtransmissão: rede para casos onde a distribuição não se conecta a transmissão,
havendo estágio intermediário de repartição da energia entre várias regiões;
• Distribuição: rede que interliga a transmissão (ou subtransmissão) aos pontos de
consumo sendo subdividida em distribuição primária (nível de média tensão- MT)
ou distribuição secundária (nível de uso residencial de baixa tensão - BT).
As tensões usuais de transmissão adotadas no Brasil, em corrente alternada, podem
variar de 138 kV até 765 kV , já as tensões de distribuição são de normalmente de 13,8
kV. A necessidade de sistemas de transmissão em tensão superior à de geração e de
distribuição se deve a impossibilidade de transmitir diretamente, mesmo em distâncias
relativamente pequenas, a potência elétrica gerada nas usinas. Pois as correntes seriam
elevadas e as quedas de tensão e as perdas de potência na transmissão inviabilizariam
técnica e economicamente as transmissões. Esse problema é mais grave, quanto maior for à
distância de transmissão e quanto maior for a potência a ser transmitida. Com a elevação
da tensão, a potência gerada nas usinas (resultado da função do produto da tensão pela
corrente) pode ser transmitida com correntes inferiores às de geração, o que viabiliza a
transmissão [12].
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 27
Desde os grandes motores industriais até os equipamentos eletrodomésticos, todos
são projetados e construídos para trabalhar dentro de certas faixas de tensão e frequência,
fora das quais podem apresentar funcionamento não satisfatório ou até mesmo se danifi-
carem. Essas exigências básicas impõe, à operação dos sistemas elétricos um adequado
controle da tensão e da frequência na rede, a qual está sujeita às mais variadas solicitações
de carga. Essas solicitações mudam ano a ano, mês a mês e, o que é mais importante, vária
muito durante um único dia (por exemplo, nos horários de pico, de 17:00 às 21:00 horas. A
demanda de energia requerida no sistema é bem maior do que durante a madrugada. Note
que, não é possível armazenar energia elétrica comercialmente, e assim, deve ser produzida,
a cada instante, na justa medida da demanda requerida [12].
A demanda de energia elétrica no Brasil em fevereiro de 2021 totalizou 41.214
GWh, alta de 1,1% em relação ao mesmo mês do ano anterior. Apesar do aumento de
demanda em Fevereiro de 2021, os dados mostram que houve uma redução da demanda
energética durante o ano de 2020, cujo a maior causa foi a pandemia, provocada pelo vírus
Covid-19, em que se fez necessário o recluso de pessoas em suas casas. Além de redução na
demanda de energia elétrica no setor de comércio e de industrias. Sendo assim, é observado
que o consumo acumulado em 12 meses (Fevereiro de 2020 a Fevereiro de 2021) foi de
475.909 GWh, representando uma queda de 1,1%, comparado ao período anterior [32].
2.4.1 Curva de Carga
No decorrer de um ano, observam-se comportamentos distintos de carga, como
consequência principalmente das variações climáticas e dos diversos ciclos de atividade dos
setores produtivos, alcançando patamares de cerca de 15% acima ou abaixo da energia
média anual requerida do Sistema Interligado Nacional. Quando são analisados intervalos
diários, há ainda mais variabilidade, e sendo atingidas, por vezes, amplitudes de 50 a 150%
da energia média diária. Dependendo das particularidades de cada classe de consumo e de
sua dinâmica de evolução, associadas a questões como jornada de trabalho, iluminação
natural, hábitos de uso dos equipamentos, entre outros, a necessidade de consumo acaba
por variar no decorrer do dia [33].
Para o curto prazo, considerando-se a necessidade de previsões em escalas mais
granulares, o ONS utiliza o “Artificial Neural Network Short Term Load Forecast –
ANNSTLF”, um previsor de carga de curto prazo, baseado em redes neurais artificiais,
utilizado para elaboração de previsão da curva de carga horária. Este modelo tem diversas
vantagens para previsões de curto prazo, especialmente no que se refere à representação
de relações não-lineares. Entretanto, não permite uma explicação clara entre as variáveis,
o que gera uma perda de capacidade de interpretação, o que pode vir a ser sensível no
planejamento da expansão do sistema elétrico a médios e longos prazos [33].
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 28
A Figura 15 mostra um exemplo de uma curva de carga muito característica
do consumo brasileiro, em que há uma redução da demanda energética no horário da
madrugada e um grande aumento da demanda no final da tarde. Entre 17 e 21 horas, o
consumo de energia elétrica é muito mais alto do que nos outros horários. Isso porque
estão funcionando ao mesmo tempo, além das fábricas, a iluminação pública, a iluminação
residencial, vários eletrodomésticos e a maioria dos chuveiros. Este é o chamado horário
de pico ou horário de ponta de consumo de energia elétrica [34].
Figura 15 – Curva de Carga do Dia 20/03/2021, dados ONS [31].
2.4.2 Horário de Pico de Consumo
Umas das causas do pico de consumo entre 17 e 21 horas é utilização de chuveiro
elétrico. Os consumidores normalmente chegam nesse horário em suas casas e fazem o uso
deste. A Partir das ultimas pesquisas disponíveis do SINPHA (Sistema de Informação de
Posse e Hábitos de Uso de Aparelhos Eletrodomésticos), onde os dados foram separados
em curvas de consumo por eletrodoméstico, de forma a ser possível comparar os cenários
com a presença do chuveiro elétrico. A Figura 16 exibe o comportamento médios diários
com relação ao uso do chuveiro para Brasil [15].
É possível ver que, em relação ao comportamento agregado para o Brasil, Figura
16, o chuveiro apresenta dois períodos de maior consumo: durante a manhã (das 6h ás
8h), e durante o final da tarde (das 17h ás 20h), sendo este último período coincidente
com o horário de pico de consumo de energia elétrica [15]. É possível observar que, esse
comportamento acompanha a curva de carga apresentada anteriormente na Figura 15,
sendo um dos responsáveis por esse pico de consumo no horário de 17 as 20h.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 29
Figura 16 – Consumo residencial médio do chuveiro - Brasil [15]
Visando a redução de consumo de energia no horário de pico, foi regularizada a
tarifação horosazonal para clientes residenciais, também conhecida como “Tarifa Branca”,
a qual já foi homologada pela ANEEL para a maior parte das concessionarias de energia
elétrica do Brasil [67]. Como observado na Figura 17, na tarifação horosazonal, o preço
da energia elétrica varia em função da demanda horaria de consumo, sendo mais baixo
nos períodos de menor demanda e mais alto nos períodos de maior demanda, de forma a
sinalizar os consumidores que consomem mais energia no horário de pico. O objetivo dessa
forma de tarifação é estimular os consumidores a buscar formas de consumir energia de
maneira mais racional, além de custear a geração de energia no horário de pico. Muitas
vezes essa produção de energia acaba sendo complementada com a geração através da
queima de combustíveis fosseis, mais cara do que a geração hidroelétrica [15].
Figura 17 – Comparativo Entre os Modos de Tarifação [15].
Com inserção de carros elétricos no cotidiano do brasileiro, esse pico tenderá a
aumentar. Visto que os consumidores, ao chegarem a suas residências, irão colocar seus
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 30
carros elétricos para recarregar suas baterias, adicionado mais cargas neste horário de
grande consumo, além de tomar seu banho após um dia de trabalho cansativo. Assim,
é esperado que com o aumento de quantidade e popularização dos veículos elétricos no
Brasil, o pico de consumo na rede elétrica brasileira também aumentara. É possível ver
um incentivo por parte da ANEEL em reduzir esse pico de consumo, disponibilizando
a tarifação horosazonal para consumidores residenciais. Vendo esse incentivo, também é
notável a necessidade de realizar estudos com o objetivo de reduzir o grande aumento de
demanda causado pelos carros elétricos no horário de ponta.
2.4.3 Tarifa Branca
A concessionária responsável por distribuir energia para a região estudada é a
CEMIG. A Cemig Distribuição S/A é a maior distribuidora de energia elétrica do Brasil
em extensão de rede, atendendo aproximadamente 96% do Estado de Minas Gerais. Além
disso, ela possui o maior índice de atendimento a consumidores de baixa renda do país,fornecendo energia elétrica a 42,9% do total de consumidores de classe residencial [65].
Segundo a CEMIG [66], a Tarifa Branca é uma opção que sinaliza aos consumidores
a variação do valor da energia conforme o dia e o horário do consumo. Com a Tarifa
Branca, o consumidor passa a ter possibilidade de pagar valores diferentes em função da
hora e do dia da semana. Se o consumidor adotar hábitos que priorizem o uso da energia
elétrica fora do horário de ponta de consumo (horário de pico), a opção pela Tarifa Branca
oferece a oportunidade de reduzir o valor da conta [65].
Nesse sistema, prevê-se três faixas de cobrança da energia, sendo:
• Faixa Fora de Ponta
O período do dia quando a distribuidora registra o menor consumo de energia por
parte dos usuários. É conhecido como “fora do horário de pico”. Como é um período
com consumo reduzido, o preço que o consumidor paga é menor.
• Faixa Intermediária
Na faixa intermediária, como o próprio nome sugere, são dois períodos período do
dia, de 1 hora de duração, em que o consumo esta entre o horário de pico, e fora do
horário de pico de consumo. Na CEMIG, esse posto tarifário é de 16h às 17h e de
20h às 21h.
• Posto Tarifário de Ponta
É a faixa cujo consumo de energia elétrica é elevado e por isso é o valor mais caro
que a CEMIG cobra. Tecnicamente, esse o horário de pico tem três horas de duração
e se estende de 17h às 20h. São três horas consecutivas definidas pela CEMIG
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 31
considerando a curva de carga de seu sistema elétrico, aprovado pela ANEEL. Essa
divisão de faixas de consumo só se aplica nos dias úteis já que nos finais de semana
temos todo o dia sendo cobrado como Fora de Ponta [67].
Segue abaixo na Tabela 4, os valores referentes à Tarifação Branca. Para os casos
estudados, será considerada a modalidade tarifarias B1 e B3, pois são referentes a residências
e a comércios. A modalidade B2 se refere a instalações localizadas em zona rural. Porém o
alimentador estudado não fornece energia pra essas regiões, portanto não será utilizada.
Tabela 4 – Tarifação Branca [66].
TARIFA BRANCA
BANDEIRA
VERDE
- CONSUMO
R/KWH
BANDEIRA
AMARELA
- CONSUMO
R/KWH
BANDEIRA
VERMELHA 1
- CONSUMO
R/KWH
BANDEIRA
VERMELHA 2
- CONSUMO
R/KWH
BANDEIRA
ESCASSEZ
HÍDRICA
- CONSUMO
R/KWH
B1 - RESIDENCIAL
- Ponta 1,25047 1,28036 1,31547 1,34842 1,39247
B1 -RESIDENCIAL
- Intermediário 0,81814 0,84803 0,88314 0,91609 0,96014
B1 - RESIDENCIAL
- F. Ponta 0,53343 0,56332 0,59843 0,63138 0,67543
B2 - RURAL
- Ponta 1,2271 1,25699 1,2921 1,32505 1,3691
B2 - RURAL
- Intermediário 0,80426 0,83415 0,86926 0,90221 0,94626
B2 - RURAL
- F. Ponta 0,51316 0,54305 0,57816 0,61111 0,65516
B3 - DEMAIS CLASSES
- Ponta 1,30041 1,3303 1,36541 1,39836 1,44241
B3 - DEMAIS CLASSES
- Intermediário 0,84811 0,878 0,91311 0,94606 0,99011
B3 - DEMAIS CLASSES
- F. Ponta 0,54342 0,57331 0,60842 0,64137 0,68542
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 32
2.4.4 Fator de Potência em Regime de Baixa Carga
Monteiro (2009) explica que o fator de potência representa a fração da potência
total fornecida que é convertida em potência útil. Desta maneira, o fator de potência é um
índice de eficiência do uso do sistema ou instalação elétrica. Valores próximos a unidade
simbolizam uso eficiente do sistema, enquanto valores próximos a zero demonstram mau
aproveitamento deste [35].
