INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO

MICHEL KONESKI

SISTEMA DE PR-PAGAMENTO DE ENERGIA PARA RECARGA DE VECULOS ELTRICOS UTILIZANDO CARTO SEM CONTATO

Curitiba 2012

MICHEL KONESKI

SISTEMA DE PR-PAGAMENTO DE ENERGIA PARA RECARGA DE VECULOS ELTRICOS UTILIZANDO CARTO SEM CONTATO

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Desenvolvimento de Tecnologia, rea de Concentrao Sistemas Energticos Convencionais e Alternativos, do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, em parceria com o Instituto de Engenharia do Paran, como parte das exigncias para a obteno do grau de Mestre em Desenvolvimento de Tecnologia.

Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Jardim Riella

Curitiba 2012

Koneski, Michel Sistema de pr-pagamento de energia para recarga de veculos eltricos utilizando carto sem contato / Michel Koneski. - Curitiba, 2012. 107 f.

Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Jardim Riella Dissertao (Mestrado) Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - LACTEC, Programa de Ps-Graduao em Desenvolvimento de Tecnologia.

1. Carro eltrico 2. Venda automtica de energia I. Riella, Rodrigo Jardim Marques II. Ttulo. III. Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - LACTEC.

CDD 621.33

m Desenvolvimento de Tecnologia no Instituto de Tecnologia para o

A mente que se abre a uma ideia, jamais voltar ao seu tamanho original.

Albert Einstein

RESUMO

Com o incio da produo em larga escala de veculos eltricos e hbridos plug-in, necessrio pensar em criar sistemas para recarga dos seus acumuladores, bem como faturar esta energia de forma autnoma, utilizando-se da medio eletrnica para o gerenciando desta automao. Este trabalho relata o desenvolvimento de um equipamento capaz de realizar o fornecimento e o faturamento desta energia eltrica de forma autnoma, utilizando-se carto sem contato como forma de acionamento e controle do equipamento. O estudo realizado sobre a aplicao desta tecnologia levou ao desenvolvimento de um equipamento dedicado para a recarga da bateria de veculos eltricos e hbridos plug-in. Nesta dissertao apresentado o histrico e as experincias do uso do pr-pagamento de energia eltrica, bem como mostrada sua viabilidade tcnica e facilidade de utilizao, onde se est visando as redes eltricas inteligentes e sistemas sustentveis. O resultado esperado foi atingido quanto utilizao da tecnologia de cartes sem contato, onde a informao armazenada est segura no carto, que bastante robusto. Os testes indicaram que o mtodo utilizado de captar e contar os pulsos do medidor a fim de realizar o faturamento da energia consumida eficaz e muito precisa. A sinalizao sonora e as mensagens no display mostraram ser eficientes ao indicar o status do equipamento. Os testes realizados em laboratrio simulando procedimentos reais comprovaram a eficcia do equipamento desenvolvido, que possui um grande potencial de mercado, abrindo portas para novos nichos ainda no explorados.

Palavras-chave: Carto sem contato. Pr-pagamento. Estao de recarga. Veculo eltrico. Redes eltricas inteligentes.

ABSTRACT

With the onset of large-scale production of electric vehicles and plug-in hybrids, it is necessary to think about creating systems to recharge their batteries as well as to bill the power in an autonomous way, making use of electronic metering to manage the automation process. This work reports the development of a device capable of performing the delivery and billing of this power autonomously, using a contactless card as a way to drive and control the equipment. The study on the application of this technology led to the development of an equipment designed to recharge electric vehicles and plug-in hybrids. The current research work presents the history and the experience of using prepaid electricity and shows its feasibility and ease of use, aiming at smart grids and sustainable systems. The result achieved is satisfactory for the use of contactless card technology, where information is stored securely and the card is quite robust. The tests indicated that the method used to capture and count the pulses from the meter to perform the billing of energy consumption is efficient and very accurate. The sound signals and messages in the display effectively indicated the equipment status. Tests conducted in the laboratory simulating current procedures proved the effectiveness of the developed device, which has a great market potential, opening doors to new unexplored niches.

Key-words: Contactless card. Prepayment. Charging station. Electric vehicle. Smart grids.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - MEDIO E FATURAMENTO DE ENERGIA ELTRICA. .................... 21 FIGURA 2 - CONECTOR DE RECARGA RPIDA DA SAE INTERNATIONAL. ....... 38 FIGURA 3 - FORMATO DO BYTE PARA O MIFARE. .............................................. 42 FIGURA 4 - ORGANIZAO DA MEMRIA DO CARTO DE 1 KBYTE. ............... 43 FIGURA 5 - DIAGRAMA EM BLOCOS DOS CIRCUITOS. ....................................... 46 FIGURA 6 - DIAGRAMA EM BLOCOS DO SISTEMA. ............................................. 47 FIGURA 7 - CARTO MIFARE. ................................................................................ 47 FIGURA 8 - MICRO CONTROLADOR RENESAS R8C/1B. ..................................... 48 FIGURA 9 - ESQUEMA BSICO DA ANTENA. ........................................................ 49 FIGURA 10 - ESQUEMA MFRC531 E ANTENA. ...................................................... 50 FIGURA 11 - FONTE FLYBACK ISOLADA COM DOIS SECUNDRIOS................. 51 FIGURA 12 - ESQUEMA DO MAX232 ISOLADO COM ICOUPLER. ....................... 52 FIGURA 13 - CONTROLE DO REL E CONEXO DA SERIAL. ............................. 53 FIGURA 14 - FEEDBACK E DETECO DE PULSO DE ENERGIA. ...................... 54 FIGURA 15 - CONEXO DO DISPLAY, BUZZER E CIRCUITOS AUXILIARES. ..... 55 FIGURA 16 - ESQUEMTICO DAS CONEXES E PONTOS DE TESTE. .............. 56 FIGURA 17 - LAYOUT DA ANTENA, CIRCUITO DO DISPLAY E BUZZER............. 56 FIGURA 18 - FONTE, MICRO CONTROLADOR, MAX232 E CONEXES.............. 57 FIGURA 19 - DEMONSTRAO DO DISPLAY E SUAS MENSAGENS. ................. 58 FIGURA 20 - ESTAO DE CARREGAMENTO - TOTEM. ..................................... 59 FIGURA 21 - TOTEM CONSTRUIDO EM MADEIRA. .............................................. 59 FIGURA 22 - FLUXOGRAMA DO FIRMWARE. ........................................................ 62 FIGURA 23 - FLUXOGRAMA DO SOFTWARE. ....................................................... 73 FIGURA 24 - SOFTWARE DO SISTEMA - ABA DE VENDA DE CRDITOS. ......... 75 FIGURA 25 - SOFTWARE DO SISTEMA - ABA DE LEITURA DO LOG. ................. 75 FIGURA 26 - ESTAO DE RECARGA PARA VECULOS ELTRICOS ................ 79 FIGURA 27 - PROCEDIMENTO DE AUTO TESTE .................................................. 80 FIGURA 28 - SALDO E STATUS DA RECARGA ..................................................... 81 FIGURA 29 - COMISSIONANDO O VALOR DO kWh NO TOTEM ........................... 81 FIGURA 30 - UTILIZAO DO SISTEMA COM SALDO EM R$ .............................. 82 FIGURA 31 - UTILIZAO DO SISTEMA COM SALDO EM kWh ............................ 83

FIGURA 32 - IDENTIFICANDO CARTO ................................................................. 85 FIGURA 33 - ADICIONANDO CRDITO .................................................................. 85 FIGURA 34 - ADICIONANDO NOVO CRDITO ....................................................... 85 FIGURA 35 - UTILIZANDO OS CRDITOS .............................................................. 85 FIGURA 36 - ALTERANDO TIPO DE CARTO ........................................................ 86 FIGURA 37 - ATUALIZANDO SALDO ...................................................................... 86 FIGURA 38 - ATUALIZANDO VALOR DO kWh ........................................................ 86 FIGURA 39 - LENDO REGISTROS DO CARTO .................................................... 86 FIGURA 40 - LMPADA DE THOMAS EDISON. .................................................... 101 FIGURA 41 - MEDIDOR DE INDUO DE SHALLENBERGER. ........................... 102 FIGURA 42 - BOBINA EM QUADRATURA DE GALILEO FERRARIS. .................. 102

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - FUNCIONALIDADES DOS MEDIDORES ELETRNICOS. ................. 26 TABELA 2 - MEDIDORES PR-PAGOS INSTALADOS NO MUNDO. ..................... 30 TABELA 3 - FORMATO DO FRAME DE DADOS. .................................................... 67 TABELA 4 - CONEXO ENTRE R8C E MFRC. ........................................................ 67 TABELA 5 - TIPO DE OPERAO: LEITURA OU ESCRITA. .................................. 68 TABELA 6 - FUNCIONALIDADE DOS BITS DO REGISTRO COMMANDREG. ....... 68 TABELA 7 - COMANDOS ENTRE MFRC E CARTO MIFARE. .............................. 69 TABELA 8 - COMANDOS PARA CONFIGURAO DO MFRC531. ........................ 70 TABELA 9 - FUNES DESCRITAS NO CAPTULO DO FIRMWARE. .................. 74 TABELA 10 - DESCRIO DOS BYTES DE CONTROLE. ...................................... 76 TABELA 11 - SETOR 0 DO CARTO EXCLUSIVO PARA PARAMETRIZAO. .... 76 TABELA 12 - SETOR 1 EXCLUSIVO PARA CRDITO OU DINHEIRO. .................. 77 TABELA 13 - SETOR 2 EM DIANTE EXCLUSIVO PARA LOG. ............................... 77 TABELA 14 - LISTA DE MATERIAL DOS CIRCUITOS DA ANTENA. .................... 105 TABELA 15 - LISTA DE MATERIAL DOS CIRCUITOS DA CPU. ........................... 106 TABELA 16 - LISTA DE MATERIAL DA FONTE DE ALIMENTAO. ................... 107

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABINEE - Associao Brasileira da Indstria Eltrica e Eletrnica ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABRADE - Associao Brasileira de Distribuidores de Energia Eltrica ACEA - European Automobile Manufacturer`s Association ACK - ACKnowledgment AMC - American Motors Corporation ANEEL - Agncia Nacional de Energia Eltrica AP - Audincia Pblica ATM - Apreciao Tcnica de Modelo CEO - Chief Executive Officer CI - Circuito Integrado CMOS - Complementary Metal-oxide-semiconductor CRC - Cyclic Redundancy Check DEC - Igual ao DIC, mas para conjunto de consumidores DIC - Durao de Interrupo Curta por unidade consumidora DMCR - Demanda Mxima Corrigida Registrada DMIC - Durao Mxima de Interrupo Contnua por unidade consumidora DTR - Data Terminal Ready EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory EGT - Extra Guard Time EMC - Compatibilidade Eletromagntica ENQ - ENQuiry FCT - Functional Circuit Test FEC - Igual ao FIC, mas para conjunto de consumidores FIC - Frequncia de Interrupo Curtas por unidade consumidora FIFO - First In First Out FP - Fator de Potncia GM - General Motors GT - Grupo de Trabalho I/O - Input/Output

