Estamos carregando carros elétricos da forma errada

> "Uma infraestrutura de recarga complexa e cara está limitando a adoção de veículos elétricos (EVs)"

• Para acelerar a transição para os veículos elétricos, o mais importante é construir uma infraestrutura pública robusta de recarga para EVs, mas as obras de construção de estações públicas de recarga são muito caras
  • Os consumidores esperam que os veículos elétricos atendam a todas as necessidades, assim como os veículos tradicionais, incluindo viagens de longa distância
• Atualmente, nos países desenvolvidos, cerca de 90% das recargas acontecem em casa, mas os 10% restantes de recarga pública são muito importantes para os motoristas de EVs
  • A falta de infraestrutura pública de recarga é um problema para caminhões de entrega, táxis, moradores de apartamentos, estudantes e famílias em viagem
  • Segundo uma pesquisa da Forbes de 2022, 62% dos proprietários de veículos elétricos já alteraram planos de viagem por causa de problemas de recarga
• Segundo um relatório da Agência Internacional de Energia (IEA), na China, o investimento em infraestrutura de recarga é 4 vezes mais eficaz do que subsídios para o sucesso dos veículos elétricos

Princípios da recarga de veículos elétricos

• A estação de recarga converte energia AC em energia DC e a fornece à bateria
• Durante a recarga, as seguintes condições precisam ser atendidas
  • A tensão da bateria não deve ultrapassar um limite crítico
  • A temperatura da bateria não deve exceder o limite definido
  • A corrente da rede elétrica não deve ultrapassar um determinado valor
• O aterramento é importante para evitar choque elétrico
  • Se o aterramento falhar, a porta de recarga protege a segurança por meio de isolamento galvânico (Galvanic Isolation)
  • O isolamento galvânico separa fisicamente os circuitos para impedir que a corrente flua entre eles
• O isolamento galvânico da estação de recarga é feito por um transformador (transformer)
  • O transformador realiza o isolamento por meio de energia convertida em corrente alternada (AC) de alta frequência

O isolamento galvânico é muito caro

• O isolamento galvânico representa cerca de 60% do custo do equipamento de recarga
  • Custo dos eletrônicos de potência por porta de 300kW: cerca de $90,000
    • Desses, $54,000 correspondem ao custo do isolamento galvânico
  • Custo total dos eletrônicos de potência de uma estação com 4 portas: cerca de $360,000 (só o custo de isolamento passa de $200,000)
• O isolamento galvânico aumenta o tamanho e o peso do equipamento de recarga
• A razão de a recarga rápida ser difícil em carregadores embarcados (OBC) também é o tamanho e o custo do isolamento galvânico

Dá para eliminar o isolamento galvânico?

• Se o isolamento galvânico for eliminado, é possível reduzir pela metade ou mais o custo do equipamento de recarga e as perdas de energia
• Soluções para o problema:
  • Aterramento duplo (double ground)
    • Usar dois fios de aterramento para que, se um deles se romper, o outro continue oferecendo proteção
    • Adição de um circuito de detecção de continuidade do aterramento → interrupção da recarga em caso de dano ao aterramento
  • Regulador buck (Buck Regulator)
    • Evita sobrecarga de corrente quando a tensão de entrada é maior que a tensão da bateria
    • O regulador buck custa menos de 10% do custo do isolamento galvânico existente, e a perda de energia é inferior a 20%

O futuro da recarga pública de veículos elétricos

• Atualmente, os métodos de recarga embarcada e pública são complexos e caros em excesso
  • No processo tradicional de recarga em 4 etapas, é possível eliminar 3 etapas
    • Manter apenas a etapa de retificador ativo (active rectifier) e, se necessário, adicionar um regulador buck (buck regulator) de baixo custo
  • Reforço da segurança:
    • Adição de aterramento duplo (double ground) e detecção de continuidade do aterramento
    • É possível garantir um nível de segurança superior ao do isolamento galvânico existente
• Vantagens do método de conversão direta de energia (DPC, Direct Power Conversion)
  • Redução no custo do equipamento: custo do equipamento de recarga mais de 50% menor
  • Melhoria na eficiência energética: melhora de 2 a 3%
  • Redução dos custos de instalação e manutenção das estações → possibilidade de ampliar milhares de estações em poucos anos
  • Expansão da infraestrutura de recarga para acelerar a adoção de veículos elétricos
• É necessário discutir a remoção do isolamento galvânico
  • Simplificar o processo de recarga de veículos elétricos e reduzir custos é essencial
  • A comunidade técnica precisa discutir a remoção do isolamento galvânico
  • A remoção do isolamento galvânico deve ser o primeiro passo para fortalecer a infraestrutura de recarga de veículos elétricos