Sendo assim, é possível então caracterizar o fator de potência. Segundo Mamede
Filho (2002), o fator de potência, FP, é calculado pela equação 2.1 para um sistema
equilibrado:
FP = |P |
|S|
= cos(Φ) (2.1)
Cujo P é a Potência Ativa e S a Potência Aparente ou Total. Assim, fisicamente,
o fator de potência é definido como o cosseno do ângulo de defasagem entre as ondas
senoidais de tensão e de corrente, cos(Φ). É importante ressaltar que o fator de potência
deve ser acompanhado das palavras “indutivo”, no caso da corrente atrasada em relação a
tensão ou “capacitivo”, caso a corrente esteja adiantada em relação a tensão, isto devido a
cos(Φ) resultar sempre positivo, independente do ângulo Φ [35].
Em 1992, por meio da Portaria nº 85, o DNAEE determina em 0,92 o limite mínimo
do fator de potência, estabelece a medição horária de reativos para consumidores com
tarifa binômia e possibilita o faturamento da energia reativa capacitiva excedente durante
a madrugada, para alguns consumidores [35]. Isso é feito, para assegurar que, se alguma
instalação, normalmente industriais, tiver um fator de potência de -0.92 (Capacitivos) ela
seja penalizada, adicionando tarifas em sua conta. Seja a avaliação mensal ou horária, o
cálculo do fator de potência pode ser realizado pela equação 2.1 [35]
O carregamento do sistema elétrico é variável ao longo do dia, fundamentalmente
com baixo carregamento durante a madrugada e com predominância de cargas indutivas
durante o restante do dia. Desta maneira, qualquer injeção de reativo capacitivo durante o
período de alto carregamento é benéfica ao sistema, analogamente, o acréscimo de reativo
indutivo na madrugada também é benéfico para a rede [36].
Tabela 5 – Classificação da Tensão de Fornecimento (380/220 V) [39].
Classificação Faixa de Tensão de Leitura (VL)
380 220
Adequada 374 ≤ VL ≤ 396 201 ≤ VL ≤ 231
Precária 327 ≤ VL < 348 189 ≤ VL < 201
396 < VL ≤ 403 231 < VL ≤ 233
Critica VL < 327 ou VL > 403 VL < 189ou VL > 233
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 33
Com os períodos chamados de capacitivos (em geral, entre as 0h e 6h), o valor
de referência passa para -92% com a inversão da regra de fator de potência indutivo
para capacitivo, evitando que os consumidores injetem potência reativa nas redes das
distribuidoras em períodos de baixa carga, causando sobretensões por decorrência [38].
Assim as concessionarias devem manter uma tensão regulada, seguindo a Tabela 5, sendo
o período da noite um horário de necessidade de controle de sobretensão da rede.
Com o aumento de carros elétricos na rede elétrica, a demanda enérgica também irá
aumentar. Se a inserção dos carros elétricos for planejada, será possível fazer o deslocando
das recargas de carros para a madrugada. A rede receberia uma maior quantidade de
carga, assim amenizando a demanda indutiva da rede, causada pela baixa carga neste
horário. Como visto no Capítulo 2.3, o carregamento de carros elétricos em residências,
partir do carregamento lento, é de entorno de seis a oito horas. Se este carregamento for
deslocado, estenderia por todo o horário da madrugada. Assim, fazendo a recarga dos
carros elétricos no horário da madrugada, estariam ajudando com o problema de controle
de sobretensão da rede.
2.5 Interações de VEs com a Rede Elétrica
A rede elétrica convencional não foi projetada para suportar um carregamento de
uma frota de veículos elétricos. Portanto o aumento nas vendas e na utilização de VEs
provocaria impactos na rede elétrica. Segundo Monteiro [40], a qualidade de energia e a
estabilidade da rede são os parâmetros mais prejudicados pelo carregamento não controlado
de VEs. Um carregamento desordenado sem um horário e período específicos que levem
em consideração os momentos de pico de demanda da rede.
Algumas características do carregamento não controlado de VEs deixam essa
situação ainda mais complexa, como por exemplo: (i) o instante da conexão; (ii) o estado
de carga da bateria; (iii) a duração do carregamento. As consequências do carregamento
de uma frota de VEs são a sobrecarga nos transformadores de distribuição de 13,8kV e
quedas de tensão nos barramentos na ordem de 0,95pu, como apresentados nos estudos do
Pereira [41] e Lopes [42] e devido a essas consequências os estudos detalhados sobre esses
impactos se tornam importantes.
Portanto, é necessário iniciar esses estudos com os tipos de interações entre a
rede elétrica e os veículos elétricos disponíveis. Entre as possíveis interações, existem três
principais, sendo elas Grid to Vehicle (G2V), Vehicle to Gri (V2G) e Vehicle to Home
(V2H). A Figura 18, mostra o arranjo de sistemas V2G e G2V.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica34
Figura 18 – Arranjo dos sistemas V2G e G2V [45].
2.5.1 Grid to Vehicle
Grande parcela dos VEs são projetados com carregadores unidirecionais que permi-
tem apenas o fluxo de potência convencional, ocorrendo o carregamento do VE pela rede
elétrica, tecnologia conhecida como “Grid to Vehicle” (G2V) [32], como visto na Figura
18, em que o fluxo de potência é indicado pela seta azul, iniciando da parte esquerda,
onde se encontra a Rede Elétrica , e flui até a parte direita, carro elétrico, realizando seu
carregamento.
2.5.2 Vehicle to Grid
Os VEs têm a capacidade de armazenar energia em suas baterias e grande parcela
deles ficam estacionados entre 93% a 96% do seu tempo de vida [42]. Isso significa que eles
estão na maioria do tempo com energia disponível para ser usada pela rede em momentos
de pico de demanda. Essa proposta de interação é conhecida como “Vehicle to Grid” (V2G),
na qual o veículo elétrico disponibiliza energia para a rede elétrica, entretanto, grande
parcela dos VEs são projetados com carregadores unidirecionais [42]. Como apresentado
na Figura 18, o fluxo de potência apontado pela seta cinza, tem seu fluxo do carro elétrico
até a rede elétrica, indicando o uso das baterias para auxiliar na demanda da rede elétrica.
2.5.3 Vehicle to Home
Outros conceitos de interação estão sendo propostos, um deles é o “Vehicle to
Home” (V2H), no qual há o fluxo bidirecional entre o veículo e a residência. O VE pode
atuar como um backup de geração, minimizando perdas na transmissão de energia e o
custo [43]. Uma das utilidades do conceito V2H é em casos de interrupção da rede elétrica.
Um meio para ocorrer esse funcionamento é através da medição e do cálculo do valor eficaz
da rede, de modo que quando esse valor fica abaixo de 85% do valor nominal, considera-se
que houve uma interrupção e neste momento a residência fica sendo abastecida pelo VE
[44]
Como indicado na Figura 19, O sistema V2H pode ser utilizado em conjunto com
um sistema fotovoltaico (FV). Neste caso, a bateria do VE é carregada pelo FV durante o
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 35
dia, enquanto fornece energia para a residência durante a noite. Além disso, no caso de
interrupção do serviço da concessionária, o conjunto FV e VE manteria o fornecimento de
energia, tanto durante o dia quanto à noite. Outro conceito, também desenvolvido baseado
na proposta bidirecional do fluxo de potência, é o veículo no empreendimento (do inglês,
vehicle to building) (V2B). Nesta proposta, a energia armazenada na bateria é usada como
um sistema de backup em escala comercial [43].
Figura 19 – Arranjo do sistema “Vehicle to Home” (V2H) [46].
36
3 Desenvolvimento
Neste capítulo vai ser apresentado todo desenvolvimento referentes as simulações
realizadas neste trabalho. Serão apresentados os casos envolvidos, no qual cada caso terá
seus diferentes cenários de simulação. Para isto, será indicado o VE escolhido e suas
características, assim como o tipo de carregador. Será demonstrado o sistema base, em
que serão reproduzidos às simulações, indicando todas suas características e sua curva de
carga referente à região analisada.
3.1 Conceituação
O Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas da Universidade Federal de Ouro Preto,
localizado na cidade de João Monlevade no estado de Minas Gerais, apresenta vários
estudos referentes à rede elétrica de sua região. São disponibilizados cursos de estudos da
rede de distribuição de energia elétrica e com isso são feitos relatórios da rede elétrica da
região da cidade de João Monlevade [55].
Segundo o IBGE a cidade contém uma população estimada de 80.903 pessoas
[47], contendo uma variedade de agências bancárias, escolas, comércios, indústrias. Todo
esse conjunto demanda uma grande quantidade de energia, e portanto, o conceito V2G,
indicado na Figura 20, pode contribuir para a redução desse pico de consumo e perdas, se
as baterias forem usadas de forma correta.
Figura 20 – Arranjo dos sistemas V2G, G2V e V2H [68].
Este trabalho consiste em analisar o impacto da interação de uma frota de veículos
elétricos com a rede de distribuição em um dos alimentadores da cidade de João Monlevade,
representada por um modelo real de um dos alimentadores, tendo suas características
adicionadas ao software OpenDSS. A interação consiste nos modos de operação G2V e
Capítulo 3. Desenvolvimento 37
V2G, como visto na Figura 20. A simulação busca analisar a redução na demanda de
potência na cidade utilizando a energia armazenada nos VEs durante os períodos do dia
de maior demanda de consumo.
Para realizar a simulação foi utilizado o software OpenDSS, um software aberto que
realiza simulações de fluxo de potência em regime permanente em redes de distribuição.
Para modelar a rede elétrica de distribuição do sistema real de um dos alimentadores
da cidade, este foi mapeado a partir da ferramenta Google Maps ,colhendo os dados de
coordenadas dos postes do alimentador. Posteriormente foi aplicado o comportamento
da demanda de potência da região nas cargas presentes nesse modelo. Os VEs foram
parametrizados como um banco de baterias, com as características de dados de recarga
dos VEs utilizados.
O projeto apresenta três casos de simulação. O caso base é aquele que se encontra a
atual situação da rede elétrica da região, ou seja, sem uma frota de VEs para ser carregados.
O caso 1 representa a inserção de carros elétricos no caso base, sendo carregados da hora de
maior demanda da rede. Por fim, é apresentado o caso 2, cujo cenário há o carregamento
dos VEs no horário de 0h até 6h e as baterias dos veículos seriam utilizados das 17h até
22h para suprir uma parte da demanda neste horário de maior consumo elétrico da rede.
3.2 Escolha de Carregador e Carro Elétrico
Na implantação de maneira eficiente do modo de operação V2G ou V2H e V2B é
necessária à presença de alguns dispositivos. Nestes modos de operação, o VE atua como
um agente gerador de energia. Portanto pode-se caracterizar como um exemplo de geração
distribuída. Sendo análogo a uma fonte de geração solar ou eólica em uma residência ou
construção. Desta forma serão apresentadas as características do carregador, o principal
dispositivo que garantem a aplicação eficiente do fluxo de potência no sentido da bateria
do VE para a rede de distribuição, residência ou um estabelecimento, que pode ser uma
universidade, shopping ou edifício.