IC - Inter-Integrated Circuit ICT - In Circuit Test IEC - International Electrotechnical Commission INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia ISO - International Organization for Standardization LCD - Liquid Crystal Display LSB - Least Significant Bit LSSOP - Shrink Small Outline L-Leaded Package OOK - On/Off Keying Modulation PCBA - Printed Circuit Board Assembly PCI - Placa de Circuito Impresso PRODIST - Procedimentos de Distribuio R8C/1B - Part Number do micro controlador da Renesas RAM - Random Access Memory RF - Radio Frequncia ROM - Read-only memory RTM - Regulamento Tcnico Metrolgico RTS - Request To Send SAE - Society of Automobile Engineers SPI - Serial Peripheral Interface TC - Transformador de Corrente TTL - Transistor-Transistor Logic UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter UC - Unidade Consumidora UFER - Unidade de Faturamento de Energia Reativa

SUMRIO

1 INTRODUO ............................................................................................. 19 1.1 JUSTIFICATIVA............................................................................................ 20 1.2 OBJETIVOS ................................................................................................. 21 1.3 DESCRIO DO SISTEMA PROPOSTO .................................................... 21 1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAO ............................................................... 23 2 FUNDAMENTAO TERICA ................................................................... 25 2.1 MEDIDORES ELETRNICOS ..................................................................... 25 2.2 TARIFAO ................................................................................................. 28 2.3 EXPERINCIAS COM O PR-PAGAMENTO .............................................. 29 2.4 REGULAMENTAO, LEGISLAO E NORMAS ...................................... 31 2.5 VECULOS ELTRICOS .............................................................................. 35 2.6 A TECNOLOGIA MIFARE ............................................................................ 39 3 METODOLOGIA........................................................................................... 45 3.1 IMPLEMENTAO DO HARDWARE .......................................................... 46 3.1.1 MICROCONTROLADOR .............................................................................. 48 3.1.2 CONTROLADOR DA ANTENA .................................................................... 48 3.1.3 FONTE DE ALIMENTAO ......................................................................... 50 3.1.4 COMUNICAO SERIAL ............................................................................. 51 3.1.5 DETECO DO PULSO DE ENERGIA DO MEDIDOR ............................... 53 3.1.6 CONEXO COM DISPLAY, BUZZER E CIRCUITOS AUXILIARES ............ 54 3.1.7 CONECTORES E PONTOS DE TESTE ...................................................... 55 3.1.8 LAYOUT DAS PLACAS E MONTAGEM DOS CIRCUITOS ......................... 56 3.1.9 DISPLAY DE CRISTAL LQUIDO ................................................................. 57 3.1.10 ESTAO DE CARREGAMENTO ............................................................... 58 3.2 IMPLEMENTAO DO FIRMWARE ............................................................ 60 3.2.1 INICIALIZAO DO R8C/1B E MFRC531 ................................................... 62 3.2.2 SELEO DO CARTO .............................................................................. 63 3.2.3 AUTENTICAO .......................................................................................... 64 3.2.4 LEITURA E ESCRITA DE DADOS ............................................................... 65 3.2.5 TRANSFERNCIA DE DADOS .................................................................... 66 3.2.6 PROTOCOLO DE COMUNICAO ENTRE R8C E O MEDIDOR .............. 66

3.2.7 FORMATO DO PACOTE DE DADOS DO MEDIDOR .................................. 67 3.2.8 COMUNICAO ENTRE R8C E MFRC ...................................................... 67 3.2.9 FORMATO DO PACOTE DE DADOS SPI ................................................... 68 3.2.10 CONFIGURAO DOS REGISTROS .......................................................... 68 3.2.11 FUNCIONALIDADES DO FIRMWARE ......................................................... 70 3.3 IMPLEMENTAO DO SOFTWARE ........................................................... 71 3.3.1 SOFTWARE PARA VENDA DE CRDITOS E LEITURA LOG .................... 74 3.3.2 DEFINIO DA UTILIZAO DA MEMRIA DE CARTO ........................ 76 4 TESTES E RESULTADOS ........................................................................... 79 5 CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS ............................................... 87 REFERNCIAS ......................................................................................................... 91 ANEXO ................................................................................................................... 101 APNDICE A .......................................................................................................... 105

19

1 INTRODUO

Os carros eltricos so uma das grandes promessas do sculo XXI, por isso, desde j, deve-se investir em pesquisas sobre os veculos eltricos, ajudando a compreender a tecnologia e a aperfeio-la, de forma a antecipar a demanda do mercado, sendo este um instrumento estratgico para a melhoria da eficincia energtica, da preservao do meio ambiente, do transporte e do bem-estar da sociedade.

Com o desenvolvimento das tecnologias e o incio da produo em larga escala de veculos eltricos hbridos plug-in e puramente eltricos, deve-se pensar em criar postos para recarga dos seus acumuladores. Estes postos devem ter a capacidade de fornecer a energia necessria para alimentar os veculos e, alm disto, poder faturar esta energia de forma autnoma.

A medio eletrnica pode auxiliar gerenciando esta automao, onde a energia pode ser captada por painis solares instalados localmente e quando a capacidade dos painis for superada, ou no caso da ausncia de luz solar, o sistema pode utilizar a energia da rede eltrica convencional.

Para que o sistema possa ser autnomo, uma interface deve promover a coleta de crditos para validar o faturamento da energia atravs da utilizao de um carto de aproximao sem contato (contactless). Este carto dever conter crditos, de forma similar ao transporte pblico, que sero utilizados para o faturamento da energia utilizada na recarga dos acumuladores dos veculos eltricos.

O sistema de faturamento sem contato evita desgastes, pois no existe contato fsico entre o carto e o sistema leitor. uma tecnologia muito robusta, alm de ser muito confivel e de fcil acesso. O usurio poder verificar seu consumo de energia no apenas em quilowatt-hora, mas em moeda (R$) e em tempo real a sua utilizao.

20

1.1 JUSTIFICATIVA

A medio com o propsito de faturamento da energia foi iniciada com o medidor eletromecnico, que tem o seu funcionamento baseado no efeito Ferraris (FERRARIS, 1885), que o resultado da interao entre o disco rotativo de alumnio e o campo eletromagntico gerado pelas bobinas de potencial e corrente. Esta tecnologia chegou a um estgio onde no h como atender a novas funcionalidades exigidas pelo mercado.

Com o avano da tecnologia, cada vez mais se tem investido no desenvolvimento de medidores de energia eltrica eletrnicos, devido maior exatido obtida nas medies, capacidade de medir energia ativa, reativa, demanda mxima, fator de potncia, tenso e corrente, alm do uso de memria de massa para registro do consumo com informao de data e hora e sistemas anti-fraude. Um nico equipamento eletromecnico incapaz de realizar isoladamente tais medies.

Alm destas tarefas, tambm existe a possibilidade de integrao com outros sistemas, permitindo o desenvolvimento de medidores inteligentes e autnomos, nos quais possvel que o prprio medidor gerencie a carga, permitindo o fornecimento da energia, faturando e, se necessrio, procedendo desconexo da carga, seja por falta de pagamento ou por excesso de demanda no perodo.

Esta tendncia j mostrou que, em setores como telecomunicaes e distribuio de gua, existem experincias muito bem sucedidas na implantao de novas formas de pagamento, que geraram incremento dos negcios e melhor satisfao dos usurios. A partir dessas vantagens e observaes do mercado que est prestes a ser invadido por veculos hbridos plug-in e eltricos, existe a questo das perdas comerciais, onde se verifica que a adequao do sistema de cobrana da energia eltrica utilizando-se de cartes podem gerar nichos de mercado na incluso social e recuperao de mercado dos usurios de baixa renda (BARBIERI, 2011).

21

1.2 OBJETIVOS

O objetivo geral desenvolver um equipamento dedicado para a recarga dos acumuladores dos veculos eltricos ou hbridos plug-in, efetuar a medio da energia eltrica consumida durante o procedimento de recarga, bem como proceder seu respectivo faturamento de forma autnoma.

Os objetivos especficos so: Desenvolver um prottipo mecnico, que permita a conexo adequada e

segura com o cabo de recarga dos veculos eltricos ou hbridos plug-in, que so veculos que podem ser recarregados a partir da rede eltrica comum.

Desenvolver um conjunto de circuitos eletrnicos dedicados para o controle e operao equipamento.

Desenvolver o firmware para o controle e gerenciamento de todas as funcionalidades necessrias, permitindo que o equipamento opere de forma autnoma.

Desenvolver um software dedicado para a insero de crditos e leitura das operaes realizadas com o carto sem contato pr-pago.

1.3 DESCRIO DO SISTEMA PROPOSTO

Na FIGURA 1 pode-se ver o diagrama do sistema, que baseado nos componentes da NXP, o MFRC531.

FIGURA 1 - MEDIO E FATURAMENTO DE ENERGIA ELTRICA. FONTE: O autor (2012).

22

Para a comunicao entre o sistema e o usurio sero utilizados cartes de transferncia de dados com escrita/leitura sem contato (Proximity Chip Card). Cada equipamento contar com uma interface inteligente (Proximity Coupling Device) que far a leitura dos crditos com a finalidade receber uma quantidade limite de energia que poder ser utilizada durante o procedimento de recarga dos acumuladores dos veculos eltricos ou hbridos plug-in.

Com esta informao, o equipamento ira permitir o fornecimento da energia eltrica, que ser quantificada por um medidor de energia eltrica amplamente vendido no Brasil, que atende s normas ABNT e IEC. Este medidor tem a funo de medir o fluxo da energia com exatido.

O equipamento possuir um mecanismo de corte da energia, que ser ativado, sempre que o saldo disponvel se esgote, quando o fluxo de energia for interrompido pelo acumulador j estar completamente carregado, por uma desconexo da carga durante o procedimento de recarga ou por deteco de surto de corrente, caracterizando uma possvel fraude ou problema na utilizao do equipamento. Os crditos no utilizados sero devolvidos ao carto, para serem utilizados futuramente.

O sistema deve permitir incrementar o saldo atravs de uma operao de carregamento eletrnico do carto, utilizando uma interface com o computador que tem a capacidade de leitura/escrita do carto. Para o controle desta interface ser desenvolvido um software dedicado para esta finalidade. Este software tambm permitir consultar os crditos do carto atravs de uma operao de leitura do saldo do carto, alm de poder verificar os registros das utilizaes do carto pr-pago.

O sistema constitudo por quatro unidades de hardware, sendo: uma estrutura mecnica adequada para a conexo segura com os veculos eltricos ou hbridos plug-in, um medidor eletrnico de energia eltrica, uma interface com o medidor para ler o carto e controlar a carga e uma interface com o computador, que permite inserir os crditos no carto. Alm disto, o sistema tambm contar com um software dedicado para a leitura e escrita no carto.

A comunicao entre o sistema e o usurio ser realizada utilizando-se carto de aproximao sem contato. O sistema ir armazenar o saldo disponvel e proceder a cobrana da energia eltrica consumida atuando sobre o valor do saldo disponvel no carto pr-pago.

23

1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAO

A organizao desta dissertao est estruturada em cinco captulos, alm das referncias, anexo e apndice.

O captulo 1 apresentado em cinco tpicos, contendo a introduo ao tema, a justificativa e os objetivos gerais e especficos, a descrio do sistema proposto alm desta descrio de estrutura.

No captulo 2 apresentada a fundamentao terica, os princpios bsicos da medio eletrnica de energia eltrica, fala-se sobre a evoluo dos carros eltricos, apresentam-se algumas normas atuais sobre a medio e padronizao de sistemas e conclui-se mostrando a tecnologia escolhida para o desenvolvimento deste projeto.