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Comentários do Hacker News

• O que a manchete caça-cliques, enterrada no fundo do artigo, está sugerindo: carregadores de carros são complexos e caros demais. Dá para torná-los mais simples e baratos mantendo a segurança. Isso permitiria construir mais estações de recarga
• Seria melhor focar em packs de bateria padronizados em vez do problema do carregamento rápido. Não quero possuir uma bateria de 50-100 kWh. Quero usar a carga que está nela e pagar por isso de bom grado
• Pode soar convincente para o público em geral. Mas, se regulamentações ou outras tradições de engenharia não tivessem determinado que o isolamento galvânico é necessário para segurança, parece que não haveria necessidade de escrever este artigo
  • O isolamento galvânico é fisicamente seguro, e a detecção de aterramento é uma medida de segurança ativa
  • Mesmo no sistema atual, dá para colocar dois fios de aterramento
  • Fico me perguntando se existe alguma forma de ainda ter sinal caso o fio de aterramento se rompa
  • Fico me perguntando se o chip pode falhar de uma forma insegura
• Ao ler o artigo, fiquei me perguntando por que isso não teve sucesso no mercado. Como o autor menciona, a tecnologia já existia em protótipo há 20 anos. Fico me perguntando por que a Tesla e outros fabricantes de veículos elétricos seguiram por outro caminho
• Seria bom se fosse possível estruturar subsídios para essa infraestrutura da mesma forma que se subsidiam a agricultura e o petróleo
• O grande problema é que isso exigiria um novo padrão de carregamento rápido. Não é compatível com os padrões atuais de carregamento rápido por causa da conexão extra de aterramento. Isso o torna inútil para os 40 milhões de veículos elétricos que já estão rodando no mundo
• Deveríamos exigir uma tomada de 120 V com moedeiro a cada duas vagas de estacionamento, com GFCI e uma forma de resetar o disjuntor. Há muitas vantagens
  • Haveria um lugar para carregar durante a noite aonde quer que você fosse
  • É a opção mais barata por local instalado, então oferece muito mais pontos
  • Até inquilinos poderiam comprar um veículo elétrico com segurança e fazer recarga residencial
  • Uma tomada de 120 V com moedeiro é muito mais robusta do que cabos feitos de cobre valioso
  • Desestimula estacionamento excessivo
• Não são necessários dois fios de aterramento. O CP tem um diodo com resistor em série de 2,74K para o PE (aterramento). Se o EVSE enviar uma forma de onda push/pull pelo CP e ler apenas o push (lembre-se do diodo), ele pode saber que está conectado corretamente
  • O caminho de retorno da corrente piloto passa pelo contato PE. Também dá para detectar e confirmar em duplicidade que o PE tem baixa resistência. O ideal seria querer um resistor em série bem menor
• Basicamente, remove-se o transformador de isolamento e a tensão de linha (cerca de 7,2 kV) é fornecida ao carro por meio de um conversor buck simples
  • Em vez de isolamento galvânico, usam-se conectores de aterramento redundantes monitorando a continuidade
  • Não concordo com isso. Isso coloca responsabilidade demais no lado do EVSE. Se surgir um problema, deve ser possível interrompê-lo. Se algo como um disconnect pirotécnico de emergência fosse obrigatório, talvez eu confiasse um pouco mais
• Estimam o custo de materiais e montagem de uma porta de carregamento com isolamento galvânico em cerca de US$ 300 por quilowatt. Uma única porta pública de 300 kW incluiria cerca de US$ 90.000 em eletrônica de potência, dos quais cerca de US$ 54.000 corresponderiam ao elo de isolamento
  • Eu gostaria de ver o BOM específico da montagem de exemplo e os links da Mouser que sustentam isso
  • Parece que estão pagando prêmio de grau militar/espacial ou usando componentes de nicho tão específicos que economias de escala não reduzem o custo