Antes mesmo de apresentar o carregador do projeto, é preciso ressaltar sobre um
dispositivo importante que pode ser inserido nos sistemas elétricos brasileiros. Os medidores
inteligentes, ou smart meters, que são medidores de energia elétrica que permitem funções
que são úteis para a implantação da Rede Elétrica Inteligente e do modo de operação V2G.
Os medidores inteligentes permitem a medição bidirecional da energia. O que significa que
realiza a medição quando a carga está consumindo e quando a carga atua como um agente
gerador de energia, caracterizando situações como mencionadas anteriormente de geração
distribuída. As outras funções principais do medidor inteligente são a medição de energia
em tempo real, a aquisição de dados e a possibilidade de utilização de um protocolo de
comunicação que permite o tráfego de dados entre o consumidor e a concessionária de
Capítulo 3. Desenvolvimento 38
energia [48].
O acesso a informações sobre a demanda da carga em tempo real é uma inovação
que torna mais eficiente a interação entre o VE e a rede elétrica, que seria proporcionado
com investimentos para a infraestrutura da rede elétrica inteligente.
Dentre uma das características dos carregadores que são importantes para esse
projeto são os Interruptores de Horários Programáveis, que são utilizados para o fun-
cionamento automático de ventilação, iluminação, aquecimento entre outras utilidades.
Esse interruptor permite a abertura e o fechamento de circuitos independentes a partir
de uma lógica pré-definida pelo usuário, podendo ligar e desligar aparelhos em horários
programáveis[41].
Sabendo das utilidades dos carregadores, nos modos deoperação em que o VE atua
como um gerador de energia, é possível saber quais serão as suas utilidades. Acontecendo
da seguinte forma: conhecendo a curva de demanda de um estabelecimento como um
shopping, edifício comercial ou até uma residência, é possível identificar pontos de pico de
demanda em horários definidos. O VE atuaria nesses horários de pico de demanda como
um gerador de energia para poder equilibrar a curva de demanda. Os Interruptores de
Horários Programáveis então seria conectados entre o carregador e a rede de distribuição,
ou então atuaria no próprio sistema do carregador inteligente via aplicativo. Este seria
programado para atuar nos horários de pico de demanda realizando então a conexão do
VE com a rede apenas nos horários programados, mesmo o VE estando conectando com o
carregador durante todo o período que esteja estacionado [48].
Outra característica importante é que, para o modo de operação V2G ser possível,
é necessário que o sistema de carregamento do VE possua um conversor bidirecional
embarcado. Permitindo o fluxo de potência nos dois sentidos, da rede elétrica para o VE e
do VE para a rede elétrica, como indicado na Figura 18.
Para a escolha do carregador do sistema da simulação foi realizado estudo dos
tipos de carregador disponíveis, além de conter as características anteriormente citadas.
Portanto foi escolhido um carregador de parede, ou então chamado de Wallbox, contendo
potência de 7,4 kW, de modelo chamado de Wallbox Quasar, como visto na Figura 21. A
empresa Wallbox é uma empresa de carregamento inteligente e fabricante líder de estações
de carregamento de veículos elétricos na Europa. E anunciou na CES 2020 ( consumer
Electronics Show - 2020) o seu produto Quasar, o primeiro carregador EV bidirecional do
mundo para uso doméstico [49]. Alguma das principais características de carregamento
pode ser vista na Tabela 6. Apesar do anuncio do Wallbox Quasar 2, será utilizado o de
primeira geração, pois o de segunda geração faz o carregamento de VE com uma potência
de 11,5 kW [50]. Além do primeiro modelo ser mais acessível se comparado com o modelo
mais novo da marca.
Capítulo 3. Desenvolvimento 39
Tabela 6 – Especificações Do Carregador Wallbox Quasar [69].
Especificações do Carregador Wallbox Quasar
Tipo de Carregamento Bidirecional
Potência Nominal 7.4 kW
Faixa de Tensão CC 150 V - 500 V
Corrente Nominal Configurável de 6 A a 32 A
Comunicação Wi-Fi / Ethernet / Bluetooth / 3G-4G
Figura 21 – Carregador Wallbox Quasar, de 7,4 kW, apresentado na CES 2020 [51].
Como mencionado, este trabalho consiste no estudo da simulação de três casos,
um caso base onde teremos um cenário de rede elétrica atual, sem a adição de uma frota
de carros elétricos. O caso 1, onde será feita a adição de uma frota de carros elétricos
no cenário do caso base onde serão carregados no horário de pico de consumo da região.
E por fim, o caso 2, onde será feita o carregamento do carro na parte da madrugada e
na hora de pico de consumo serão utilizados as baterias dos carros para amortecer esse
pico de consumo. Para este projeto, será utilizado Nissan Leaf como modelo de veículo,
apresentado na Figura 22, sendo este, um modelo de veículo elétrico à bateria que permite
o carregamento através de um conector. A Tabela 7 indica algumas características do
modelo. Em que utiliza bateria do tipo Íon de Lítio, cuja suas vantagens em relação a
outros tipos de baterias são apresentadas no Capítulo 2.2.6 deste trabalho. Além disso,
esse modelo de veículo está atualmente disponível no mercado brasileiro, sendo uma opção
viável no cenário nacional.
Capítulo 3. Desenvolvimento 40
Tabela 7 – Especificações da Bateria, Carregamento e Autonomia do Nissan Leaf [70].
Especificações Nissan Leaf
Tipo de Veículo Elétrico a Bateria (VEB)
Tipo da Bateria Laminado Ion-Litio
Potência de Carregamento 3 - 50 kW
Capacidade 40 kWh
Autonomia 270 - 378 km
Figura 22 – Carro Elétrico Nissan Leaf, utilizado em conjunto com Wallbox Quasar. [52]
Esse conjunto de veiculo Elétrico Nissan Leaf e Wallbox Quasar como carregador
não foi escolhido arbitrariamente. O carro da Nissan foi devidamente escolhido, pois esse
é um dos poucos carros elétricos com sistema embarcado. Possibilitando a utilização de
suas baterias para compensar a rede elétrica [53], seguindo o sistema de fluxo de potência
indicado na Figura 23. Os únicos veículos disponíveis no momento (primeiro trimestre de
2022) que possuem recursos V2G são o Nissan Leaf e o Nissan e-NV200.
Figura 23 – Arranjo dos Sistemas V2G, G2V, V2H e G2H. Adaptado de [59].
Capítulo 3. Desenvolvimento 41
3.3 Apresentação do Sistema Simulado
O trabalho tem como base o sistema real de distribuição de média tensão de uma
região da cidade de João Monlevade, localizado no estado de Minas Gerais. Segundo
os estudos de Giacomin [55] feitos em 2016, a cidade contem 6 alimentadores saindo da
Subestação da cidade, que fornecem energia para toda o município (23 bairros), totalizando
41.093 residências, comércios, indústrias e prédios públicos. Esse conjunto de alimentadores
está localizado no bairro Santa Bárbara, sendo responsável por distribuir energia para
toda a cidade, como indica a Tabela 8.
Tabela 8 – Distribuição dos alimentadores da cidade de João Monlevade em 2016 [55].
Alimentadores de
13,8 kV Bairros Projeção Números
de clientes
Alimentador JMLT 306 Santa Bárbara e Industrial 390 Km 5.537
Alimentador JMLT 307 Cruzeiro Celeste, Novo Cruzeiro Estrela
Dálva 177 Km 10.560
Alimentador JMLT 308 Aclimação, De Lourdes, Alvorada, Campos
elisios 34 Km 5.767
Alimentador JMLT 309
Av Getulio Vargas, Bairro Carneirinhos,
Lucília, José Eloi, Bau, Vila Tanque, Centro
Industrial
51 Km 9.671
Alimentador JMLT 310 Av. Wilson Alvarenga, Bairro Loanda,
Belmonte, Laranjeiras 25 Km 3.433
Alimentador JMLT 311 Av Wilson Alvarenga, Bairro JK, Rosário,
Mangabeiras, Vale Sol, São benedito 64 Km 6.125
Total de clientes em João Monlevade-MG em 2016 741 Km 41.093
Para a obtenção dos dados mais atuais da rede de distribuição, foi escolhido um
dos alimentadores, JMLT 307, e com a ajuda da ferramenta Google Maps. Foi realizado a
análise da rota desse alimentador que passa pelos bairros Recanto Paraíso, Santa Bárbara,
Carneirinhos, Industrial, Aclimação e República. Durante os estudos, foi efetuado o cadastro
dos postes presentes no trecho principal da linha de média tensão e a indicação das suas
coordenadas. Devido ao contexto de pandemia, para seguir as normas de segurança contra
o COVID-19, a realização das análises e cadastros dos postes e dispositivos de segurança e
proteção nos postes, foi efetuada remotamente e, portanto podem conter diferenças com
os dados reais atuais.
A coleta de dados dos postes presentes no trecho principal da linha de MT, ocorreu
buscando dados de derivação do trecho, bairro, estrutura, comprimento, se continha ou não
derivação, religador e por fim transformador. Além disso, foram coletadas as localizações
(Latitude e Longitude) dos postes e se continham rede trifásica ou monofásica. Por último
foi adicionada a informação da rua do poste para facilitar sua localização e controle
dos dados. Alguns das principais informações podem ser vistas na Tabela 9. É possível
identificar que a distribuição nessa área é feita com a utilização de circuitos trifásicos e
nenhum monofásico. Pois há uma maior densidade de carga na região, não sendo viável para
Capítulo 3. Desenvolvimento 42
a concessionaria a utilização de circuitos monofásicos. Devido a alterações e modernização
dos sistemas de alimentadores, feitas até o ano de 2021 na cidade de João Monlevade,
foi utilizado a quantidade de 10.560 clientes do antigo Alimentador JMLT 307, para a
realização dos estudos. O sistema deste trabalho contém 373 barras, e tem como demanda
máxima 1.053,41 kVA.
Tabela 9 – Dados da Área do alimentador analisado.
Características/Dispositivos Resultado
Comprimento do Trecho (km) 11,046
Número de Postes 373
Número de Chaves 0
Número de Ramais de Derivação 39
Número de Transformadores 60Número de Religadores 1
Comprimento do Circuito Monofásico (km) 0,0
Comprimento do Circuito Trifásico (km) 11,046
Demanda Máxima 1.053,41 kVA
Número de Clientes (aproximados) 10.560
Para a realização da simulação do sistema, foram passados para o software OpenDSS
os dados e características dos transformadores, cargas, linhas. Serão detalhados no Capítulo
3.4 e com esses dados foram adicionados as coordenadas do sistema, e assim foi possível
fazer o plotagem do sistema, como visto na Figura 24. A caixa na parte inferior da imagem
representa a subestação localizada no bairro Santa Bárbara. As linhas em destaque mais
grossas em azul são os trechos percorridos de maior demanda, e os trechos mais finos,
uma menor demanda. A demanda em cada trecho é calculada baseada pela capacidade de
cada transformador. O intuito é simular esse trecho da Figura 24 no OpenDSS, levantar
a potência demandada do sistema realizando os estudos dos casos já mencionados, onde
serão detalhados a seguir.