O captulo 3 apresenta toda a metodologia aplicada para desenvolver o projeto proposto, o desenvolvimento do diagrama eltrico, hardware, layout da PCI, firmware, software e a montagem mecnica da estao de recarga, o totem.

No captulo 4 so apresentados os testes executados para validar o conceito do projeto e so demonstrados os resultados atingidos com o desenvolvido do projeto proposto.

No captulo 5 tm-se as concluses obtidas atravs deste estudo e desenvolvimento deste projeto de pesquisa e apresentam-se algumas sugestes e recomendaes para estudos futuros, como melhorias identificadas para este projeto.

E por ltimo tem-se o anexo, com a histria do inicio da medio de energia eltrica e os documentos elaborados pelo autor, que esto dispostos no apndice.

24

25

2 FUNDAMENTAO TERICA

Neste captulo ser explicado o funcionamento bsico dos medidores eletrnicos e suas funes, mostrando como isto possibilita atuar em uma nova rea tecnolgica com a utilizao da telemetria para a realizao das leituras de consumo. Tambm ser apresentado o sistema tarifrio brasileiro e as caractersticas das unidades consumidoras, mostrando como isto favorece a utilizao da medio eletrnica e a utilizao de sistemas de pr-pagamento de energia eltrica com a utilizao dos cartes pr-pagos sem contato, com o intuito de faturar da energia utilizada no carregamento dos acumuladores dos veculos eltricos ou hbridos plug-in.

2.1 MEDIDORES ELETRNICOS

Os medidores eletrnicos realizam a leitura dos sinais eltricos atravs de amostragem em pequenos intervalos de tempo utilizando conversores analgicos para digital (A/D). A classe de exatido do equipamento determinada pela quantidade de bits nos conversores A/D e preciso de processamento, possibilitando a estes serem mais exatos do que os medidores eletromecnicos (DORNIJAN et. al, 1996; EL-SADEK, 2004).

Os medidores eletrnicos podem realizar simultaneamente vrias tarefas em um mesmo equipamento, sendo possvel medir tenso, corrente, energia ativa e reativa, demanda, calcular o fator de potncia e registrar o consumo em um perodo com informaes de data e hora (CANESIN et. al, 2008; SIQUEIRA, 2000; SISME, 2008).

O uso de medidores eletrnicos permite atuar em uma nova rea tecnolgica, incluindo leitura remota atravs de telemetria. Para realizar as leituras dos equipamentos, pode ser utilizado um sistema (camada fsica + lgica) de comunicao entre o medidor e um equipamento utilizado por um leiturista para armazenamento dos registros de leitura, ou atravs de sistemas de comunicao de

26

rede, enviando os dados diretamente para um banco de dados da concessionria (ANEEL, 2009a; LAMIN, 2009; SANTOS, 2011).

A utilizao da medio eletrnica tem ocorrido de forma gradativa no Brasil, devido principalmente ao alto custo dos equipamentos. As primeiras unidades consumidoras a receberem medio eletrnica foram do grupo A.

O sistema tarifrio brasileiro estruturado em dois grandes grupos de consumidores, grupo A e grupo B. A ANEEL define, por meio do mdulo 5 do procedimento de distribuio de energia eltrica PRODIST (ANEEL, 2005), que o grupo A composto por unidades consumidoras atendidos em tenso superior ou igual a 2,3 kV, ou ainda unidades consumidoras atendidas com tenso inferior a 2,3 kV a partir de sistema subterrneo de distribuio, caracterizado por estrutura de tarifao binmia (ANEEL, 2012a).

Unidades consumidoras nesta categoria devem ter aferidos os valores de demanda de potncia ativa, energia ativa, fator de potncia, consumo de energia eltrica e demanda reativa quando o fator de potncia (Fp) for inferior a 0,92, alm de possuir tarifa horo-sazonal (ANEEL, 2012a).

Estas caractersticas e o consumo elevado, tpico deste tipo de UC`s, tornam esses clientes favorveis para utilizao dos medidores eletrnicos. Estes medidores tm as suas principais funcionalidades apresentadas na TABELA 1.

TABELA 1 - FUNCIONALIDADES DOS MEDIDORES ELETRNICOS. Funcionalidades

Caractersticas

Classe de exatido (A, B, C e D) Sensibilidade a pequenas cargas (baixa corrente de partida) 5% da corrente nominal Perdas tcnicas (0,5W e 10VA por fase) Auto diagnstico

Faturamento

Energia Ativa (kWh) Energia Reativa (kVAr) Medio de energia nos quatro quadrantes Demanda mxima Ativa(kW) Demanda mxima Reativa (kVAr) Mtodos de registro da energia (Unidirecional, Bidirecional, Catraca)

Tarifao Tarifa Binominal Tarifa horria Pr-pagamento

continua

27

concluso Funcionalidades

Qualidade do servio

Durao das Interrupes Curtas (DIC) Frequncia das Interrupes Curtas (FIC) DIC para conjunto de consumidores

Qualidade do servio

Igual ao FIC mais para conjunto de consumidores Durao mxima da interrupo curta (DMIC) Unidade de Faturamento de Energia Reativa (UFER) Demanda Mxima Corrigida Registrada (DMCR)

Qualidade do produto

Registro do valor de tenso Registro do valor da frequncia Qualidade da energia

Anti-fraude

Deteco abertura de tampa Deteco de inclinao (Tilt) Deteco de energia reversa Deteco de inverso da sequncia das fases de potencial Deteco de inverso da sequncia das fases de corrente

FONTE: LANDIS + GYR (2012).

O grupo B composto por unidades consumidoras com tenso de fornecimento inferior a 2,3 kV, caracterizado pela estruturao tarifria monmia (ANEEL, 2012a).

As unidades consumidoras nesta categoria devem ter aferidos os valores de consumo de energia eltrica ativa, e quando aplicvel, o consumo de energia eltrica reativa excedente.

As empresas de gerao e distribuio ainda possuem incertezas quanto utilizao dos medidores eletrnicos, especialmente para cliente de baixa tenso (grupo B). Entre as principais dvidas esto a vantagem de implementao atual, uma vez que os medidores eletromecnicos instalados em UC`s do grupo B realizam as mesmas tarefas dos medidores eletrnicos.

A falta de informaes sobre a vida til, atualmente estimada em 15 anos, e a insegurana do comportamento em condies climticas adversas tambm so motivos para uma implantao lenta.

Em 17 de setembro de 2010, a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) realizou uma consulta pblica para estimular a discusso sobre a implantao de medio eletrnica em UC`s de baixa tenso (classe B) e os aspectos relacionados a este tipo de iniciativa, tais como, abordagem regulatria, impacto tarifrio, funcionalidades agregadas e planos de implantao (ANEEL, 2010a).

28

2.2 TARIFAO

Existem duas as modalidades tarifrias. Os consumidores do grupo A, que tem tarifa binmia, isto , so cobrados tanto pelo excedente da demanda quanto pela energia que consomem e consumidores do grupo B (baixa tenso), tm tarifa monmia, isto , so cobrados apenas pela energia que consomem. Estes consumidores podem enquadrar-se em uma de trs alternativas tarifrias:

Tarifao Convencional: um nico valor de demanda contratada pelo consumidor, independentemente da hora do dia (ponta ou fora de ponta) ou perodo do ano (seco ou mido) (ANEEL, 2005).

Tarifao horo-sazonal verde: Esta modalidade tarifria exige um contrato especfico com a concessionria no qual se pactua a demanda pretendida pelo consumidor independentemente da hora do dia (ponta ou fora de ponta). A conta de energia eltrica destes consumidores composta da soma de parcelas referentes ao consumo (na ponta e fora dela), demanda e ultrapassagem (ANEEL, 2005).

Tarifao horo-sazonal azul: (obrigatria para aqueles atendidos em tenso igual ou superior a 69 kV). Essa modalidade tarifria exige um contrato especfico com a concessionria no qual se pactua tanto o valor da demanda pretendida pelo consumidor no horrio de ponta quanto o valor pretendido nas horas fora de ponta. permitido que sejam contratados valores diferentes para o perodo seco e para o perodo mido (ANEEL, 2005).

Tarifa branca: Para os consumidores de baixa tenso, residenciais, comerciais, industriais e de reas rurais. Esta tarifa de energia ser de acordo com os horrios de consumo. De segunda a sexta feira, uma tarifa mais barata ser empregada na maioria das horas do dia, outra mais cara no horrio em que o consumo de energia atinge o pico mximo (incio da noite) e uma tarifa intermediria ser entre esses dois horrios. Nos finais de semana e feriados, a tarifa mais barata ser empregada para todas as horas do dia. A proposta da tarifa branca estimular o consumo em horrios em que a

tarifa mais barata, diminuindo o valor da fatura no fim do ms e a necessidade de

29

expanso da rede da distribuidora para atendimento do horrio de pico. A tarifa branca ser opcional, e caso o consumidor no pretenda modificar seus hbitos de consumo, a tarifa convencional continuar disponvel (ANEEL, 2011).

Horrio de Ponta: o perodo de (3) trs horas consecutivas exceto sbados, domingos e feriados nacionais, definido pela concessionria em funo das caractersticas de seu sistema eltrico. Em algumas modalidades tarifrias, neste horrio, a demanda e o consumo de energia eltrica tm preos mais elevados. O horrio fora de ponta corresponde s demais 21 horas do dia (ANEEL, 2001; ANEEL, 2012a).

Perodos: Para efeito de tarifao, o ano dividido em dois perodos, um perodo seco que compreende os meses de maio a novembro (7 meses) e um perodo mido, que compreende os meses de dezembro a abril (5 meses). Em algumas modalidades tarifrias, no perodo seco o consumo tem preos mais elevados (ANEEL, 2001; ANEEL, 2012a).

2.3 EXPERINCIAS COM O PR-PAGAMENTO

O pr-pagamento o sistema de medio e pagamento de fatura que permite o acesso ao fornecimento de energia eltrica com pagamento antecipado, similar aos servios de telefonia mvel pr-pago. Os sistemas podem utilizar um carto simples ou um cdigo eletrnico (senha), que so utilizados para faturar na unidade consumidora a energia eltrica.

Para viabilizar a funcionalidade do sistema, utilizam-se medidores eletrnicos, capazes de medir uma srie de grandezas eltricas totalizadas por perodos de tempo, registrar faltas de energia e realizar atividades automticas de desligamento e religamento de uma UC (CANAES, 2006; LEITE, 2011).

O pr-pagamento de energia eltrica comeou na Inglaterra, onde j existem na cerca de 5,9 milhes de medidores pr-pagos, sendo de usurios de energia eltrica e consumidores de gs. Em 1998, o governo britnico publicou um regulamento denominado A Fair Deal for Consumers (UK, 2001), normalizando a competio nos mercados de gs, eletricidade e o uso do sistema de pr-pagamento.

30

Na frica, sistemas de pr-pagamento foram instalados basicamente para eliminar a inadimplncia domstica. Particularmente na frica do Sul, o povo boicotou o pagamento de servios pblicos como instrumento de luta contra o sistema poltico apartheid (IBGE, 2012). Assim, empresas distribuidoras de energia eltrica implantaram o sistema de pr-pagamento de energia operando inicialmente com tokens criptografados. Outros sistemas tambm foram implantados como smart-cards e key-pads.

Na Amrica Latina, o pr-pagamento de energia eltrica realidade na Argentina, Bolvia, Colmbia, Peru e Venezuela. Em outros lugares do mundo este tipo de tecnologia est amplamente difundido. Na TABELA 2 tem-se uma relao dos principais pases que utilizam esta tecnologia.

