Por que os carregadores rápidos DC custam tão caro?

Você já se perguntou por que os carregadores rápidos DC são tão caros para construir? Um único carregador de nível 3 de 300 quilowatts - ou seja, apenas uma baia em um carregador rápido de DC público - pode custar mais de US$ 100.000 (R$ 567.000). Esse custo é apenas um dos motivos pelos quais a infraestrutura demorou a ser construída nos EUA, e dependeu muito do governo, como o financiamento federal.

Vamos falar sobre o que há dentro desse carregador. Abra-o e você encontrará cerca de US$ 90.000 (R$ 510.000) em componentes eletrônicos que transferem a eletricidade da rede para a bateria do seu carro. E aqui está o ponto alto: cerca de 60% desse custo é para um circuito de segurança que garante que você não seja eletrocutado se algo der errado. Isso significa que mais da metade do custo de um carregador de EV é destinada para segurança. 

Foto de: General Motors

US$ 54.000 em proteção contra choques: Por que é importante

Esse sistema é chamado de link de isolamento. De acordo com o IEEE Spectrumo custo real dessa camada de proteção é estimado em US$ 54.000 (R$ 306.000). Se esse valor for ampliado para um local de recarga com 8 baias, serão mais de US$ 430.000 dedicados somente a equipamentos de segurança.

Veja como funciona:

As bombas de gasolina dependem do controle mecânico do fluxo para impedir que o combustível entre no carro. Os carregadores de EV lidam com eletricidade de alta tensão, geralmente de 800 volts ou mais. A eletricidade encontrará o caminho mais curto para o solo e, se as coisas derem errado com uma potência tão alta, será o suficiente para fritá-lo instantaneamente. Você pode ver por que a segurança é tão importante.

Um link de isolamento atinge um princípio de segurança conhecido como isolamento galvânico. Isso significa pegar dois circuitos separados em um único sistema elétrico e impedir que a corrente flua entre eles. No mundo dos carregadores de veículos elétricos, isso significa cortar o caminho elétrico entre a fonte de alimentação do carregador e o carro. Assim, na eventualidade de ocorrer uma falha, a energia não tem para onde ir, a não ser para a rede elétrica.

Veja como IEEE explica isso:

Suponha que a bateria de um EV esteja vazando. O fluido vazado é condutor e, portanto, pode produzir um caminho de corrente entre o circuito da bateria e o chassi do veículo. Se o circuito de aterramento for interrompido, então, sem isolamento, o chassi do veículo estará em uma alta tensão. Assim, uma pessoa que tocasse o carro enquanto estivesse no chão poderia receber um choque elétrico potencialmente letal. Com o isolamento, não haveria risco de choque, pois não haveria caminho de corrente da concessionária de energia elétrica para a carroceria do carro.

Para que o isolamento ocorra, todo DCFC usa um transformador em seu hardware de conversão de energia - esse é o circuito que converte a energia AC em DC e vice-versa. Esses transformadores de alta frequência são capazes de movimentar quilowatts de eletricidade em altas tensões e fornecem um bloco de construção crucial em um circuito sem criar um caminho direto entre a rede elétrica e o seu carro. É um sistema complicado e caro, mas sem ele, um acidente de carregamento poderia transformar seu Tesla em uma bobina de Tesla.

Foto a: John Voelcker

Pesquisadores e engenheiros sabem que a infraestrutura de carregamento é muito cara. Esses especialistas estão procurando maneiras de reduzir os custos sem comprometer a segurança. Mas algumas dessas ideias vêm com sérias ressalvas e significariam reescrever como cada veículo elétrico moderno é carregado.