Capítulo 3. Desenvolvimento 43
3.4 Configuração e Inserção de dados OpenDSS
O alimentador analisado foi mapeado e então foi realizado a sua implementação no
software OpenDSS. As etapas de implementação consistem em:
• Passo 1: definição dos parâmetros;
• Passo 2: configuração das linhas de distribuição;
• Passo 3: configuração das cargas conectadas ao sistema;
• Passo 4: configuração dos transformadores;
• Passo 5: configuração dos Bancos de Baterias (Para os casos contendo VE conetados
ao sistema).
O condutor utilizado foi o Phansy com capacidade nominal de corrente de 200 A
[73]. Os dados dos transformadores são referentes ao modelo real de 30 kVA e 13,8 kV/0,22
kV da empresa WEG [72]. Vale ressaltar que o fator de potência e o fator de demanda
foram aplicados diretamente nas cargas do sistema.
Figura 24 – Mapa geográfico e do fluxo de Potência da Área.
Em seguida, houve a criação de arquivos separados do principal, a fim de realizar a
declaração dos parâmetros. Ao gerar a função principal main, foram chamados os demais
arquivos criados, a fim de ter uma melhor organização do sistema. Para especificar os
cabos das linhas trifásicas, foi elaborado um arquivo com o comando Line Geometry e
adicionados as especificações especificadas abaixo na Figura 25.
Foi realizado a inserção, no OpenDSS, das coordenadas geográficas das áreas
mapeadas. Desta forma, foi possível traçar o caminho do sistema elétrico na Figura 24.
Capítulo 3. Desenvolvimento 44
Figura 25 – Especificação dos cabos das linhas trifásicas no OpenDSS.
Após a adição das coordenadas do sistema, foram adicionadas as linhas de distribuição,
onde foram declaradas por meio do comando New.Line do software OpenDSS. Estes
continham informações como nó emissor, nó receptor, quantidade de fases e declaração
do comando geometry em casos trifásicos, comprimento da linha e a unidade de medida.
Os dados inseridos na simulação referentes às linhas de distribuição podem ser vistas no
Anexo 1 deste trabalho.
Para desenvolver o código para ser executado no OpenDSS, com as informações dos
transformadores encontrados nas áreas mapeadas, foi inserido o comando New.transformer.
Algumas informações importantes, como número de fases, nó emissor, nó receptor, tipo
de ligação (delta ou estrela), tensão, potência e resistência. Todos os dados adicionados
referentes aos transformadores podem ser vistos no Anexo 2. Esses dados de transformadores
foram colhidos visualmente a partir do google maps, observando sua potência nominal
indicada na carcaça do equipamento.
A declaração das cargas do sistema foi realizada criando um arquivo contendo as
cargas de média tensão e outro para as cargas de baixa tensão. Para realizar a declaração
das cargas, foi utilizado o comando New load e em seguida as informações de nó, fases,
tipo de ligação, tensão, potência ativa, potência reativa e o tipo da curva (residencial),
podendo ser conferido no Anexo 3. E por ultimo foi desenvolvido o arquivo principal ou
então o main. Este foi o arquivo principal do OpenDSS e nele foi inserido cada arquivo
descrito anteriormente por meio do comando Redirect . Na Figura 26 é apresentada a o
resultado do arquivo principal da simulação.
O cálculo do fluxo de potência para as redes de transmissão de energia elétrica
apresentam métodos tradicionais como, por exemplo: Gauss-Seidel, Newton Raphson e
Desacoplamento Rápido, conforme referência de GRAINGER e STEVENSON de 1994
[57]. Esses métodos representam a rede trifásica usando o monofásico equivalente, pois é
assumido que a rede é equilibrada na maioria dos casos. No OpenDSS, o fluxo de potencia
é calculado a partir do sistema de equações a ser resolvido, trabalhando diretamente em
Capítulo 3. Desenvolvimento 45
Figura 26 – Declaração do Arquivo principal da simulação.
cima da matriz de admitância nodal do sistema, isto é, com os fasores de tensões nodais e
correntes injetadas [54].
A rede de distribuição definida para análise, como visto, é o circuito de um alimen-
tador real brasileiro. O alimentador possui tensão nominal de 13,8 kV, 60 transformadores
de distribuição MT/BT. Suas cargas foram distribuídas em consumidores residenciais, em
sua maioria, mas também contendo cargas comerciais e industriais. Podes-se destacar que
o sistema não possui reguladores de tensão e banco de capacitores. As simulações foram
realizadas no modo diário, em que os resultados são obtidos a cada hora do dia.
Com o auxilio da Ferramenta MATLAB, foram obtidos os dados do OpenDSS e
plotados os gráficos para uma melhor análise. Desta forma, são necessárias as apresentações
das curvas de cargas que definem a demanda do sistema.Também serão apresentados os
casos de estudos deste trabalho indicando todas as características dos sistemas para cada
cenário, como indicado na Tabela 10.
Tabela 10 – Casos e suas Características
Casos Estudados e Suas Características
Caso Base Sistema Atual.
Sem veículos elétricos.
Caso 1 Sistema contendo VEs e realizando seu carregamento no horário das
17h as 22h.
Caso2
Sistema Contendo VE, sendo seu carregamento realizado
na madrugada e a carga da bateria sendo utilizada para compensar
o consumo no horário das 17 as 22h.
Capítulo 3. Desenvolvimento 46
3.4.1 Apresentação do Caso Base
O caso base não contém nenhuma frota de VE e, portanto, é um reflexo do
cenário real atual do sistema elétrico da região estudada. As cargas presentes na região
do alimentador são compostas de cargas de aproximadamente 90% residenciais. Com isso
levaremos como base, a curva de carga demonstrada na Figura 28. A Figura 27 mostra o
fluxo de potência deste caso, na qual tem-se somente a rede elétrica fornecendo energia
para a casa, sendo este sistema G2H.
Figura 27 – Arranjo dos Sistemas G2H. Adaptado de [59].
Figura 28 – Curva da Demanda em pu do caso base.
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
D
em
an
da
 (
pu
)
A partir das análises feitas no Capítulo 2.4.1 de curva de carga, foi possível entender
a curva de consumo brasileiro no setor residencial. Com o auxilio da Figura 15, foi criado
e adotado como parâmetro a curva de carga ilustrada na Figura 28, de modo que houvesse
uma maior demandas de carga nos horários entre 17 horas e 22 horas. A Figura 28 mostra
que a curva de carga residencial adotada tem como característica principal de consumo
máximo às 18h. Sendo evidenciado o comportamento predominantemente do tipo de curva
de consumo na regiões, sendo esta, com concentração de cargas residências.
Capítulo 3. Desenvolvimento 47
Apesar de ter como orientação as seguintes curvas de carga, Figura 15 e Figura
16, foram realizadas mudanças, levando em conta o embasamento que a região não seja
somente formada por residências, mas também por comércios e pequenas indústrias.
3.4.2 Apresentação do Caso 1: VE com Carregamento no Horário de Pico
O número de carros, de modo geral, não para de crescer no país. Com o aumento
da frota, o Brasil já tem um automóvel para cada 4,4 habitantes [60]. Ou seja, no cenário
atual brasileiro, 25% da populaçãoBrasileira possui carro. A Boston Consulting Group
(BCG) prevê que em 2030 os carros elétricos vão representar 5% da frota brasileira [62]. O
caso 1 se difere do caso base, ao adicionar essa frota de carros prevista pelo BCG. Sendo
esta mais uma carga para o sistema elétrico, como visto o sentido do fluxo de potência, na
Figura 29. E para realizar a simulação desse cenário, sera feito o calculo de quantos carros
elétricos possuiriam a região estudada em 2030.
Figura 29 – Arranjo dos Sistemas G2V e G2H. Adaptado de [59].
Sendo assim, como indicado pela Tabela 8, na distribuição dos alimentadores da
cidade de João Monlevade em 2016, é possível destacar que o alimentador que contém
maior número de pessoas atendidas, disponibiliza energia elétrica para 10.560 indivíduos.
Portando, realizando os cálculos, encontra-se que 25% dessa população possuem carros
e dessa população são encontrados 5% de carros elétricos, assim, teremos os seguintes
resultados:
� 25% de 10560 Indivíduos = 2640 Carros na região.
Ou seja, existem aproximadamente 2640 carro na região do alimentador estudado.
E a partir dos dados do BCG, 5% dos carros da frota brasileira em 2030, vão ser de carros
elétricos, portanto:
� 5% de 2640 Carros = 132 Carros Elétricos.
Capítulo 3. Desenvolvimento 48
Neste contexto, a potência máxima que os carros elétricos poderão consumir será
de 976,8 kW. O cálculo considerou os 132 VEs e o carregador escolhido na seção 3.2 (de
7,4 kW).
Sabendo a quantidade de demanda dos carros elétricos estabelecidas, é possível
encontrar a capacidade total das baterias disponíveis para o uso. Sendo assim, carregamento
do veículo escolhido, Nissan Leaf, tem um carregamento completo efetuado com um tempo
estimado de 6 horas. Portanto a frota 132 de carros pode chegar a demandar 976,8kW
da rede em um tempo de carregamento de 6 horas, deste modo esta disponível um banco
de baterias de carros elétricos de 5.860,8 kWh, sendo esta a capacidade total disponível
para serem carregadas, ou então usadas para suprir uma demanda em horários de grande
necessidade. A Tabela 11, resume todos os dados encontrados de VE da região, para a
realizar a simulação.
Tabela 11 – Dados de VEs adicionados na Região.
Dados de VE na região
Quantidade de VE 132 Unidades
Potência demandada 976,8kW
Capacidade Baterias 5.860,8 kWh
O sistema elétrico simulado no caso 1 é semelhante ao caso base, descrito no
Capítulo 3.4.2, porém se difere ao ser adicionado uma frota de carros elétricos. O primeiro
estudo de caso analisa o sistema atual considerando a recarga dos VEs das 17 horas até
as 22 horas. Considerando o cenário em que os usuários dos VEs os colocassem para
recarregar após a chegada do trabalho. A Figura 30 apresenta a curva de carregamento
dos carros elétricos utilizada nesse caso, cujo a parte positiva indica que o sistema esta
fazendo o carregamento das baterias.
Figura 30 – Curva do carregamento dos VEs, G2V, no Caso 1.
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
-1
-0.5
0
0.5
1
C
ur
va
 d
e 
C
ar
re
ga
m
en
to
 (
pu
)
Capítulo 3. Desenvolvimento 49
Com a curva de carregamento definida, foi realizada a adição desta frota de carros
elétricos no sistema elétrico estudado, referente a um dos alimentadores presentes na
subestação da cidade de João Monlevade, em Minas Gerias. Utilizando o mesmo código
da Figura 26 de declaração do arquivo principal da simulação, foi adicionado o sistema de
baterias dos carros elétricos, referentes à frota de 132 VEs. Como visto na Figura 31, foi
realizado a adição de uma curva de carga, onde foram inseridas as informações da curva de
carregamento da Figura 28. Logo após, houve a criação de um banco de baterias, contendo
as informações de potência e capacidade total da bateria disponível, referentes aos 132
VE. Em seguida é adicionado um novo transformador exclusivo deste banco de baterias,
pra suporta toda a demanda e realiza a conversão de BT/MT do sistema elétrico. E por
fim, alguns monitores de tensão e potência foram adicionados para ter um melhor controle
e monitoramento sobre o sistema.
Figura 31 – Sistema de baterias dos VEs adicionado ao programa principal.
3.4.3 Apresentação do Caso 2: VE com Carregamento fora do Horário de Pico
O segundo cenário consiste em fazer a análise do sistema considerando que os
veículos sejam recarregados das 00h até as 06h, utilizando o princípio da Tarifa Branca.