TABELA 2 - MEDIDORES PR-PAGOS INSTALADOS NO MUNDO. Nmero de Membros %

China 7.000.000 35,74 Inglaterra 5.900.000 30,13 frica do Sul 4.050.000 20,68 Turquia 2.000.000 10,21 Estados Unidos 55.000 0,28 Blgica 50.000 0,26 Irlanda 24.000 0,12 Frana 25.000 0,13 Nambia 20.000 0,1 Tanznia 12.000 0,06 Austrlia 35.000 0,18 Nova Zelndia 50.000 0,26 Indonsia 23.000 0,12 Moambique 65.000 0,33 Singapura 10.000 0,05 Repblica Checa 2.500 0,01 Costa do Marfim 10.000 0,05 Kenya 3.360 0,02 Outros 250.000 1,28 Total mundial 19.584.860 100 FONTE: LEITE (2011).

No Brasil, esta modalidade de tarifao utilizada em telefones pblicos fichas e carto, telefonia mvel celular carto e crditos, transporte pblico fichas e carto.

Segundo pesquisas realizadas pelo governo federal no que se refere ao Programa Luz para Todos (MME, 2003), estima-se que cerca de 12 milhes de

31

brasileiros so privados do servio de eletricidade considerado essencial, sendo que 10 milhes dessa parcela esto no campo.

Por este motivo, na vila de So Tom, regio amaznica, optou-se pelo emprego do primeiro sistema de pagamento antecipado do servio de energia eltrica, onde abre-se um novo horizonte para os problemas com a inadimplncia, o corte e o religamento.

2.4 REGULAMENTAO, LEGISLAO E NORMAS

No Brasil, ainda no h regulamentao ou legislao especfica para o sistema de pr-pagamento de energia eltrica. O que existe so definies bsicas para o atendimento mnimo populao e as normas ABNT para medidores eletrnicos, definidos nas NBR 14519 522.

A lei federal 7.783/89 define os servios essenciais (fornecimento de gua, energia eltrica, gs, transporte coletivo e outros...) (BRASIL, 1989).

A lei federal 8.078/90 (Cdigo de Defesa do Consumidor) Art. 22: ... os servios essenciais devem ser fornecidos de forma eficiente, segura e ininterrupta (BRASIL, 1990).

A ANEEL atravs da resoluo 414 de setembro de 2010 estabelece as condies gerais de fornecimento de energia eltrica de forma atualizada e consolidada (ANEEL, 2010b).

NBR 14519:2011 - Especifica os requisitos aplicveis a medidores eletrnicos, monofsicos e polifsicos de ndices de classe A, B, C e D, para a medio de energia eltrica em corrente alternada fechados em um mesmo invlucro (ABNT, 2011a).

NBR 14520:2011 - Especifica mtodos de ensaio para medidores eletrnicos monofsicos e polifsicos de ndices de classes A, B, C e D para medio de energia eltrica, especificados na NBR 14519 (ABNT, 2011b).

NBR 14521:2011 - Especifica os requisitos para a aceitao de lotes de medidores eletrnicos de energia eltrica, monofsicos e polifsicos de

32

ndices de classe A, B, C e D. Esta Norma aplicada a medidores novos e a medidores reparados (ABNT, 2011c).

NBR 14522:2008 - Define o padro de intercmbio de informaes no sistema de medio de energia eltrica, de forma a se alcanar a compatibilidade entre os sistemas e equipamentos de medio de energia de diferentes fabricantes (ABNT, 2008).

Nos principais pases onde o pr-pagamento utilizado, existe regulamentao especfica, onde as principais normas internacionais esto definidas pela International Electrotechinical Commission (IEC). A IEC 62055-21 trata sobre pr-pagamento de energia eltrica.

IEC 62052-11 Electricity metering equipment (a.c.) - General requirements, tests and test conditions - Part 11: Metering equipment (IEC, 2003a).

IEC 62053-21 Electricity metering equipment (a.c.) - Particular requirements - Part 21: Static meters for active energy (classes 1 and 2) (IEC, 2003b).

IEC 62053-22 Electricity metering equipment (a.c.) - Particular Requirements - Part 22: Static meters for active energy (classes 0,2 and 0,5) (IEC, 2003c).

IEC 62053-23 Electricity metering equipment (a.c.) - Particular requirements - Part 23: Static meters for reactive energy (classes 2 and 3) (IEC, 2003d).

IEC 62059-31 Electricity metering equipment - Dependability - Part 31-1: Accelerated reliability testing - Elevated temperature and humidity (IEC, 2008).

IEC 62059-41 Electricity metering equipment - Dependability - Part 41: Reliability prediction (IEC, 2006).

IEC 62055-21 Electricity metering - Payment systems - Part 21: Framework for standardization (IEC, 2005).

No Brasil, o INMETRO estabelece exigncias legais atravs do Regulamento Tcnico Metrolgico (RTM), exercendo superviso e avaliando a conformidade, atravs da apreciao tcnica de modelo (ATM). Para isto, so publicadas normas que estabelecem os critrios mnimos que os equipamentos devem atender.

A portaria INMETRO n. 431, de 04 de dezembro de 2007, estabelece condies mnimas a serem observadas na apreciao tcnica de modelo, no exame

33

da conformidade ao modelo aprovado, na verificao inicial, na verificao aps reparos e na verificao por solicitao do usurio/proprietrio, em medidores eletrnicos de energia eltrica ativa e/ou reativa, monofsicos e polifsicos, inclusive os recondicionados (INMETRO, 2007b).

A portaria INMETRO n. 245, de 17 de julho de 2008, lanou ensaios adicionais portaria 431 (INMETRO, 2008). Estes ensaios esto listados na tabela ATM etapa/ensaio (INMETRO, 2007a).

A portaria INMETRO n 309, de 27 de julho de 2011, uma proposta de RTM que estabelece exigncias adicionais aos requisitos estabelecidos no RTM de medidores eletrnicos de energia eltrica, publicado mediante a Portaria 431/2007, que devem ser observadas pelos medidores monofsicos e polifsicos usados em sistemas de pr-pagamento de energia eltrica ativa (INMETRO, 2011).

Para a elaborao do regulamento para pr-pagamento, a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), Associao Brasileira de Distribuidores de Energia Eltrica (Abrade) e a Associao Brasileira da Indstria Eltrica e Eletrnica (Abinee) solicitaram a elaborao de um RTM especfico para a medio pr-paga.

Em janeiro de 2010, a Abinee apresentou a primeira verso da minuta do RTM de pr-pagamento baseado no RTM de medidores eletrnicos. Em fevereiro de 2010 o INMETRO apresentou uma verso baseada na norma IEC 62055-31: Particular requirements, static payment meters for active energy, que j est estabelecida internacionalmente. Em fevereiro de 2010 foi aberto um grupo de trabalho (GT) com a participao da Abinee, Abrade, ANEEL e INMETRO a fim de discutirem as propostas da minuta apresentada. De maro a julho de 2010 aconteceram as reunies do GT. Quando se encerraram os trabalhos uma minuta foi consolidada, apenas faltando os requisitos de software. Em maio de 2011 os requisitos de software foram finalizados e em julho de 2011 o RTM de pr-pagamento foi colocado em consulta pblica (ANEEL, 2009a; SANTOS, 2011).

O medidor de pr-pagamento um medidor eletrnico com funes de pr-pagamento, que um regulamento complementar ao RTM de medidor eletrnico, onde so definidas funes de pr-pagamento bsicas e opcionais, utiliza-se o conceito token. As funes bsicas do medidor de pr-pagamento so:

Aceitar tokens;

Rejeitar tokens;

34

Executar o processo de contabilizao; Executar a funo de cobrana baseada no consumo de energia; Suspender e restabelecer o fornecimento de energia; No perder informao devido falta de alimentao.

Funes opcionais do medidor de pr-pagamento dependem da aplicao especfica e das necessidades da concessionria que usar o sistema pr-pagamento. O RTM tem definido as seguintes funcionalidades:

Funo de cobrana baseada no tempo; Crdito de emergncia; Perodos de no suspenso; Mltiplas tarifas; Dvida pr-acordada; Modo limite de carga; Crdito social (MME, 2003; SANTOS, 2011).

A ANEEL vem discutindo em conjunto com Abinee, Abrade e INMETRO como ser normatizada a medio eletrnica e o sistema de pr-pagamento a ser implantado no Brasil. Vrias audincias pblicas (AP) esto em andamento a fim de se estabelecer a regras Brasileiras.

o AP 043/2010 da ANEEL: Visa obter subsdios e informaes adicionais para estabelecimento de Resoluo Normativa acerca dos requisitos mnimos para os medidores eletrnicos em unidades consumidoras de baixa tenso (ANEEL, 2010c).

o AP 046/2010 da ANEEL: Visa obter subsdios para estabelecimento de Resoluo Normativa acerca da reviso 2010 dos Procedimentos de Distribuio PRODIST (ANEEL, 2010d).

o AP 048/2012 da ANEEL: Visa obter subsdios e informaes adicionais para a regulamentao das modalidades de pr-pagamento e ps-

35

pagamento eletrnico de energia eltrica, onde teve publicado em 19 de junho de 2012 a Nota Tcnica n 014/2012-SRC/ANE EL, que uma proposta de regulamento para as modalidades de pr-pagamento e ps-pagamento eletrnico de energia eltrica (ANEEL, 2012b).

o AP 115/2010 da ANEEL: Visa obter subsdios e informaes adicionais para a proposta de regulamentao que define o horizonte e as condies para o atendimento das solicitaes de ligao com obras com custo por unidade consumidora maior que trs vezes o custo unitrio do Programa Luz para Todos (ANEEL, 2010e).

o AP 120/2010 da ANEEL: Visa obter subsdios e informaes adicionais referentes alterao da estrutura tarifria aplicada ao setor de distribuio de energia eltrica no Brasil (ANEEL, 2010f).

Recentemente, foram colocados em vigor os Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no Sistema Eltrico Nacional PRODIST, que so documentos elaborados pela ANEEL que normatizam e padronizam as atividades tcnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuio de energia eltrica. O PRODIST contm oito mdulos, sendo que o mdulo cinco trata de sistemas de medio e o mdulo oito trata sobre a qualidade da energia eltrica (ANEEL, 2012c).

2.5 VECULOS ELTRICOS

Atualmente, a discusso sobre veculos acionados por motores eltricos destaque em todos os eventos do setor automotivo. O veculo eltrico aquele utiliza propulso por meio de motores acionados por energia eltrica e controlado por um sistema de controle de velocidade. Os veculos eltricos fazem parte do grupo dos veculos denominados por, zero emisso, pois no poluem emitindo gases nocivos para o ambiente e no emitem rudo considervel.

36

A histria dos veculos eltricos comeou atravs de iniciativas independentes em pases como Japo, Frana e Estados Unidos, partindo da indstria (STUSSI, 2011).

A evoluo dos veculos eltricos apresentada pela SAE International mostra os fatos histricos.

Em 1835 Thomas Davenport nos Estados Unidos recebeu o crdito pela construo da primeira locomotiva eltrica pequena.

Em 1859 o fsico francs Gaston Plant inventou a bateria recarregvel de chumbo-cido. E em 1881, seu compatriota Camille Faure melhorou a bateria para grande capacidade de fornecer corrente e inventou a bateria de chumbo-cido usada em automveis.