Uma proposta é abandonar o link de isolamento no carregador e, em vez disso, exigir que os VEs tenham seu próprio sistema de isolamento integrado ao carregador de bordo do carro. Como os OBCs dos carros lidam com a conversão de energia, eles já são isolados galvanicamente. Entretanto, a maioria só suporta conversão de energia até velocidades de carregamento de Nível 2 (a Tesla, por exemplo, suporta até 48 amperes na maioria dos modelos). Isso poderia reduzir drasticamente o custo dos carregadores, mas nem todos os carros são construídos da mesma forma.

Os veículos elétricos atuais têm configurações de carregamento diferentes e transferir a responsabilidade para o fabricante exigiria um novo padrão universal que ainda não existe. Isso significa que os veículos elétricos mais antigos poderiam ficar de fora. Há também a pequena questão de confiar que os fabricantes de automóveis adotarão um novo padrão universal e o implementarão com segurança. Porque, se há uma coisa que sabemos, é que as montadoras são 100% confiáveis em termos de autorregulação.

Além disso, há a enorme desvantagem do custo. Não podemos nos esquecer de que o custo desse circuito não desaparece simplesmente. Mover o hardware para o veículo simplesmente transferiria o custo do carregador para o carro. Em suma, não é uma opção desde o início.

Foto de: Electrify America

Isso completa o círculo do problema: as medidas de segurança tornam os DCFCs extremamente caros. E, com as despesas, vêm implantações mais lentas e um possível limite no número de baias por local. Quanto à solução? Alguns especialistas estão sendo francos e recomendando a eliminação total dos links de isolamento nos equipamentos de carregamento.

À primeira vista, isso pode parecer perigoso. Mas o IEEE tem uma ideia: e se, em vez de isolar os circuitos, adicionarmos um aterramento redundante? Pense nisso: o segundo aterramento poderia significar não apenas ter uma proteção contra falhas redundante, mas também detectar um curto-circuito no aterramento e desligar o equipamento de carga no instante em que ele for detectado. Isso poderia, em teoria, eliminar a necessidade de um dispendioso link de isolamento. Também melhoraria significativamente a confiabilidade do carregador, pois simplifica a eletrônica de potência do carregador ao eliminar um ponto importante de falha.

Agora vem um segundo problema que deve ser levado em conta: as incompatibilidades de tensão.

Se a tensão da linha entre o carregador exceder a tensão da bateria do veículo, mesmo que por um instante, uma corrente descontrolada poderá causar danos aos componentes do veículo. O IEEE propõe resolver esse problema usando um regulador buck, um componente destinado a reduzir com segurança a tensão fornecida por uma fonte de alimentação. O artigo prossegue sugerindo que, embora isso acrescente uma camada de complexidade ao circuito de carregamento, um regulador buck que possa lidar com uma taxa de transferência semelhante custaria apenas 10% em comparação com o link de isolamento.

O argumento para remover o isolamento galvânico faz sentido no papel. O Tesla Roadster original usava carregamento sem isolamento galvânico, mas também não tinha a capacidade de usar o DC Fast Charging. Os DCFCs modernos que bombeiam grandes quantidades de corrente para a bateria de um EV moderno exigem um pouco mais de medidas de segurança (por isso, um link de isolamento). Mas se - e esse é um grande se - o setor puder não apenas desenvolver uma maneira confiável e segura de fazer isso, poderá ser um divisor de águas no jogo de carregamento de veículos elétricos.

Olhando por uma lente mais realista, o mundo já está lutando para acertar o carregamento público e ninguém quer ser o primeiro a apostar na segurança. As empresas de carregamento, os fabricantes de automóveis e até mesmo os órgãos reguladores precisariam de uma garantia sólida de que qualquer sistema não isolado seria tão seguro quanto os carregadores atuais. Mesmo que isso fosse verdade, poderia levar anos para implementar quaisquer melhorias (especialmente em um sistema em que a segurança deveria ser um foco tão importante).

Por enquanto, espere que os novos carregadores de veículos elétricos continuem custando uma fortuna. Porque se há uma coisa em que o setor não está disposto a economizar (ainda), é garantir que você não seja atingido.