Os automóveis são recarregados após a meia noite, e das 17h até 22h, fornecessem sua
capacidade de armazenamento de energia à rede. A Figura 32 ilustra a curva utilizada
nesse caso.
Capítulo 3. Desenvolvimento 50
Figura 32 – Curva de Carregamento dos VEs, V2G e G2V do Caso 2.
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
-1
-0.5
0
0.5
1
C
ur
va
 d
e 
C
ar
re
ga
m
en
to
 (
pu
)
O sistema de códigos de simulação utilizados para o caso 2 é semelhante ao utilizados
no caso 1, porém houve a adição da curva de carga, indicada na Figura 32, na qual a parte
positiva indica que o sistema esta fazendo o carregamento das baterias e a parte negativa
indica que as baterias estão injetando potência na rede elétrica, a partir da tecnologia
V2G empregada tanto no carro elétrico, quanto no carregador bidirecional escolhido para
o trabalho.
51
4 Resultados
Este capítulo apresentará os resultados obtidos através dos dados levantados no
Capítulo 3 deste trabalho. São apontados os problemas causados pelos veículos à rede, caso
estes sejam carregados sem nenhum cuidado em horários de maior consumo. Adicionalmente
são exibidas as soluções para a implantação dos veículos elétricos na rede de distribuição,
de modo que estes sejam incluídos a rede elétrica de forma eficiente e viável. Além disso,
Serão apresentados os resultados de potência, tensão e corrente de cada caso e os impactos
de cada grandezas elétricas analisadas.
4.1 Estudos dos Casos
Nesse tópico serão apresentadas os resultados das simulações realizadas, iniciando
com a apresentação dos resultados do sistema sem uma frota de carros elétricos adicionando
a rede elétrica. Posteriormente serão apresentados os resultados dos estudos realizados ao
realizar a adição de 132 veículos elétricos no sistema de distribuição.
4.1.1 Caso Base: Sistema sem Veículos Elétricos
Nesta primeira análise, serão exibidos os resultados obtidos com o auxilio da
Ferramenta MATLAB para obter os gráficos e do fluxo de potência, a partir do software
OpenDSS, do sistema apresentado no Capítulo 3.4.1, onde é apresentado o perfil da curva
de carga sem a adição de uma frota de carros, da seção de um dos alimentadores de João
Monlevade. Serão mostrados os resultados sobre a curva de demanda em uma faixa de 24
horas. Visto que o objetivo deste trabalho é observar o impacto causado sobre o sistema
elétrico, no horário de maior consumo, entre 17h e 21h. Também será apresentado o
carregamentos de VEs na madrugada nos casos posteriores, e seus resultados apresentados
a seguir.
A Figura 33 representa a curva de carga para esse estudo de caso sem a adição
de carros elétricos. Também é possível observar que são gerados durante o plotagem dos
gráficos, dados referentes as Fase A, Fase B e Fase C, por se tratar de um sistema trifásico.
Porém como este é um sistema equilibrado, os valores são muito próximos e a sua pequena
variação não são perceptíveis nos gráficos, sendo sobreposto a outro. É possível ver no
Anexo 4 uma plotagem do gráfico de demanda com a aplicação de um zoom, na qual é
observado cada fase do sistema.
Observando a Figura 33, pode-se notar que, o máximo de energia demandada
acontece no horário de pico das 18 horas com um valor de 872,9 kVA. Observa-se que
Capítulo 4. Resultados 52
durante a madrugada o consumo diminui chegando no seu mínimo às 3 da manhã com um
a potência de 345,1 kVA.
Figura 33 – Curva de Carga do Sistema sem VEs
0 5 10 15 20 25
Horas
300
400
500
600
700
800
900
S 
(k
V
A
)
Posteriormente, foi realizada a obtenção de dados, de tensão de todas as barras
do sistema no horário de pico, ou seja, às 18 horas. Os dados de tensão do sistema estão
em pue como é visto na Figura 34, é perceptível o afundamento da tensão das barras ao
longo do sistema resultante causado pela adição das cargas nas barras. É visto também
que, para aquelas barras mais distantes do alimentador, vão ocorrendo maiores quedas de
tensão.
Figura 34 – Tensões nas barras do sistema em p.u no horário de pico, Caso base.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Barras
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
T
en
sã
o 
em
 p
u
Com as execuções, foram encontrados os valores de 0,999140 pu como tensão
máxima, e 0,956290 pu como tensão mínima. Sendo essa queda de tensão normal devido a
Capítulo 4. Resultados 53
cargas consumirem potência e perdas nos condutores das linhas entre as barras.
Além das tensões, também foram obtido os dados de corrente no horário de maior
consumo. Como é possível observar na Figura 35, ocorre uma variação das correntes
durante o gráfico. Há um grande valor de corrente no início do gráfico, pois essa corrente
é do início do Alimentador e essa corrente vai tendendo a zero já no final do sistema. É
possível notar variações bruscas durante o gráfico, pois ocorrem ramificações durante o
caminho, ou seja, ruas paralelas durante o percurso, e nessas ramificações são encontradas
pequenas cargas. Como observado na Figura 24, é possível ver um maior fluxo de carga na
avenida principal, contendo essas linhas com um maior nível de corrente, porém durante o
caminho, podem ocorrer derivações para pequenas ruas, e essas pequenas ruas possuem
pouca demanda de carga, e a corrente em sua linha será baixa, porém temos a continuação
do sistema na rua principal, assim temos essa elevação de corrente no gráfico, pois voltou
à indicação da corrente das linhas da rua principal.
Para este sistema sem carros elétricos, a corrente máxima encontrada foi de 109,67
A, sendo esta corrente referente à primeira linha do sistema a partir do alimentador, como
indicado na Figura 35 .
Figura 35 – Corrente nas Linhas no Horário Demanda Máxima, Caso Base.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Linhas
0
20
40
60
80
100
120
C
or
re
nt
e 
(A
)
Observa- se na Figura 36, os dados de perdas de potência (Ativa) diárias (soma
das três fases) da rede de média tensão. As perdas de um Sistema Elétrico de Potência
(SEP) de alta e média tensão são em sua maioria causadas pelas linhas do sistema, são
relacionadas à transformação de energia elétrica em energia térmica nos condutores (efeito
joule). Outro causador de perdas no SEP é o transformador responsável pelas perdas nos
seus núcleos e também têm-se as perdas dielétricas.
As perdas do sistema elétrico do sistema sem VEs são apresentadas Figura 36,
cuja soma das perdas das 3 fases (Fase A, Fase B e Fase C) é representada no gráfico e
Capítulo 4. Resultados 54
a sua variação de seus valores é semelhante a demanda do sistema, onde esta correlação
é coerente, visto que, maior a demanda, maior a corrente nas linhas e maior as perdas
causadas por estas.
Figura 36 – Perdas de Potência Diárias (Soma das Três Fases) da Rede de MT, Caso Base.
0 5 10 15 20 25
Horas
2
3
4
5
6
7
8
W
at
ts
 [
W
]
104
A obtenção das perdas de energia diária no alimentador pode ser feita calculando
a área do gráfico da Figura 36, de Perdas de Potência Diárias. Sendo assim, considerando
às 24 horas simuladas do sistema, foi obtido o valor de 1,239 MWh de perdas de energia
diária no alimentador, sendo às 18 horas o horário de maior perda com o valor de 79.416,03
W.
Segue abaixo na Tabela 12 os dados obtidos pela simulação do caso base, sendo
estes dados a base de comparação para os Casos 1 e 2 seguintes.
Tabela 12 – Resultados da Simulação do Caso Base.
Informações Caso Base
Demanda Máxima 872,90 kVA
Demanda Mínima 345,16 kVA
Tensão Máxima 0,999140 pu
Tensão Mínima 0,956290 pu
Corrente máxima 109,67 A
Pico de Perdas 79.416,03 W
Perdas Totais (24h) 1,23 MWh
Capítulo 4. Resultados 55
4.1.2 Caso 1
Para o caso 1, foi realizada a simulação do sistema do caso base, contudo, tendo a
diferença que será adicionado uma frota de VEs, contendo 132 carros elétricos carregando
no horário de pico, ou seja, das 17h até as 22h, seguindo o gráfico da Figura 24. Ao simular
a rede com as cargas dos VEs, será verificado qual o impacto que os carros elétricos irá
causar na curva de carga representada na Figura 33. A Figura 37 representa o resultado
da adição dos carros elétricos na rede.
Figura 37 – Curva de Carga do sistema com 132 VEs, Caso 1.
0 5 10 15 20 25
Horas
200
400
600
800
1000
1200
S 
(k
V
A
)
Caso Base
Caso 1
Com a adição dos veículos elétricos pode-se notar que ao adicionar esses veículos
na rede, acarretou em um aumento significativo no consumo de energia principalmente no
horário de pico das 18h. Assim, sendo este o horário onde a demanda de energia é maior,
causado principalmente por a maioria das pessoas estarem chegando a suas casas após o
trabalho casa e consequentemente elevando o consumo de energia.
Ao realizar a adição da frota de carro nesse horário, é notado que houve uma
sobrecarga no sistema de distribuição. Sendo assim, necessária uma maior demanda de
energia, forçando um investimento para realização de melhoras na infraestrutura da região,
para então aumentar a capacidade de energia demandada. O pico de energia, que no caso
base era de 872,9 kVA, agora passa a casa de 1.0 MVA, e chega aos 1192,76 kVA por fase,
um valor bem expressivo, levando o aumento de 36,64% de demanda em relação ao caso
anterior.
Para a tensão do sistema no horário de maior demanda, 18 horas, ocorreu uma
leve atenuação na tensão mínima do sistema, no qual passou de 0,95629 pu, para 0,956160
pu, na qual essa redução de tensão pode ser perigosa para o sistema caso ocorra uma
queda muito brusca da tensão. Para o caso da simulação deste trabalho a queda não foi
muito elevada, não acarretando algum problema. Como apresentados na Figura 38, os
Capítulo 4. Resultados 56
valores de máximos de tensão apresentaram poucas variações, passando de 0,999140 pu
para 0,999110 pu.
Figura 38 – Tensões nas Barras do Sistema em p.u no Horário Demanda Máxima, Caso 1.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Barras
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
T
en
sã
o 
em
 p
u
Caso Base
Caso 1
Ao analisar a corrente nas linhas no horário demanda máxima do caso 1, da Figura
39, foi verificado um aumento da corrente máxima do sistema, em relação ao caso base.
Antes o valor de corrente era de 109,67 A, agora passa para 111,39 A, um aumento de
1,568% em relação ao caso base. Esse aumento já era esperado, devido à adição de carga
no sistema, e com esse aumento de corrente, é esperado um aumento de perdas.
Figura 39 – Corrente nas Linhas no Horário Demanda Máxima, Caso 1.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Linhas
0
20
40
60
80
100
120
C
or
re
nt
e 
(A
)
Caso Base
Caso 1
Em relação às perdas do alimentador, como observado na Figura 40, houve um
crescimento do pico no horário de maior demanda, onde era de 79,41 kW para 105,48
kW e as perdas de energia diária no alimentador aumentaram consideravelmente de 1,23
Capítulo 4. Resultados 57
MWh para 1,60 MWh, um aumento de 29,80% em relação ao caso base. Isso mostra o
consequência de se adicionar a carga da frota de VEs no horário de maior demanda.
Figura 40 – Perdas de Potência Diárias (Soma das Três Fases) da Rede de MT, Caso 1.