Em 1891 William Morrison de Des Moines construiu com sucesso o primeiro automvel eltrico nos Estados Unidos. Em 1897 os primeiros txis eltricos rodam nas ruas da cidade de Nova York. A Pope Manufacturing Company de Connecticut se tornou a primeira grande fabricante de automveis eltricos americana.

Acreditando que a eletricidade ser utilizada nos automveis no futuro, Thomas Alva Edison comeou em 1899 sua misso de criar uma bateria de longa durao para automveis comerciais. Apesar de sua pesquisa render algumas melhorias para o composto alcalino das baterias da poca, no atingiu a sua meta, abandonando sua busca aps uma dcada de atraso.

O automvel eltrico atingiu o seu auge em 1900. Mais de 4100 carros foram produzidos nos Estados Unidos, dos quais 40% eram movidos por eletricidade e 37% eram a vapor. Nos 23% restantes o motor era a alimentado a gasolina. A maioria desses veculos estava em Boston, Chicago e Nova York.

Em 1908 Henry Ford introduziu o modelo T a gasolina, o qual afetou profundamente o mercado automotivo dos americanos. Charles Kettering inventou o primeiro automvel com partida eltrica em 1912. A inveno de Kettering foi feita em automveis movidos a gasolina, que eram mais atraentes para os consumidores. A eliminao da partida a manivela finalmente ajudou a abrir caminho para o carro a gasolina.

Durante a dcada de 1920, o carro eltrico deixou de ser um produto comercialmente vivel. A queda do carro eltrico foi atribuda a uma srie de fatores, incluindo o desejo de veculos de maior alcance, o desejo de mais potncia e a disponibilidade de gasolina.

37

Em 1966 o congresso americano realizou os primeiros estudos recomendando o uso de veculos eltricos como forma de reduzir a poluio atmosfrica. Uma pesquisa realizada por Gallup indicou que cerca de 25% dos americanos estavam interessados em veculos eltricos. As preocupaes com a disparada dos preos do petrleo, culminando com o embargo do petrleo rabe em 1973 e um crescente movimento ambiental resultou em interesse renovado em carros eltricos entre consumidores e fabricantes.

Em 1974 a Vangard-Sebring CitiCar fez sua estreia durante o Simpsio de Veculos Eltricos em Washington, DC. O CitiCar tinha uma velocidade mxima de mais de 30 mph e uma autonomia de 40 milhas. Em 1975 o Servio Postal dos EUA comprou 350 jipes de entrega eltricos formando a AM General, uma diviso da AMC, para ser usado em um programa de teste.

O congresso americano aprovou em 1976 a Pesquisa do Veculo Eltrico e Hbrido, desenvolvimento e lei de demonstrao. O ato foi inteno de estimular o desenvolvimento de tecnologias melhoradas, incluindo baterias, motores e outros componentes eltricos hbridos.

Em 1988 Roger Smith CEO da GM concorda em financiar os esforos de pesquisa para construir um carro eltrico para o consumidor. Reuniu-se equipes da GM com a Califrnia`s AeroVironment (AV, 2012) para projetar o que seria o EV1. Em 1996 o EV1 lanado e de l para c foram criados inmeros carros eltricos, como o Toyota Prius em 1997 e muitos outros. Em 2008 a GM comeou a popularizar uma nova onda de carros eltricos com a fabricao do Volt (SAE INTERNATIONAL, 2012b).

Hoje em dia ouve-se muito falar em veculos hbridos, que utilizam energia eltrica gerada a bordo por um motor gerador acionado a gasolina. Estes carros aproveitam-se de tecnologias como o freio regenerativo, em que ao frear o motor eltrico convertido em um gerador, que fornece a resistncia mecnica para o veculo parar enquanto gera e armazena energia em suas baterias.

No caso do Brasil, a iniciativa est sendo liderada pela Itaipu com participao de algumas distribuidoras de energia, que apresentou o prottipo do Palio eltrico em junho de 2006. Desde ento, mantm parcerias para o desenvolvimento de veculos e equipamentos de energia limpa (ITAIPU, 2012).

O Fiat Palio eltrico um prottipo desenvolvido pela Itaipu Hidreltrica (ITAIPU, 2012) em parceria com a empresa sua KWO. movido exclusivamente

38

por um motor eltrico alimentado por uma bateria de nquel, localizada no fundo do porta-malas, que lhe proporciona uma autonomia de 150 km.

Em julho de 2009 a Fiat apresentou uma verso mais moderna do modelo, agora baseado no Palio Weekend. Este prottipo possui um motor com potncia mxima de 15 kW - 20 c.v., autonomia de 120 km e torque mximo de 50 Nm - 5,1 kgm. Suas baterias ficam sob o assoalho do porta-malas e so construdas para fornecer a mxima autonomia com o mnimo de volume. O problema que a recarga lenta, demorando oito horas em uma tomada trifsica de 220 V.

O modelo conta com um cmbio de trs posies: Drive (D), Neutro (N) e R (R). O console central ganhou um display para monitoramento do comportamento da bateria com informaes sobre carga, tenso, temperatura e corrente (LACTEC, 2012a).

Em 2010 comeou a circular no municpio de So Jos dos Pinhais no Paran, o primeiro txi eltrico do Brasil, utilizando o veculo eltrico do projeto que envolve estudos conjuntos da Copel, Itaipu Binacional e Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC, 2012b; TRIBUNA ON-LINE, 2010).

Visando um futuro prximo, as montadoras j estudam a padronizao da conexo para recarga rpida de veculos eltricos. Este sistema aumentar a flexibilidade de utilizao das infraestruturas de carregamento.

Um modelo de conector de recarga rpida foi criado pela SAE International (2012a) e submetido ACEA (2012), associao formada pelas montadoras europeias. O sistema de carregamento combinado integra fases alternadas e contnuas, para demandas de recarga domstica ou pblica. A recarga com o novo sistema pode ocorrer entre 15 e 20 minutos em condio ultra rpida, destinada a estaes pblicas. Na FIGURA 2 apresentado o conector desenvolvido para padronizao do sistema (AUTOMOTIVE BUSINESS, 2012).

FIGURA 2 - CONECTOR DE RECARGA RPIDA DA SAE INTERNATIONAL. FONTE: SAE (2012c).

39

Empresas como Chademo (2012), que uma associao que est propondo mundialmente um mtodo de carregamento rpido como um padro da indstria, Efacec (2012) e Elektromotive (2012) j dominam esta tecnologia e j definiram padres de conectores e equipamentos para recarga domstica e pblica, que atendem s normas internacionais como a IEC 61851-1:2010, que aplica-se ao carregador de veculos eltricos no padro AC das tenses de alimentao (conforme IEC 60038) at 1000 V e em CC tenses de at 1500 V (IEC, 2010).

A IEC 62196-1:2011, aplicvel aos plugues, tomadas, conectores, entradas e cabos para veculos eltricos (EV), para uso em sistemas de carregamento que incorporam meios de controle, com uma tenso nominal de operao no superior a 690 V em corrente alternada (50 Hz e 60 Hz) a uma corrente nominal no superior a 250 A, ou 1500 V em corrente contnua em uma corrente nominal no superior a 400 A (IEC, 2011a).

A IEC 62196-2:2011 se aplica aos plugues, tomadas, conectores de veculos e entradas de veculos com pinos de contato-tubos de configuraes padronizadas. Eles tm uma tenso de funcionamento nominal no superior a 500 Vac, 50 a 60 Hz e uma corrente nominal inferior ou igual a 63 A trifsica ou 70 A em uma nica fase, para utilizao em condutores de carga de veculos eltricos (IEC, 2011b).

Atualmente, toda grande indstria est pesquisando e desenvolvendo prottipos ou at mesmo produzindo em larga escala os veculos eltricos ou hbridos plug-in. Alguns poucos exemplos de soluo em transporte sustentvel a ELETRA (1999) produzindo transporte coletivo, a GM com o Volt (GM, 2011), a IVECO com o programa de desenvolvimento do Daily Eltrico (IVECO, 2009), a Mitsubishi lanou o iMiEV (MITSUBISHI, 2008), a Nissan com o Leaf (NISSAN, 2012), a Toyota com o seu PRIUS (TOYOTA, 1997) e tambm veculos conceito como POMPO (2011). Todas as atualidades sobre o assunto podem ser acompanhadas no site da Associao Brasileira do Veculo Eltrico (ABVE, 2012).

2.6 A TECNOLOGIA MIFARE

Mifare umas das principais interfaces de comunicao sem contato baseada no padro ISO/IEC 14443A. Esta norma est definida em quatro partes,

40

sendo que a primeira parte trata sobre as caractersticas fsicas (ISO/IEC, 2008a), a segunda parte trata sobre os sinais e a interface de rdio frequncia (ISO/IEC, 2010), a terceira parte trata sobre a inicializao e o sistema de anti-coliso de dados (ISO/IEC, 2011) e a quarta e ltima parte trata sobre o protocolo de transmisso (ISO/IEC, 2008b).

A patente desta tecnologia pertence NXP Semiconductors. O leitor de cartes Mifare utiliza um micro controlador e uma antena que opera na faixa de 13,56 MHz. A distncia para comunicao depende da intensidade do campo eletromagntico gerado e esta depende do tamanho da antena. A velocidade de comunicao vai de 106 Kbits/s a 848 Kbits/s. Cada Mifare possui um nmero serial nico que no pode ser alterado.

Existem vrios padres de carto que esto disponveis no mercado, sendo que cada um dos modelos tem caractersticas distintas. So eles:

Mifare Ultra Light

Velocidade da transferncia de dados: 106 Kbits/s. Tempo de troca de dados entre o carto e o leitor em aplicaes

referentes a identificao: Menor do que 35 ms. Nmero serial de 7 bytes. O carto utiliza o CI MF0 IC U1 que possui 512 bits de EEPROM,

uma interface RF e uma unidade de controle digital.

Mifare Classic ou Standard

Esse modelo possui duas verses de carto: de 1 Kbyte e de 4 Kbyte. Suas caractersticas so:

Velocidade da transferncia de dados: 106 Kbits/s. Tempo de troca de dados entre o carto e o leitor em aplicaes

referentes a identificao: Menor do que 100 ms. Nmero serial de 4 bytes. O carto de 1K utiliza o CI MF1 IC S50, que possui 1 Kbyte de

EEPROM enquanto o carto de 4K utiliza o CI MF1 IC S70 com 4

41

Kbyte, ambos com uma interface RF e uma unidade de controle digital.

Mifare DESfire

Velocidade da transferncia de dados: 106 Kbits/s, 212 Kbits/s, 424 Kbits/s.

Tempo de troca de dados entre o carto e o leitor em aplicaes referentes a identificao: Menor do que 100 ms.

Nmero serial de 7 bytes. O carto de DESfire utiliza o CI MF3 IC D40 que possui 4 Kbyte de

memria no voltil, uma interface RF e uma unidade de controle digital.

Mifare PRO X

A transmisso dos dados pode ser feita com ou sem contato. Velocidade da transferncia de dados: 106 Kbits/s, 212 Kbits/s,

424 Kbits/s. Nmero serial de 7 bytes. Tempo de troca de dados entre o carto e o leitor em aplicaes

referentes a identificao: Menor do que 100 ms. O carto PRO X utiliza o core do 80C51, possui 48 Kbyte de ROM,

8 Kbyte de EEPROM, 1.3 Kbyte de RAM, uma interface RF e uma unidade de controle digital.

A estrutura para recepo ou transmisso de dados utilizada somente um start bit no comeo de cada transferncia. Cada byte transferido com um bit de paridade no fim. O LSB do byte com o menor endereo do bloco selecionado transmitido primeiro. O tamanho mximo do pacote de transmisso de 163 bits divididos em: 1 start bit, 16 bytes de dados, 2 bytes de CRC, 1bit de paridade para cada byte.

O formato dos dados na comunicao entre o sistema e o carto modulado utilizando o padro Modified Miller Coding, (HOWELLS,1978 et, al.) onde a

42

comunicao entre o carto e o leitor utiliza modulao OOK (On/Off Keying Modulation) de 847,5 kHz, utilizando o padro Manchester Coding (HOKE, 1991). O campo de RF desligado por curtos perodos de tempo quando o leitor est transmitindo. O CI embutido no carto armazena energia atravs de capacitores internos para continuar sua funcionalidade enquanto o campo RF est desligado.

Cada dado deve ser separado do prximo por certo perodo, denominado extra guard time (EGT). Este EGT no deve exceder 19 s por dado transmitido pelo carto ou 57 s por dado transmitido pelo leitor. O tamanho do byte contado a partir da borda de decida do start bit at a borda de subida do stop bit. A FIGURA 3 demonstra o formato do byte.

FIGURA 3 - FORMATO DO BYTE PARA O MIFARE. FONTE: NXP (2011).

O princpio de comunicao entre o sistema e os cartes segue da seguinte forma. Os comandos so iniciados pelo leitor e controlados pela unidade de controle presente no CI que fica embutido no carto. Aps um power-on-reset do carto, quando este recebe um comando de solicitao comunicao enviado pelo leitor para todos os cartes presentes no raio de deteco da antena do sistema, o carto envia uma resposta ao pedido. O nmero de srie do carto lido e caso haja mais de um carto no permetro, o mesmo escolhe o primeiro carto lido e verifica se o carto est autenticado para iniciar a transao. Os cartes que no foram escolhidos voltam para o modo de stand-by e ficam aguardando um novo comando.

Aps a seleo e autenticao realizada, o leitor seleciona o setor de memria onde ir ler e/ou gravar dados. Para realizar o acesso ao setor escolhido, o CI do leitor MFRC531 ter que realizar outra rotina de segurana, conhecida como autenticao de trs passos.

O sistema escolhe a chave de acesso A ou B; O carto l a chave de acesso e as permisses do setor e envia

um nmero aleatrio como um desafio para o leitor (passo 1);

43

O sistema calcula a resposta a partir da chave de acesso. A resposta ao comando enviada junto com o nmero aleatrio gerado desta vez pelo leitor (passo 2);

O carto verifica a resposta do leitor e compara com o desafio gerado no passo 1. O carto calcula a resposta e a transmite para o sistema (passo 3);

O leitor compara a resposta enviada pelo carto com o desafio gerado no passo 2.

Aps o primeiro nmero aleatrio gerado, a comunicao entre o carto e o sistema passa a ser criptografada.

A memria EEPROM do carto de 1 Kbyte est organizada em 16 setores com 4 blocos de 16 bytes cada. O primeiro setor de dados corresponde aos dados do fabricante, sendo disponvel somente para leitura, aps ter sido programado pelo fabricante na produo.

A FIGURA 4 mostra a organizao dos 16 setores (0 a 15), tendo cada um 4 blocos (0 a 3) de 16 bytes (0 a 15). O ltimo bloco de cada setor reservado para trailer, sendo a rea que detm as chaves e informaes da condio de acesso ou configurao. Este bloco contm duas chaves secretas e 12 bits de acesso. Os bits de acesso indicam o que pode ser feito no setor, como leitura, escrita, incremento, transferncia. As chaves secretas so cdigos de segurana para o acesso ao bloco.

FIGURA 4 - ORGANIZAO DA MEMRIA DO CARTO DE 1 KBYTE. FONTE: NXP (2011).

44

A memria EEPROM do carto de 4 Kbyte est organizada em 32 setores (0 a 31) com 4 blocos (0 a 3) e 8 setores com 16 blocos (0 a 15). Cada bloco possui 16 bytes. O ltimo bloco de cada setor reservado para funo trailer.

Os tempos necessrios de leitura, escrita e deteco para uma transao tpica com o carto sem contato so os seguintes (NXP, 2011):

Procedimento de deteco e seleo do carto: 3 ms. Procedimento de autenticao do carto: 2 ms. Leitura de cada bloco de memria interno do carto: 2,5 ms. Escrita de cada bloco de memria interno do carto: 6,5 ms (NXP,

2011).

Conforme apresentado neste captulo, esto ocorrendo planejamentos sobre o futuro do sistema eltrico brasileiro, que est caminhando ao encontro das redes eltricas inteligentes, fazendo com que formas alternativas para o pagamento da energia eltrica sejam aceitas como inovao vinda do desenvolvimento tecnolgico. Foi mostrado que esta tendncia levou a escolha da tecnologia dos cartes sem contato para ser aplicado ao equipamento de recarga dos acumuladores dos veculos hbridos plug-in ou eltricos.

Para a utilizao da tecnologia escolhida, foi aplicada a metodologia descrita no captulo 3, que trata do desenvolvimento do hardware, firmware e software do equipamento.

45

3 METODOLOGIA

O sistema desenvolvido utiliza um microcontrolador para o gerenciamento das funcionalidades do projeto. Na FIGURA 5 pode-se ver o diagrama em blocos do sistema.

O medidor de energia utilizado o modelo E34A, fabricado pela Landis+Gyr. Este modelo foi escolhido por ser trifsico, o que permitir como implementao futura que a carga possa ser trifsica, e por possuir interface serial de comunicao, atravs da qual possvel enviar comandos para o medidor, a fim de executar alguma funcionalidade, como por exemplo, fazer o sincronismo com seu relgio interno.

Para o circuito de controle da carga, foi utilizado contator de 120 A capaz de interromper o fluxo da energia eltrica fornecida, desconectando a carga quando os crditos inseridos no sistema se extinguirem ou quando a carga do acumulador for finalizada. Este contator possui um circuito dedicado para o seu controle, bastando enviar-lhe um comando para que seja fechado ou aberto.

Para leitura do carto contactless, foi implementado o hardware proposto no application note da NXP (2006). Todos os circuitos de controle que comandam a antena foram colocados na mesma placa de circuito impresso do leitor. O leitor ser o responsvel por fazer a comunicao entre o carto sem contato e o medidor de energia eltrica.

O carto sem contato um carto similar ao utilizado no transporte pblico, que tem como finalidade transportar crditos, a fim de realizar o faturamento pela energia eltrica consumida. O leitor e o carto operam na frequncia de 13,56 MHz e sua velocidade de comunicao vai de 106 Kbits/s a 848 Kbits/s. Cada carto Mifare possui um nmero serial nico que no pode ser alterado em campo.

Para a alimentao de todo o sistema proposto, uma fonte de alimentao foi elaborada, que pode fornecer at 5 W de potncia, com tenso regulada em 5 V. Esta fonte monofsica e foi conectada entrada da fase A do medidor de energia. A fonte isolada e possui, no secundrio, duas sadas isoladas entre si. Uma delas foi utilizada para os circuitos do microcontrolador e display LCD e a outra foi utilizada para os circuitos da comunicao serial.

46

Quando o sistema est em operao, o microcontrolador gerencia o controlador da antena, comanda o contator para fechar, fornecendo energia carga, ou abre o contator, desligando a carga, realiza comunicao com o medidor e efetua a operao de faturamento, calculando o valor da energia consumida e debitando dos crditos recebidos atravs do carto pr-pago.

FIGURA 5 - DIAGRAMA EM BLOCOS DOS CIRCUITOS. FONTE: O autor (2012).

Para a interface com o computador, foi utilizado o leitor do kit de desenvolvimento Mifare da NXP, pois este poder ser qualquer outro leitor comercial utilizvel para esta tecnologia (NXP, 2007).

Para a insero de crditos no carto de pagamento Mifare, foi desenvolvido um aplicativo dedicado. Seu propsito selecionar um carto para transferncia de dados. Caso exista mais de um carto no raio de deteco, o sistema recusar a transao. Se o carto detectado for verificado com sucesso, ser possvel inserir crditos para o pagamento da energia eltrica e tambm consultar o saldo existente.

Com o hardware montado, foi realizada a inicializao do micro controlador, deteco do carto, autenticao, transferncia de dados de leitura e escrita. A partir desta etapa foi elaborado um protocolo de comunicao entre o medidor o leitor do carto de pr-pagamento Mifare.

3.1 IMPLEMENTAO DO HARDWARE

A FIGURA 6 mostra o diagrama em blocos de todo o sistema de pr-pagamento sem contato implementado. A fonte de alimentao fornece as tenses

47

de alimentao para o sistema a partir da rede eltrica. Esta fonte full range, podendo ser alimentada desde 80 V at 280 V entre fase e neutro. A interface serial tem a finalidade de permitir a comunicao entre o sistema e o medidor. O microcontrolador R8C/1B o componente responsvel pelo gerenciamento de todo o equipamento.

O controlador da antena (MFRC531) um dispositivo cuja funo ler ou escrever dados no carto Mifare quando este for detectado no raio de atuao da antena. O controlador R8C/1B envia os dados a serem gravados no carto para o MFRC531, que os transmite via antena para o carto Mifare. Da mesma forma, os dados lidos do carto Mifare pelo MFRC531 so repassados para o controlador.

O controlador usa a porta de comunicao serial UART0 para se comunicar com medidor. A comunicao entre o controlador e o MFRC531 feita atravs de uma interface SPI.

FIGURA 6 - DIAGRAMA EM BLOCOS DO SISTEMA. FONTE: O autor (2012).

Na FIGURA 7 tem-se o carto Mifare, que dispe internamente de uma antena, um CI de controle, memria EEPROM e um transmissor de radiofrequncia. A distncia para comunicao depende da intensidade do campo eletromagntico gerado pelo dispositivo leitor.

FIGURA 7 - CARTO MIFARE. FONTE: O autor (2012).

48

3.1.1 MICROCONTROLADOR

O microcontrolador utilizado para este projeto fabricado pela empresa Renesas, pertence ao grupo R8C/1B, de 8 bits e opera na frequncia mxima de 20 MHz. Possui 20 pinos em encapsulamento LSSOP.

Este microcontrolador possui 1 Mbyte de espao de endereamento, 16 Kbyte de memria ROM (rea de programa), 2 Kbyte de data flash, 1 Kbyte de memria RAM, possui timer com prescaler de 8 bits, dois canais (X e Z) e o timer C de 16 bits. Duas UART, IC, A/D de 10 bits, 13 portas I/O, 7 pinos de interrupo externa e opera em 3,3 V ou 5 V.

Na FIGURA 8 pode-se ver o R8C/1B com o esquemtico do cristal de 4 MHz e circuito de reset externo.

FIGURA 8 - MICRO CONTROLADOR RENESAS R8C/1B. FONTE: O autor (2012).

3.1.2 CONTROLADOR DA ANTENA

Um projeto de antena completo para comunicao sem fio inclui a bobina da antena, circuito de ressonncia, o acoplamento do circuito de antena, o circuito de recepo e o filtro de EMC (NXP, 2006).