0 5 10 15 20 25
Horas
2
4
6
8
10
12
W
at
ts
 [
W
]
104
Caso Base
Caso 1
A Tabela 13 apresenta os resultados da simulação do caso 1, comparando com o
caso base. É possível ver uma pequena redução da tensão mínima do sistema do caso 1.
Contudo, caso a tensão mínima estivesse com um valor ainda mais reduzido, seria de fato
preocupante, pois neste caso seria necessário à instalação de reguladores de tensão, para
não acarretar na interrupção do fornecimento de energia elétrica nos períodos em que a
rede é mais solicitada. A demanda máxima do sistema teve um aumento de 36,64% no
horário das 18 horas, sendo necessário um planejamento estrutural da rede elétrica caso
essa demanda aumente. E por ultimo,a perda de energia causada pela adição dos carros
elétricos teve um aumento expressivo de 29,80%. Esse acréscimo preocupante leva a busca
de soluções para diminuir os impactos desses veículos no sistema, procurando soluções
positivas que são viáveis e que podem de fato ser aplicadas nos dias atuais.
Tabela 13 – Resultados da Simulação do Caso 1.
Informações Caso Base Caso 1
Demanda Máxima 872,90 kVA 1192,76 kVA
Demanda Mínima 345,16 kVA 345,16 kVA
Tensão Máxima 0,999140 pu 0,999110 pu
Tensão Mínima 0,956290 pu 0,956160 pu
Corrente máxima 109,67 A 111,39 A
Pico de Perdas 79.416,03 W 105.488,18 W
Perdas Totais (24h) 1,23 MWh 1,60 MWh
Capítulo 4. Resultados 58
4.1.3 Caso 2
Em relação ao segundo caso, foi necessário estudar um cenário em que o carrega-
mento de carro elétrico não comprometesse a rede elétrica, ao ser adicionado 132 VEs,
como acorreu no caso 1. Com isso foi simulado o carregamento dos veículos no horário
da madrugada, de 0h até às 6h e também foi feito a utilização das baterias no horário de
pico para suprir uma parte da demanda, assim reduzindo o pico de consumo, e o resultado
podem ser vistos a seguir, na Figura 41.
Figura 41 – Curva de Carga do Sistema com 132 VEs, Caso 2.
0 5 10 15 20 25
Horas
200
400
600
800
1000
1200
S 
(k
V
A
)
Caso Base
Caso 1
Caso 2
A Figura 41 representa como seria a curva de carga se os VEs carregassem durante
a madrugada e injetasse potência energia durante os horários de ponta. Os carros foram
distribuídos para carregar durante o intervalo da madrugada atingindo um pico de consumo
de 845,43 kVA a 5h, diferente do caso base, onde continha um pico as 18 horas de 872,90
kVA. E no horário de maior consumo do caso base, 18 horas, agora é composto por uma
demanda de 618,80 kVA. Indicando que além de distribuir melhor a carga de carregamento,
os VEs proporcionaram uma folga no sistema no horário de maior demanda. Isso mostra
que mesmo com a adição dos carros o sistema de distribuição ainda teve uma redução do
consumo da rede que está auxiliando o sistema a não ter uma sobrecarga no alimentador.
Com a adição da frota de veículos elétricos as tensões, indicadas na Figura 42, se
comportaram de modo mais estável se comprado com o caso base. No cenário do caso
base a tensão mínima chegavam ao valor de 0,956290 pu, porém, no caso 2 temos uma
tensão mínima de 0,976430 pu, um aumento de 2.10%, indicando mais um beneficiam de
se utilizar VEs no horário de pico. Apesar de ser um aumento de somente 2.10%. Para
tensão é um bom valor, pois, como mencionado no Capítulo 2.4.4, as concessionarias
devem manter uma faixa de tensão para os consumidores e esse aumento de tensão ajuda
a concessionária a manter o sistema nessa faixa.
Capítulo 4. Resultados 59
Figura 42 – Tensões nas Barras do Sistema em p.u no Horário Demanda Máxima, Caso 2.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Barras
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
T
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sã
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em
 p
u
Caso Base
Caso 1
Caso 2
Para o caso 2, a corrente no horário de demanda máxima reduziu de 109,67 A do
caso base, para o valor de 93,32 A, como indicado na Figura 43 . Uma redução de 14,91%,
indicando que o alimentador reduziu sua demanda, causado pela utilização das baterias
dos carros elétricos.
Figura 43 – Corrente nas Linhas no Horário Demanda Máxima, Caso 2.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Linhas
0
20
40
60
80
100
120
C
or
re
nt
e 
(A
)
Caso Base
Caso 1
Caso 2
A Figura 44, retrata as perdas do caso 2. E apesar do sistema conter uma boa
distribuição do carregamento, ainda terá uma grande carga de 132 carros elétricos sendo
carregados na rede de distribuição. Portanto é esperado um aumento de perdas se com-
parado com o caso base. Para o cenário base estudado foi identificado uma perda de
energia diária no alimentador de 1,23 MWh, e no caso 2, 1,32 MWh. Um aumento de
aproximadamente 6,57% se comparado ao caso base. Porém, foi uma adição de perdas
Capítulo 4. Resultados 60
consideravelmente menor do que a do caso 1, responsável por um aumento de 29,80%.
Figura 44 – Perdas de Potência Diárias (Soma das Três Fases) da Rede de MT, Caso 2.
0 5 10 15 20 25
Horas
2
4
6
8
10
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W
at
ts
 [
W
]
104
Caso Base
Caso 1
Caso 2
Sendo assim, segundo a Tabela 14, os resultados da simulação do caso 2 apresentam
ser positivas. Pois a distribuição da carga gerada pelo carregamento resultou em uma
demanda máxima próxima ao do caso base, porém em horários diferentes. No caso base
às 18 horas e no caso 2, às 5 horas. A corrente máxima do sistema diminuiu devido à
compensação das baterias no horário de pico e as tensões mínimas tiveram um aumento,
beneficiando todo o sistema. As perdas totais tiveram um pequeno aumento de 6,57%,
mostrando ser o cenário mais eficiente, ou seja, com as menores perdas comparando-se
com o caso 1.
Tabela 14 – Comparação dos Resultados das Simulações dos Casos.
Informações Caso Base Caso 1 Caso 2
Demanda Máxima 872,90 kVA 1192,76 kVA 845,43 kVA
Demanda Máxima (18h) 872,90 kVA 1192,76 kVA 618,80 kVA
Demanda Mínima 345,16 kVA 345,16 kVA 490,31 kVA
Tensão Máxima 0,999140 pu 0,999110 pu 0,999400 pu
Tensão Mínima 0,956290 pu 0,956160 pu 0,976430 pu
Corrente máxima 109,67 A 111,39 A 93,32 A
Pico de Perdas 79.416,03 W 105.488,18 W 79.275,99W
Perdas Totais (24h) 1,23 MWh 1,60 MWh 1,32 MWh
Capítulo 4. Resultados 61
Portanto, a inserção de carros elétricos podem ser feita de forma que beneficie
a rede nesse horário crítico de maior demanda. Como visto na Tabela 14, a demanda
máxima no horário de 18h caiu de 1192,76 kVA para 618,80 kVA, aliviando o sistema e
deslocando o pico para outro horário. Esse deslocamento traz uma folga para o sistema,
caso o cenário fosse do caso 1, o sistema teria que receber atualizações e melhorias para se
manter operando, pois ele estaria atuando perto do limite de operação, caso o alimentador
fosse projetado para uma demanda de 1.200 kVA. Isso traz mais gastos pra concessionaria
de energia e esses gastos possivelmente serão passados para os consumidores, aumentando
suas contas de energia.
Como visto na Figura 41, o deslocamento faz com que o horário de pico fique
deslocado pra madrugada, e por esse fato, faz com que investimentos na infraestrutura da
rede seja postergado e assim diminuindo custos pra concessionário e consequentemente
pro consumidor final.
Capítulo 4. Resultados 62
4.2 Tarifa Branca
Nessa sessão, será realizados estudos econômicos envolvendo a Tarifação Branca.
Os custos de carregamento de um VE serão apresentados, tendo como base o caso 1 e
caso 2 da sessão anterior, utilizando esse tipo de tarifação. Na sequencia será apresentado
5 cenários diferentes, em que será utilizados essa tarifação, pra a economia da conta de
energia mensal de uma família brasileira.
4.2.1 Tarifa Branca: Custos de carregamento de um VE
Utilizando como base o consumo de um usuário seguindo o gráfico de demanda da
Figura 33, o consumidor usaria o chuveiro e outros eletrodomésticos assim que chegasse
em casa. Portanto, usaria a maioria de seus aparelhos eletrônicos no horário de ponta, não
sendo compensatório o uso da Tarifa Branca neste caso. Como visto na Tabela 4,utilizado
a Tarifação B1-Ponta de bandeira verde, o usuário iria pagar entorno R$ 1,17045 a R$
1,31245 por kWh gastos, neste horário de pico (valores sem adição de impostos). Neste
cenário, não compensaria ao consumidor, a implantação dessa modalidade de tarifação.
Seguindo com o caso 1, utilizando a curva de carga da Figura 37 como base de
consumo de um usuário da Tarifa Branca, este seria um cenário ainda pior comparado
ao caso base contendo Tarifa Branca. Pois, além de um consumo comum, após a sua
chegada do trabalho, com eletrodomésticos e chuveiro, o consumidor teria uma grande
carga consumindo energia no horário de pico, adicionado 7,4 kW de consumo a mais se
comparado ao caso base, por conter o VE carregando, não sendo uma cenário favorável
para esse consumidor. E assim como no caso base, o consumidor utilizaria a tarifação de
R$ 1,17045 a R$ 1,31245 por kWh para carregar seu veiculo, além deutilizar os produtos
elétricos em casa, não atingindo o objetivo de reduzir o valor da conta de energia no final
do mês. Portanto, o custo mínimo do carregamento completo da bateria do carro elétrico
do caso 1 utilizando a Tarifa Branca é:
(1.17045R$/kWh) ∗ (7, 4kW ) = R$8, 66133/Hora (4.1)
(R$8, 66133/Hora) ∗ (6h) = R$51, 96 (4.2)
Para o calculo o custos mínimo, foi utilizado a Tarifação B1-Ponta de bandeira verde,
indicados na Tabela 4 e sendo utilizado um carregador de 7,4 kW para o carregamento da
bateria do carro Nissan Leaf, no tempo de 6 horas, totalizando no valor de R$ 51,96 para
realizar seu carregamento completo. Porém para o caso 2, a situação econômica é melhor,
tendo uma redução de 56.52%, seguindo as contas mais abaixo.
Capítulo 4. Resultados 63
Para o caso 2, como o seu consumo relacionado ao carregamento do carro elétrico
está deslocado para fora do horário de pico, a tarifação branca é positiva neste caso.
Durante o horário de pico a bateria do carro elétrico do consumidor compensaria todo ou
parte do consumo residencial e iria carregar somente de madrugada, fora do horário de
pico. Consequentemente o consumidor teria sua conta reduzida, caso opte pelo sistema de
tarifação branca utilizando o sistema de V2G.
Portanto observando a Tabela 4, utilizada a Tarifação B1 - F. Ponta, o usuário
iria pagar entorno R$ 0,50898 a R$ 0,65098 por kWh gastos neste horário fora do pico.