Apesar de alguns dos blocos conterem apenas poucos componentes passivos, importante ter todos os blocos para garantir o bom funcionamento da antena. Sua funcionalidade total pode ser separada em trs funes bsicas:

VCC

VCC

P3_5/SSCK/SCL1P3_7/CNTR0/SS0/TXD12RESET3XOUT/P4_74VSS/AVSS5XIN/P4_66VCC/AVCC7MODE8P4_5/INT0/RXD19P1_7/CNTR00/INT1010 P1_6/CLK0/SSI01 11

P1_5/RXD0/CNTR01/INT11 12P1_4/TXD0 13

P1_3/KI3/AN11/TZOUT 14P4_2/VREF 16

P1_1/KI1/AN9/CMP0_1 17P1_0/KI0/AN8/CMP0_0 18P3_3/TCIN/INT3/SSI00 19

P3_4/SCS/SDA 20

P1_2/KI2/AN10 15

U2R8C/1B

X14Mhz

C822pF

C922pF

C6100nF R14K7

C7100nF

R210K

SSCKMISOMOSISCS

Rx uContTx uCont

EN

Mode

Reset

DB4DB5

DB6DB7

RETURNCLK

TP20

TP24

GNDGND

GND

S1

RESET C1210nF

Reset

GND

49

Transmisso de energia: O campo eletromagntico irradiado tem como parte de sua funo energizar o CI do carto Mifare.

Transmisso de dados: Tem que ser transmitido de tal forma que o carto seja capaz de receber e decodificar a comunicao.

Recepo de dados: A resposta do carto tem que ser captada e transmitida ao receptor onde a forma do sinal muito importante para a perfeita comunicao dos dados. Basicamente, o circuito completo da antena, que pode ser visto na FIGURA

9, onde a bobina de antena que tem que ser simtrica (lado A + lado B).

FIGURA 9 - ESQUEMA BSICO DA ANTENA. FONTE: NXP (2006).

O sistema Mifare opera em uma frequncia de 13,56 MHz. Esta frequncia gerada por um oscilador de quartzo de relgio. O filtro passa-baixa composto pelos componentes L0 e C0. Os valores recomendados so dados no AN da antena (NXP, 2006). Devido impedncia do filtro passa-baixa, a bobina da antena tem que ter sua impedncia casada com o filtro de EMC. Os valores dos componentes C1 e C2 tem que ser ajustados dependendo do desenho da bobina da antena. O fator de qualidade tem de ser considerado para garantir uma adequada comunicao ISO / IEC 14443A e ISO / IEC 14443B (NXP, 2006).

recomendado a utilizao do potencial gerado internamente como o potencial de entrada para pino RX. Este nvel de tenso DC Vmid tem de ser ligado ao pino RX usando resistor R2 para fornecer uma tenso de referncia estvel, o capacitor C4 deve ser ligado entre Vmid e no GND (NXP, 2006).

50

O divisor de tenso R1 e R2 + C3 tem de ser concebido levando em conta os limites de tenso no pino RX. Portanto, o modo recomendado para conceber o circuito receptor utilizar os valores indicados no AN para R1, R2 e C3 (NXP, 2006).

A bobina da antena recomendado projetar no formato circular ou retangular. Os valores da indutncia da antena, a resistncia, capacitncia em 13,56 MHz dependem de vrios parmetros (NXP, 2006), tais como: construo da antena (tipo de PCB), espessura do condutor, a distncia entre os enrolamentos, camada de blindagem e metal ou ferrite prximo do seu alcance.

O transmissor controla a potncia da antena de acordo com a proximidade do carto, operando at uma distncia de 100 mm sem a necessidade de circuito adicional de amplificao de sinal. A comunicao entre o MFRC e o microcontrolador realizada atravs da comunicao SPI. Na FIGURA 10 apresentado o esquema utilizado para o circuito da antena.

FIGURA 10 - ESQUEMA MFRC531 E ANTENA. FONTE: O autor (2012).

3.1.3 FONTE DE ALIMENTAO

Uma fonte de alimentao do tipo flyback foi elaborada para fornecer at 5 W de potncia com tenso regulada em 5 V para todo o sistema. Na entrada foi colocado um resistor de potncia em srie com um varistor, para proteger os circuitos contra surtos de tenso da rede eltrica da ordem de milhares de volts (descargas atmosfricas). O transformador de modo comum utilizado para

C96,8pF

C66,8pF

C10

47pF

C5

47pF

C1218pF

C418pF

C8220pF

C7220pF

C13100nF

C141nF

L1 560nH

R42k7

R71K

R1100K

C122pF

C222pF

X1

13.56MHz

VCC

R2 3,3R

R3 3,3RR

R

ANT1

ANTENA

C30.1uF

TP9TP11

OSCIN1IRQ2MFIN3MFOUT4TX15TVDD6TX27TVSS8NCS9NWR10NRD11DVSS12D013D114D215D316 D4 17

D5 18D6 19D7 20

ALE 21A0 22A1 23A2 24

DVDD 25AVDD 26

AUX 27AVSS 28

RX 29VMID 30

RSTPD 31OSCOUT 32

U1

MFRC531

SSCK

MISO

MOSISCS

VCC

C11100nF

TP24TP26

TP21TP23TP25TP27

TP6

TP22

TP15

TP3

TP20

TP4

TP14

TP19

TP5

TP16

TP1 TP2

TP7

TP29

TP28

L2 560nH

51

proteger o circuito contra RF conduzido. Foi implementado um retificador de onda completa com um filtro de sada de 10 F. Foi utilizado um transformador com duas sadas isoladas entre si no secundrio, a sada regulada pelo feedback utilizada para alimentar todo o hardware do sistema, micro controlador, antena (MFRC531) e circuitos auxiliares, a segunda sada exclusiva para a comunicao serial externa e circuito isolado de deteco do pulso de energia no medidor.

O chaveador utilizado o TNY277 da Power Integrations, que inclui um MOSFET de 700 V, oscilador de alta tenso ligado fonte de corrente, limite de corrente selecionvel pelo usurio, um circuito de desligamento trmico e utiliza o esquema on/off de controle. Na FIGURA 11 pode-se ver o esquema da fonte implementada.

FIGURA 11 - FONTE FLYBACK ISOLADA COM DOIS SECUNDRIOS. FONTE: O autor (2012).

3.1.4 COMUNICAO SERIAL

A comunicao serial utiliza um transmissor e receptor duplo, o MAX232, que um conversor de nvel, convertendo os sinais RX, TX, CTX e RTS que so tipicamente de 12 V do padro RS232, para os nveis 3,3 V ou 5 V TTL, que so nveis adequados a serem conectados em circuitos microprocessados.

A fim de isolar o circuito de comunicao foi utilizado um isolador digital de dois canais com a tecnologia iCoupler da Analog Devices. Este elemento combina

D4SIJ

CON1

CON2

F

N

T2

TRAFO MODO COMUM

VR1

S14K320

100nFC21

400V

4,7nF/630VC19

S8EN/UV 1

BP/M 2

D 4S5

S7S6

U6

TNY277-280

220K/1WR15

10uFC20

100nF/400VC22

100nFC29

450V

2.2nFC171kV

3kV

D11MBRS2040LT3G

D125V6 100nF

C281000uFC27

10uH

L2

470uFC26

59RR18

100RR19

VCC

5Vis

T1

Trans BB

D6MBRS2040LT3G

D75V6

GNDi

1000uFC16

10uH

L1

470uFC15

100nFC18

59RR17 GNDi GNDi GNDi

1nFC24

3kV

GNDi

TP55

TP62

TP56 TP57

TP63

TP69

TP51

TP58

TP65

GNDi

TP66 TP67

TP54

TP60

TP52

TP61

TP53

TP64

TP59

TP68

TP71

TP72

TP70

R16

10R

D5SIJ

D9SIJ

D10SIJ

D8RSIJ4,7nF/630V

C23

1nFC25

1

2

5

4

6

U7

4N25

GND GND GND

GND

GND

GND

GND

52

tecnologia CMOS de alta velocidade e um transformador, propiciando um excelente isolamento de at 2,5 kV com desempenho estvel. Opera com tenso de 3,3 V ou 5 V o que proporciona compatibilidade com sistemas de baixa tenso, tendo como vantagem em relao ao isolamento atravs de opto acopladores a sua taxa de transmisso elevada. Na FIGURA 12 est o esquema do MAX232 juntamente com o isolador iCoupler utilizado.

FIGURA 12 - ESQUEMA DO MAX232 ISOLADO COM ICOUPLER. FONTE: O autor (2012).

Na FIGURA 13 pode-se ver o esquema para o controle da comunicao. Foi colocado um conector DB9 fmea, onde possvel utilizar-se dos pinos 4 DTR e 7 - RTS para alimentar o lado que ser conectado para a comunicao com o medidor. Tem-se tambm um conector RJ12 compartilhando a mesma UART, onde o controle est sendo feito pelo rel k1. No DB9 pode-se conectar um PC e no RJ12 ser conectado ao medidor de energia.

Quando o contator de controle da carga estiver aberto, ou seja, sem estar realizando a recarga de um acumulador de veculo eltrico ou hibrido plu-in, o rel k1 est chaveado para comunicao atravs do DB9. Isto foi previsto para uma possvel implementao futura, tendo como possibilidade a comunicao remota com o sistema, onde neste momento no ser utilizado no projeto. Quando o processo de recarga de um acumulador estiver em execuo, o rel est chaveado para o RJ12, onde a comunicao se d apenas entre o sistema de pr-pagamento e o medidor de energia.

RX_EXT_0TX_EXT_0

5Vis

C2

100nF

C5

100nF

C3100nFC4100nF

C1100nF

VccC1+

C1-

C2+C2-

T1IN

R1OUT

GN

D

V+

V-

T1OUT

R1IN

T2OUTR2IN

T2INR2OUT

U1

MAX232

Tx uContRx uCont

GNDi 5VisC11100nF

C10100nF

VDD1VOAVIBGND1 GND2

VOBVIA

VDD2U3

ADUM3201GNDi

GNDi

VCC

GNDi

GNDi

TP2TP4

TP11TP10

TP5

TP14

R5 1K

R6 1K

R410K

R310K

VCC

TP35

TP38

TP21

TP26

GND

GND

53

FIGURA 13 - CONTROLE DO REL E CONEXO DA SERIAL. FONTE: O autor (2012).

3.1.5 DETECO DO PULSO DE ENERGIA DO MEDIDOR

Para o clculo da energia utilizada durante o processo de recarga dos acumuladores, foi utilizado o pulso emitido pelo led do medidor, pois este preciso e tambm utilizado pelo INMETRO para verificao da exatido do medidor. Foi elaborado um circuito para captar e tratar este sinal. O circuito foi isolado por um optoacoplador e possui uma chave de acionamento manual para testes de bancada, dispensando a necessidade de carga real para o acionamento do circuito, facilitando o desenvolvimento e os ensaios funcionais iniciais.

Por limitao da quantidade de I/Os no microcontrolador utilizado, foi desenvolvido um hardware que utiliza a mesma I/O para a leitura do pulso do medidor e deteco de retorno de potencial.

Conectado ao circuito de controle do contator existe um sistema de identificao de potencial na sada do contator, ento quanto o contator est aberto no existe potencial na sua sada. Quando o contator fechado, o potencial que est na sua entrada colocado na sada. O circuito de monitoramento identifica que surgiu potencial na sada do contator, ento acionado um sinal de feedback confirmando que o contator foi est fechado.

O feedback do retorno de potencial compartilha o mesmo hardware utilizado para a deteco do pulsos de energia do medidor. Este compartilhamento feito da seguinte forma.

Q3BC847

R11

10K R13100k

TP45

TP46

K1RelayD1

BAT54

RX_EX

T_0

TX_EX

T_0

RX_EX

T_2

TX_EX

T_2

TX_EX

T_1

RX_EX

T_1

W2

Jumper

W1

Jumper

TP40

SERIAL

VCC

GND

GND

16

.RX27

.TX38495

CN3

DB9F

D3

BAT54C

GNDi

TX_EXT_1

RX_EXT_1

5Vis

TP50TP49*

123456

CN2

RJ12 Femea

RX_EXT_2TX_EXT_2

GNDi

54

Quando o contator de controle da carga estiver aberto, o pino de feedback (RLY_FEED) est sempre em nvel lgico alto, mantendo o transistor Q2 saturado, onde a I/O que est conectada no RETURN sempre vai ler nvel lgico baixo. Nesta situao no existir pulso de energia do medidor, porque o contator est aberto, no permitindo qualquer fluxo de energia para a carga. Desta forma o controlador do sistema de realimentao sabe que o contator est garantidamente aberto.

Quando o contator estiver fechado, o pino RLY_FEED estar em nvel lgico baixo, desacionando o transistor Q2 e fazendo com que o pull-up R8 coloque o pino RETURN em nvel lgico alto, neste momento o micro controlador receber o feedback que o contator foi fechado. Ento, quando o led do medidor de energia emitir o pulso, este ir ser transferido pelo opto-acoplador que vai fazer saturar o seu transistor, onde o pino RETURN ir receber o sinal em nvel lgico baixo. contabilizando os pulsos para o clculo da energia fornecida para posterior faturamento.

Na FIGURA 14 pode-se ver o diagrama eltrico de hardware desenvolvido para o feedback do contator e a leitura dos pulsos de energia do medidor.

FIGURA 14 - FEEDBACK E DETECO DE PULSO DE ENERGIA. FONTE: O autor (2012).

3.1.6 CONEXO COM DISPLAY, BUZZER E CIRCUITOS AUXILIARES

Com a limitao das I/Os do micro controlador utilizado, que foi escolhido por causa da sua disponibilidade no momento do desenvolvimento do projeto, foi

C1310nF

5Vis

3

12

CN1PULSO MEDIDOR

GNDi GNDi

S2

TESTE

A

K

VCC

Q2BC847

R81K

VCC

R7220R

R12

220K

RLY

_FE

ED

R10100K

RETU

RN

Molex Macho1

2

5

4

6

U5

4N35

R141K

TP41

TP44

TP47

TP48

D2BAT54A

SERI

AL

C1410nF

TP43

GND GND

55

necessria a utilizao de um latch para compartilhar as I/Os existentes a fim de controlar algumas funcionalidades para a operao do sistema proposto. Este dispositivo ser responsvel por comandar um buzzer de sinalizao, a iluminao do display LCD, o contator de controle da carga e o pino de controle de dados/comando do display LCD.

Foi utilizado um display LCD de 16 colunas e 4 linhas com backlight, que foi configurado para ser controlado com apenas 4 I/Os do microcontrolador. O trimpot VR1 faz o controle do contraste, trimpot VR2 faz o controle da luminosidade do backlight do display. O transistor Q1 um driver controlado pelo microcontrolador atravs do latch que serve para ativar ou desativar a iluminao do display. O buzzer de sinalizao acionado pelo transistor Q2, o diodo D1 est polarizado como roda livre para proteo do transistor Q1, o trimpot RV3 faz o controle da potncia sonora do buzzer. Na FIGURA 15 apresentado o esquema das conexes do display, buzzer e circuitos auxiliares que compem este projeto.

FIGURA 15 - CONEXO DO DISPLAY, BUZZER E CIRCUITOS AUXILIARES. FONTE: O autor (2012).

3.1.7 CONECTORES E PONTOS DE TESTE

A interligao entre a PCI da antena e processamento realizada por cabo flat com conectores header 7x2. Todos os outros dipositivos externos so interligados atravs de conectores molex. A conexo para gravao do firmware CN6 tem como reserva tcnica acesso direto UART, para alguma eventualidade ou implementao futura. Todos os ns do circuito desenvolvido possuem pontos de

1 23 45 67 89 1011 1213 1415 16

CN1

Header 8X2

GND

VCC

10K

RV1

C/DEN

TP8 TP10TP12 TP13

DB4 DB5DB6 DB7

GNDVCC

1K

RV2

R5

1KLIGHT

R6100k

TP18

TP17

Q1BC847

RLY_CTLLIGHT

DB4DB5DB6DB7

BUZZER

VCC

OE1CLK11

D13 Q1 2D24 Q2 5D37 Q3 6D48 Q4 9D513 Q5 12D614 Q6 15D717 Q7 16D818 Q8 19

VCC 20

GND10

U4

DM74S374WM

CLK

C/D

GND

GND

+-

BUZ1

R8

10K

GND

VCC

BUZZERR9100k

TP30

TP37TP39

Q2BC847

1KRV3

D1BAT54

56

teste para a realizao de ensaios de ICT e FCT durante a produo em larga escala. A FIGURA 16 apresenta as conexes e os pontos de teste do circuito.

FIGURA 16 - ESQUEMTICO DAS CONEXES E PONTOS DE TESTE. FONTE: O autor (2012).

3.1.8 LAYOUT DAS PLACAS E MONTAGEM DOS CIRCUITOS

O layout foi desenvolvido atravs software Altium Designer. A PCI da antena construda na prpria placa de circuito impresso utilizando-se trilhas de cobre isoladas e em formato retangular. Dependendo da forma e tamanho da antena, a distncia pode ser aumentada ou diminuda, porm, o limite mximo de alcance de 100 mm para garantia a eficincia da comunicao entre o carto e a antena. O tamanho da antena 33,5 mm de largura por 51 mm de comprimento, conforme mostra a FIGURA 17 Os circuitos do display LCD e do buzzer tambm esto alocados nesta PCI.

FIGURA 17 - LAYOUT DA ANTENA, CIRCUITO DO DISPLAY E BUZZER. FONTE: O autor (2012).

ModeResetSSCKMOSIENCLK

MISOSCS

Rx uContTx uCont

DB4DB5DB6DB7

RETURN

RLY_CTLLIGHTBUZZER

C/D

RX_EXT_0TX_EXT_0

TP1TP3TP6TP7TP8TP9TP12TP13TP15TP16TP17TP18TP19TP22TP23TP25TP27TP28TP29TP30TP31

RLY_FEED

TP32

RX_EXT_1TX_EXT_1 TP33

TP34

RX_EXT_2TX_EXT_2 TP36

TP37SERIAL TP39

C/D

MISOSSCKMOSI

SCS

ENDB4DB5DB6DB7

LIGHTBUZZER

TP31TP32TP33TP34TP35TP36TP38TP40TP41TP42TP43TP44

SSCK MOSISCS MISO

VCC

C/DEN

DB4 DB5DB6 DB7

LIGHTBUZZER

1 23 45 67 89 1011 1213 14

CN2

Header 7X2

ANTENA E DISPLAY

123

CN4

Molex Macho

VCC

RLY_CTLRLY_FEED

REL

VCC

Reset

Mode 123456

CN6

Molex Macho

Tx uContRx uCont

GRAVAO

GND

57

A outra PCI contm os circuitos da fonte de alimentao, micro controlador, comunicao serial, deteco do pulso de energia do medidor com retorno de potencial do contator, gravao do firmware e controle do contator. Na FIGURA 18 apresentado o layout da fonte, micro controlador, MAX232 e conexes com os perifricos, antena e medidor. No apndice A, encontra-se a TABELA 14, que relaciona os materiais da PCI da antena, a TABELA 15 relaciona os materiais dos circuitos do micro controlador e a TABELA 16, relaciona os materiais dos circuitos da fonte de alimentao.

FIGURA 18 - FONTE, MICRO CONTROLADOR, MAX232 E CONEXES. FONTE: O autor (2012).

3.1.9 DISPLAY DE CRISTAL LQUIDO

O display escolhido para o projeto um LCD de 4 linhas x 16 colunas. Este display pode ser controlado utilizando-se apenas 4 linhas de dados (I/Os) e seus pinos de controle, onde os dados de 8 bits so enviados ao display metade de cada vez, primeiramente transmitido a parte mais significativa do byte e depois a parte menos significativa do byte (nible mais significativo e depois e nible menos significativo). Na FIGURA 19 pode-se ver como ficaram dispostas as informaes apresentadas do display.

58

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 1 5 / 1 0 - 2 3 : 2 5 C * 2 C A R R E G A N D O 3 S A L D O : R $

2 9 4 , 3 8 4 R $ / W h

0 , 6 6 7

FIGURA 19 - DEMONSTRAO DO DISPLAY E SUAS MENSAGENS. FONTE: O autor (2012).

Alguns smbolos foram colocados na parte direita superior do display para indicar algumas funcionalidades. Um asterisco [*] piscando no display indica cada pulso detectado do medidor. Uma letra [C] acesa no canto direito superior do display mostra que o contator est fechado ou seja, a carga est conectada. Uma flecha [] piscando apontando para o lado esquerdo do display indica que o sistema contactless est se comunicando pela serial com o medidor de energia.

3.1.10 ESTAO DE CARREGAMENTO

O totem uma estao de carregamento capaz de fornecer energia eltrica para a recarga de veculos eltricos e veculos hbridos plug-in. Um cabo usado para conect-lo rede eltrica em 230 Vac. Utilizando uma tomada Steck de dois pinos mais um pino de terra, possvel fornecer at 32 A monofsicos, gerando potncia mxima de 7,36 kW, o que permite uma recarga em aproximadamente 3 a 4 horas.

Esta potncia est limitada pela capacidade da tomada utilizada. possvel fornecer at 120 A em 240 V substitudo apenas cabos e tomada. Na FIGURA 20 apresenta o projeto do totem, todas as suas medidas esto em milmetros, na FIGURA 21 pode-se ver o totem pronto, construdo em madeira. O seu design foi inspirado no prottipo do totem do Lactec (2012a). Internamente a este dispositivo foi colocada a antena, circuitos de processamento, fonte de alimentao, circuito de controle do contator e medidor de energia eltrica.

59

FIGURA 20 - ESTAO DE CARREGAMENTO - TOTEM. Fonte O autor (2012).

FIGURA 21 - TOTEM CONSTRUIDO EM MADEIRA. FONTE: O autor (2012).

Atualmente existem muitas empresas que j desenvolveram sistemas para recarga dos acumuladores dos veculos eltricos ou hbridos plug-in, podendo citar como exemplo a Elektromotive (2012) e a Better Place (2012).

60

3.2 IMPLEMENTAO DO FIRMWARE

O contactless um sistema cuja finalidade ler informaes armazenadas em um carto sem contato padro Mifare, capturar estes dados retirando-os do carto e transferindo para o sistema, e a partir da permitir o fluxo de energia at que os crditos retidos sejam extintos pelo procedimento de faturamento. No existe contato fsico entre o carto Mifare e o medidor de energia eltrica ou o sistema de leitura, tudo que o usurio tem a fazer conectar a carga e aproximar o seu carto Mifare para iniciar o procedimento.

O sistema possui vrias funes para que o seu propsito seja cumprido durante o funcionamento normal. Primeiramente, ao ser alimentado executado um auto teste, que