Neste caso, compensado a implantação dessa modalidade de tarifação, atingindo o objetivo
de reduzir a conta de energia, utilizando o sistema V2G ou V2H. Assim, compensando
o consumo residencial no horário de pico. Portanto, o custo mínimo do carregamento
completo da bateria do carro elétrico do caso 2, utilizando a Tarifa Branca é:
(0, 50898R$/kWh) ∗ (7, 4kW ) = R$3, 766452/Hora (4.3)
(R$3, 766452/Hora) ∗ (6h) = R$22, 59 (4.4)
Ao realizar o cálculo do custo mínimo, foi utilizada a Tarifação B1 - F. Ponta, de
bandeira verde e usando também um carregador de 7,4 kW para o carregamento da bateria
do carro Nissan Leaf, no tempo de 6 horas, assim como no caso anterior. Porém, neste
caso resultou no valor de R$ 22,59 para o carregamento completo, tendo uma redução de
56.52% em comparação ao caso 1. portanto resultando em uma redução no custo final de
sua conta mensal de energia.
4.2.2 Tarifa Branca: Redução da Conta de Energia com VE
A Tarifa Branca (TB) pode ser usada por qualquer consumidor residencial e
comercial, basta fazer a solicitação junto a concessionária de energia fornecedora da região.
E com a chegada de carros elétricos é possível obter ainda mais benefícios desse serviço
oferecido pelas empresas distribuidoras de Energia.
Neste sentido, esta seção apresenta um estudo que busca avaliar a viabilidade da
solicitação TB por uma família que possui VE. Neste caso, foi escolhida uma família
composta de dois adultos e duas crianças, pois este é a média brasileira [74]. A Tabela
15 mostra os cenários avaliados neste estudo, variando três parâmetros: (i) solicitação da
TB, (ii) horário de carregamento (quando G2V) e (iii) horário de fornecimento de energia
(quando V2G).
Capítulo 4. Resultados 64
Tabela 15 – Cenários de Estudo da Tarifa Branca
Cenários Tarifa Branca Horário de
Carregamento
Horário de
Fornecimento
de Energia
Tipo de Interação
1 Sem 18h - G2V
2 Contém 18h - G2V
3 Contém 0h - G2V
4 Contém 0h 18h G2V e V2G
5 Contém 0h 18h G2V e V2G
4.2.2.1 Cenário 1
Para o primeiro cenário de estudo, foi encontrado o valor cobrado do uso da energia
elétrica pela concessionária da região, onde no mês de setembro de 2022, foi cobrado o
valor de 0,74785464 R$/kWh [75].
Este cenário da Figura 45 contém um carro elétrico em seu contexto e mostra o
consumo de 675kWh de um mês da família, onde são consumido em média 22,6 kwh/dia
em um mês de 30 dias. Esse contexto de demanda do carro elétrico é semelhante ao caso 1,
onde o trabalhador chega em sua casa e colocaria seu carro elétrico para carregar. Para este
caso o VE chegaria em casa, com uma média de 83,33% de carga na bateria, precisando
somente de 1 horas de carregamento. Com esse 16,67% gastos de bateria, o automóvel teria
uma autonomia mínima de 45 km, suficiente para a volta do trabalhador à sua residencia.
Figura 45 – Demanda Diária da Residencia - Cenário 1 e 2.
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
0
2
4
6
8
D
em
an
da
 S
 (
kV
A
)
Foi designado o valor médio de 675 kWh por mês consumido para o contexto da
família junto com um VE, resultando em um valor de R$500,00 para a conta da casa. Para
este contexto de uma família de 4 Pessoas, a Figura 45 mostra o cenário médio de consumo
diário da casa. É visto que, o maior pico de consumo seria o carregamento do carro elétrico
Capítulo 4. Resultados 65
e os outros pequenos picos de consumo, são ocasionados pelo uso dos chuveiros elétrios e
eletrodomésticos de maior consumo, como secadores de cabelo, fornos elétricos e air fryer.
4.2.2.2 Cenário 2
Para o cenário 2 de estudo, foi alterado o sistema de cobrança, onde foi aplicado a
Tarifa Branca. Nesse cenário médio de consumo diário da casa, indicado na Figura 45 do
cenário anterior. Porém, com esse novo método de cobrança de energia, a conta da família
teve um aumento de 30,9% se comparado ao cenário anterior. Agora será cobrado o valor
de R$654,67. Esse cenário se torna a pior opção para os consumidores, pois o horário onde
tem a maior demanda de energia da casa coincide com a tarifa de ponta. Segue a Tabela
16, comparando os valores dos cenários apresentados até o momento.
Tabela 16 – Comparação dos Cenários 1 e 2
Cenários Tarifa Branca Descrição Consumo
por Dia
Valor da Conta
de Energia
1 Sem Carregamento do VE no
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 500,00
2 Contém Carregamento do VE no
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 654,67
4.2.2.3 Cenário 3
Para o cenário 3, foi realizado o deslocamento do horário de carregamento do VE
para a madrugada, como indicado na Figura 46. E assim como no cenário anterior, a
taxação será feita segundo a TB. Neste caso a conta da casa foi reduzida em 2,78%, se
comparado ao cenário 1, agora resultando em uma conta de R$ 486,08.
A Tabela 17 mostra a comparação entre o primeiro cenário até o terceiro. E
realizando somente o deslocamento do carregamento do VE e mantendo o consumo
normalmente durante o horário de pico, sendo notável uma melhora no valor da conta de
energia da casa para o valor de R$ 486,08.
Tabela 17 – Comparação dos Cenários 1 a 3
Cenários Tarifa Branca Descrição Consumo
Final por Dia
Valor da Conta
de Energia
1 Sem Carregamento do VE no
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 500,00
2 Contém Carregamento do VE no
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 654,67
3 Contém Carregamento do VE
Durante a Madrugada 22,6 kWh/dia R$ 486,08
Capítulo 4. Resultados 66
Figura 46 – Demanda Diária da Residencia Cenário 3
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
0
2
4
6
8
D
em
an
da
 S
 (
kV
A
)
4.2.2.4 Cenário 4
Para o cenário quatro, foi utilizado o conceito de V2H, em que a carga da bateria
é utilizada pra suprir a demanda da casa durante o horário de pico de consumo e o carro
passa a ser carregado no horário da madrugada. Também foi usado a Tarifa Branca, pois
como o carro vai ser carregado na madrugada o kWh é mais barato, compensando usar
essa taxação nesse cenário. A Figura 47 mostra como ficou a curva de demanda para a
concessionaria.
Figura 47 – Demanda Diária da Residencia Cenário 4
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
0
2
4
6
8
D
em
an
da
 S
 (
kV
A
)
Analisando a figura 47, é possível ver que no horário de grande demanda da rede
elétrica, o consumo, pra concessionaria, é zerado já auxiliando a rede, eliminando uma
Capítulo 4. Resultados 67
carga para a rede. Para esse cenário, teve uma redução de 17.21% na conta de energia, se
comparado ao cenário 1, reduzindo para R$ 413,95 a conta de energia elétrica da família.
Tabela 18 – Comparação dos Cenários 1 a 4
Cenários Tarifa Branca Descrição Consumo
Final por Dia
Valor da Conta
de Energia
1 Sem Carregamento do VEno
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 500,00
2 Contém Carregamento do VE no
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 654,67
3 Contém Carregamento do VE
Durante a Madrugada 22,6 kWh/dia R$ 486,08
4 Contém
Carregamento do VE
Durante a Madrugada,
uso do conceito de V2H
no horário de pico de consumo
22,6 kWh/dia R$ 413,95
4.2.2.5 Cenário 5
No cenário 4 apresentado, é utilizando o carro elétrico para suprir essa maior
demanda no horário entorno das 18h, e ainda adicionado a Tarifa Branca, podemos ver
uma redução no preço da conta de energia. Porém, agora, no cenário 5, será adicionado
o conceito de V2G no horário de grande consumo (18h a 23h), como visto na Figura 48.
É possível ver o valor de potência consumida negativa, mostrando que a potência esta
fluindo para a rede.
Figura 48 – Demanda Diária da Residencia Cenário 5
0 5 10 15 20 25
Tempo (h)
-4
-2
0
2
4
6
8
D
em
an
da
 S
 (
kV
A
)
Para esse cenário de consumo, a família tem o mesmo gasto do cenário anterior
de R$ 413,95 de conta de energia, reduzindo em 17.21% a conta de energia da residência
Capítulo 4. Resultados 68
devido a tarifa adotara ser mais barata nos horários consumidos. Porém, agora, com a
tecnologia V2G, auxilia a rede no horário de pico de consumo. A Tabela 19 mostra a
comparação dos cenários.
Tabela 19 – Comparação dos Cenários 1 a 5
Cenários Tarifa Branca Descrição Consumo
Final por Dia
Valor da Conta
de Energia
1 Sem Carregamento do VE no
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 500,00
2 Contém Carregamento do VE no
horário de pico de consumo 22,6 kWh/dia R$ 654,67
3 Contém Carregamento do VE
durante a madrugada 22,6 kWh/dia R$ 486,08
4 Contém
Carregamento do VE
durante a madrugada,
uso do conceito de V2H
no horário de pico de consumo
22,6 kWh/dia R$ 413,95
5 Contém
Carregamento do VE
durante a madrugada,
uso do conceito de V2G
no horário de pico de consumo
22,6 kWh/dia R$ 413,95
É observado que os valores dos cenários 4 e 5 continuaram os mesmo. Mesmo
injetando potência na rede no horário mais caro da TB. Isso ocorre pois no Brasil, a
compensação é feita em relação ao kWh gastos ou fornecidos, independentemente dos
valores da taxação [76]. Isso ocorre desde a resolução nº 482, de 2012 da ANEEL [76].
Portanto, mesmo injetando potência no horário mais caro e consumindo no mais barato,
os custos serão os mesmo.
Portanto é notável que com a adição de VE em conjunto do uso de serviço da
Tarifa Branca, temos uma redução de 17,21% se comprado o cenário 1 com o cenário 5,
para essa família de 4 pessoas. E não é somente tendo benefícios monetários para a conta
da família, como também a rede elétrica da concessionária, recebe um auxilio dos carros
elétricos nesse horário de grande consumo. Isso é excelente, pois assim a concessionaria
da região pode adiar futuras manutenções na rede de distribuição e até de transmissão,
postergando futuros aumentos do kWh cobrado de seus clientes finais. Portanto, esse é um
dos exemplos de bom uso dos veículos elétricos, beneficiando a rede elétrica e auxiliando
as concessionarias no horário de grande demanda energética, além de uma redução na
conta do consumidor final.
69
5 Conclusão
Devido a incentivos ambientais e econômicos, o uso de veículos elétricos (VEs)
tem crescido em todo o mundo. Além disso, veículos elétricos são mais eficientes que os
carros a combustão e estão cada vez mais presentes em nosso cotidiano. Com o avanço de
tecnologias, esses veículos podem atuar tanto como fonte de carga (G2V), quanto fonte de
energia (V2G). Portanto, com a inserção de carros elétricos na rede elétrica brasileira, é
necessário estudos e planejamento para que o sistema não fique sobrecarregado e que não
ocorram efeitos indesejados, como apagões e falhas na rede elétrica.
Este trabalho teve como propósito, apresentar soluções para a entrada da grande
carga provinda do carregamento de veículos elétricos. Portanto, para que a inserção destes
veículos não seja realizada de forma desorganizada e seja feita com planejamento, foi então
elaborado simulações com cenários diversos, a fim de buscar maneiras de reduzir impactos
ao sistema de distribuição. A realização de simulações neste trabalho foi feita usando o
software OpenDSS, direcionado ao sistemas de distribuição, sendo selecionado o modo
Daily voltado ao fluxo de potência. Portanto, foi possível realizar comparações entre um
caso base, no qual seria o cenário atual do sistema elétrico do alimentador, com caso 1 e 2,
em que foi adicionada uma frota de 132 VEs.
Observa-se que entre os resultados principais, destaca-se que o cenário mais eficiente
foi o do Caso Dois. Neste caso, os VEs seriam carregados das 00h até 06h e servindo como
fonte de potência das 17h até 22h, por apresentar menores perdas. Isso, comparando-se com
o caso 1, em que os VEs seriam carregados das 17h às 22h. Essa atenuação ocorre uma vez
que se injeta potência no sistema no intervalo que ocorre maior demanda, fazendo com que
não haja necessidade de exigir um esforço maior do alimentador. Apesar da grande carga
adicionada ao sistema, não haveria necessidade de grandes mudanças na infraestrutura
da distribuição, transmissão e geração. Pois esta carga seria melhor distribuída durante o
dia, se tornando viável e contribuindo para a rede elétrica não sofrer apagões e queda de
energia em horário de grande consumo.
Além disto, é importante que o cliente da concessionaria de energia tenha um
carro e carregador veicular compatível com tecnologia V2G. Por fim, ao ser adicionado
no programa de tarifação branca, estes conjuntos de fatores fazem com que tanto a
concessionaria tenha benefícios, quanto o usuário tenha incentivos econômicos ao adotar o
sistema V2G em sua casa.
Capítulo 5. Conclusão 70
5.1 Trabalhos Futuros
A partir dos estudos realizados nesse projeto, temas para trabalhos futuros podem
surgir. Com isso serão sugeridos trabalhos que podem ser realizados, que podem ser feitos
a partir do tema de Veículos elétricos e sua interação com a rede elétrica, apresentado a
seguir:
• Estudo utilizando o software OpenDSS para simular os modos de operação V2G
e G2V com os mesmos parâmetros dos transformadores, das linhas e das cargas
da rede de distribuição deste trabalho, porém alterando a porcentagem de carros
elétricos disponíveis na região, onde passariam de 5% para 10%, 25%, 50% e 100%.
• Estudo da utilização de um sistema Vehicle to Home, separado da rede elétrica em
conjunto com sistemas de energia renovável e realizar comparações da viabilidade
técnica e econômica, com um conjunto V2G.
• Estudo da inserção de carregadores de VEs instalados no campus do ICEA (Instituto
de Ciências Exatas Aplicadas), realizando a interação de uma frota de VEs, com
fontes renováveis de energia, em que os VEs atuariam como armazenadores de
energia durante os períodos de pico de geração de energia das fontes renováveis,
disponibilizando essa energia nos horários de pico de demanda.
• Estudos de qualidade de tensão de um banco de bateria veiculares. Seriam realizados
estudos para verificar durante um período de tempo, após realizar a carga e descarga
das baterias diariamente, a tensão sobre cada bateria do banco. Desta maneira, seria
possível saber se as baterias se mantêm com a mesma tensão ao longo da sua vida
útil, para serem utilizadas em sistemas V2G ou V2H;
71
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[52] Clean Technica. Wallbox Brings V2G To The UKWith The Launch Of The Bidi-
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[53] Drive Electric Colorado. What is Bidirectional Charging or “V2G” Technology?.
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[54] Rocha, Celso; Radatz, Paulo. Algoritmo de Fluxo de Potência do OpenDSS. 4 de
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[55] GIACOMIM, Ítalo Girardelli. Caracterização de harmônicas em equipamentos
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Capítulo 6. Referências 76
[60] Associação Nacional dos Denatran. Brasil já tem 1 carro a cada 4 habitantes,
diz Denatran. Disponível em: <http://www.and.org.br/brasil-ja-tem-1-carro-a-cada-4 -
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7%2C4%20habitantes%20por%20carro>
[61] ASSOBRAV. Na onda do carro elétrico, Brasil deve surfar com 5% da frota em
2030. Disponível em: <https://www.assobrav.com.br/carros-eletricos/na-onda-do-carro-
eletrico-brasil-deve-surfar-com-5-da-frota-em-2030/>
[62] Batista, Maria Rita. Oliveira, Marcelo Escobar de. INSERÇÃO DE VEÍCULOS
ELÉTRICOS EM UM SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.
CPITT, v.2, n.2, dez. 2020. <https://doi.org/10.21166/cpitt.v2i2.2026>.
[63] MOSQUET, Xavier; DINGER, Andreas; XU, Gang; ANDERSEN, Michelle;
TOMINAGA, Kazutoshi; ZABLIT, Hadi. The Electric Car Tipping Point. 11 jan. 2018.
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[64] CEMIG. MAS AFINAL, O QUE SÃO AS TARIFAS HORO-SAZONAIS?
Disponível em: <https://www.cemig.com.br/usina-do-conhecimento/mas-afinal-o-que-sao-
as-tarifas-horo-sanzonais/>
[65] CEMIG. Nossos Negócios – Comercialização. Disponível em: <https://www.ce
mig.com.br/quem-somos/#: :text=A%20Cemig%20%C3 %A9%20a%20maior,tamb%C3%A
9m%20sobre%20as%20energias%20renov%C3%A1veis>
[66] CEMIG. VALORES DE TARIFAS E SERVIÇOS. Disponivel em: <https://www
.cemig.com.br/atendimento/valores-de-tarifas-e-servicos/#: :text=Tamb%C3 %A9m%20co
nhecido%20como%20hor%C3%A1rio%20de,2>
[67] WGSOM. A tarifa da CEMIG – Tudo que você precisa saber sobre sua conta
de luz. Betin-MG. Disponível em: <https://wgsol.com.br/a-tarifa-da-cemig/>
[68] Topcharger. Will V2G take off in 2022? Investment is likely. Disponível em:
<https://topcharger.co.uk/will-v2g-take-off-in-2022/>
[69] Wallbox. Quasar. Disponível em: <https://wallbox.com/en_catalog/quasar-
dc-charger>
[70] Manual do Proprietário Nissan LEAF. Disponível em: <https://www.nissan.com
.br/content/dam/Nissan/br/manuais/LEAF/2021/MP%20LEAF%20WEB%20retrato%20
12-3-21%20(1).pdf>
[71] NEOCHARGE. TIPOS DE CARREGADORES PARA VEÍCULOS ELÉ-
TRICOS. Disponível em: <https://www.neocharge.com.br/tudo-sobre/carregador-carro-
eletrico/tipo-carregador-ve>
Capítulo 6. Referências 77
[72] WEG. Transformador Óleo 30.0kVA 13.8/0.22kV CST ONAN. Disponível em:
<https://www.weg.net/catalog/weg/BR/pt/Gera%C3%A7%C3%A3o%2C-Transmiss%C3%
A3o-e-Distribui%C3%A7%C3%A3o/Transformadores-e-Reatores-a-%C3%93leo/Transforma
dores-de-Distribui%C3%A%C3%A3o-a-%C3%93 leo/30-a-300-kVA/Transformador-%C3%93
leo-30-0kVA-13-8-0-22kV-CST-ONAN/p/14537454>
[73] Conduspar. Cabo de Alumínio CA. Disponivel em: <https://conduspar.com.br
/produtos/cabos-nus/cabo-de-aluminio-ca/>
[74] GOV. Famílias e Filhos no Brasil. Disponível em: <https://www.gov.br/mdh/pt-
br/navegue-por-temas/observatorio-nacional-da-familia/fatos-e-numeros/familias-e-filhos-
no-brasil.pdf>
[75] CEMIG. VALORES DE TARIFAS E SERVIÇOS. Disponível em: <https://www.
cemig.com.br/atendimento/valores-de-tarifas-e-servicos/>
[76] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. RESOLUÇÃO
NORMATIVA Nº 482, DE 17 DE ABRIL DE 2012. Disponível em: <https://www2.aneel.gov.
br/cedoc/ren2012482.pdf>
78
7 Anexos
7.1 Anexo 1 - Arquivo de Linhas do Sistema
Acesso ao link: Arquivo de Linhas do Sistema
7.2 Anexo 2 - Dados dos Transformadores
Acesso ao link: Dados dos Transformadores
7.3 Anexo 3 - Declaração das Cargas
Acesso ao link: Declaração das Cargas
7.4 Anexo 4 - Gráfico de Demanda com Zoom
https://github.com/joaolotjr/TCC-EE-Joao-Carlos-Lot-JR/blob/main/Caso%200%20-%20Base/linhasdistribuicao.dss
https://github.com/joaolotjr/TCC-EE-Joao-Carlos-Lot-JR/blob/main/Caso%200%20-%20Base/transformadores26.dss
https://github.com/joaolotjr/TCC-EE-Joao-Carlos-Lot-JR/blob/main/Caso%200%20-%20Base/cargaslv.dss
	Análise dos Veículos Elétricos Integrados à Rede de Distribuição de Energia
	Folha de rosto
	4f7d3838cc68e43f58278ad30cb50441362fc9f9036a8aa54d666c7aa0abde87.pdf
	d5e54b5487c068f8dd4dbaba2701f89472fbd77bf0fb27131d298bdbad37143c.pdf
	Análise dos Veículos Elétricos Integrados à Rede de Distribuição de Energia
	Resumo
	Abstract
	Lista de ilustrações
	Lista de tabelas
	Lista de quadros
	Lista de abreviaturas e siglas
	Sumário
	Introdução
	Contextualização
	Motivação
	Objetivos
	Geral
	Específicos
	Fundamentação Teórica
	Tipos De Veículos Elétricos
	Veículos Elétricos Híbridos (HEV’s)
	Veículo Elétrico Hibrido plug-in (PHEV)
	Veículos Elétricos a Bateria (BEV)
	Veículos Elétricos a Célula de Combustível (FCEV)
	Baterias de Veículos Elétricos
	Bateria de Íon de Lítio - Li-íon
	Bateria de Hidreto Metálico de Níquel - NiMH
	Bateria de Chumbo-Ácido
	Bateria de Cloreto de Sódio – Níquel
	Supercapacitores
	Segurança, Altos Preços e Vida Útil de Baterias de VEs
	Tipo de Carregamentos de Veículos elétricos
	Sistema Elétrico Brasileiro
	Curva de Carga
	Horário de Pico de Consumo
	Tarifa Branca
	Fator de Potência em Regime de Baixa Carga
	Interações de VEs com a Rede Elétrica
	Grid to Vehicle 
	Vehicle to Grid 
	Vehicle to Home 
	Desenvolvimento
	Conceituação 
	Escolha de Carregador e Carro Elétrico
	Apresentação do Sistema Simulado
	Configuração e Inserção de dados OpenDSS
	Apresentação do Caso Base
	Apresentação do Caso 1: VE com Carregamento no Horário de Pico
	Apresentação do Caso 2: VE com Carregamento fora do Horário de Pico
	Resultados
	Estudos dos CasosCaso Base: Sistema sem Veículos Elétricos
	Caso 1
	Caso 2
	Tarifa Branca
	Tarifa Branca: Custos de carregamento de um VE
	Tarifa Branca: Redução da Conta de Energia com VE
	Cenário 1
	Cenário 2
	Cenário 3
	Cenário 4
	Cenário 5
	Conclusão
	Trabalhos Futuros
	Referências
	Anexos
	Anexo 1 - Arquivo de Linhas do Sistema
	Anexo 2 - Dados dos Transformadores
	Anexo 3 - Declaração das Cargas
	Anexo 4 - Gráfico de Demanda com Zoom