Elektrikli araçları yanlış şarj ediyoruz

> "Karmaşık ve pahalı şarj altyapısı, elektrikli araçların (EV) benimsenmesini sınırlıyor"

• Elektrikli araçlara geçişi hızlandırmak için en önemli şey, güçlü bir kamusal EV şarj altyapısı kurmak; ancak kamusal elektrikli araç şarj istasyonlarının inşa maliyeti çok yüksek
  • Tüketiciler, elektrikli araçların mevcut araçlar gibi uzun mesafe yolculuklar dahil tüm ihtiyaçlarını karşılamasını bekliyor
• Bugün gelişmiş ülkelerde şarjın yaklaşık %90'ı evde yapılıyor, ancak kalan %10'luk kamusal şarj elektrikli araç sürücüleri için son derece önemli
  • Teslimat kamyonları, taksiler, apartman sakinleri, öğrenciler, seyahat eden aileler gibi gruplar için kamusal şarj altyapısının yetersizliği bir sorun oluşturuyor
  • Forbes'un 2022 araştırmasına göre, elektrikli araç sahiplerinin %62'si şarj sorunları nedeniyle seyahat planlarını değiştirdiğini belirtti
• Uluslararası Enerji Ajansı'nın (IEA) raporuna göre, Çin'de şarj altyapısına yapılan yatırım, elektrikli araç başarısı açısından sübvansiyonlardan 4 kat daha etkili

Elektrikli araç şarjının çalışma prensibi

• Şarj istasyonları, AC gücü DC güce dönüştürerek bataryaya iletme görevini üstlenir
• Şarj sırasında şu koşulların sağlanması gerekir
  • Batarya voltajı eşik değeri aşmamalıdır
  • Batarya sıcaklığı belirlenen sınırı geçmemelidir
  • Elektrik şebekesinden çekilen akım belirli bir değeri aşmamalıdır
• Elektrik çarpmasını önlemek için topraklama (grounding) önemlidir
  • Topraklama bozulursa, şarj portu galvanik izolasyon (Galvanic Isolation) yoluyla güvenlik sağlar
  • Galvanik izolasyon, akımın devreler arasında akmaması için devreleri fiziksel olarak ayırır
• Şarj istasyonundaki galvanik izolasyon, bir transformatör (transformer) ile sağlanır
  • Transformatör, yüksek frekanslı alternatif akıma (AC) dönüştürülmüş güç üzerinden izolasyon sağlar

Galvanik izolasyon çok pahalıdır

• Galvanik izolasyon, şarj ekipmanı maliyetinin yaklaşık %60'ını oluşturur
  • 300kW port başına güç elektroniği maliyeti: yaklaşık $90,000
    • Bunun $54,000'ı galvanik izolasyon maliyetidir
  • 4 portlu bir şarj istasyonunda güç elektroniğinin toplam maliyeti: yaklaşık $360,000 (yalnızca izolasyon maliyeti $200,000'ın üzerinde)
• Galvanik izolasyon, şarj cihazının boyutunu ve ağırlığını artırır
• Yerleşik şarj cihazlarında (OBC) hızlı şarjın zor olmasının nedeni de galvanik izolasyonun boyutu ve maliyetidir

Galvanik izolasyon kaldırılabilir mi?

• Galvanik izolasyon kaldırılırsa, şarj ekipmanı maliyeti ve enerji kaybı yarıdan fazla azaltılabilir
• Sorunu çözme yolları:
  • Çift topraklama (double ground) kullanımı
    • İki toprak hattı kullanılarak, bir topraklama kesilse bile diğerinin koruma sağlaması
    • Topraklama sürekliliğini algılayan devre eklenmesi → topraklama hasarında şarjın durdurulması
  • Buck regülatör (Buck Regulator) kullanımı
    • Giriş voltajı batarya voltajından yüksek olduğunda akım aşırı yükünü önler
    • Buck regülatörün maliyeti mevcut galvanik izolasyon maliyetinin %10'undan az, güç kaybı ise %20'sinden azdır

Kamusal elektrikli araç şarjının geleceği

• Mevcut yerleşik ve kamusal şarj yöntemleri karmaşık ve aşırı pahalı
  • Mevcut 4 aşamalı şarj sürecinde 3 aşama kaldırılabilir
    • Yalnızca aktif doğrultucu (active rectifier) aşaması korunup, gerekirse düşük maliyetli bir buck regülatör eklenebilir
  • Güvenliğin güçlendirilmesi:
    • Çift topraklama (double ground) ve topraklama sürekliliği algılama eklenmesi
    • Mevcut galvanik izolasyon düzeyinden daha yüksek güvenlik sağlanabilir
• Doğrudan Güç Dönüşümü (DPC, Direct Power Conversion) yaklaşımının avantajları
  • Ekipman maliyetinde düşüş: şarj ekipmanı maliyeti %50'den fazla azalır
  • Enerji verimliliğinde iyileşme: %2~3 iyileşme
  • Şarj istasyonu kurulum ve bakım maliyetlerinde azalma → birkaç yıl içinde binlerce istasyonun yaygınlaştırılması mümkün
  • Şarj altyapısının genişlemesiyle elektrikli araçların yaygınlaşması hızlanır
• Galvanik izolasyonun kaldırılması tartışılmalı
  • Elektrikli araç şarj sürecinin sadeleştirilmesi ve maliyetlerin düşürülmesi zorunlu
  • Teknik toplulukta galvanik izolasyonun kaldırılması üzerine tartışma yürütülmesi gerekiyor
  • Galvanik izolasyonun kaldırılması, elektrikli araç şarj altyapısını güçlendirmenin ilk adımı olmalı

[GN⁺]

Hacker News görüşleri

• Makalenin derinlerine gömülmüş clickbait başlığın ima ettiği şey şu: araç şarj cihazları fazla karmaşık ve pahalı. Güvenliği koruyarak daha basit ve daha ucuz hale getirilebilirler. Bu da daha fazla şarj istasyonu inşa etmeyi mümkün kılar
• Hızlı şarj sorununa odaklanmak yerine standartlaştırılmış batarya paketlerine odaklanmak daha iyi olurdu. 50-100kWh'lik bir bataryaya sahip olmak istemiyorum. İçindeki şarjı kullanmak ve bunun için isteyerek ödeme yapmak istiyorum
• Sıradan insanlar için ikna edici gelebilir. Ama eğer düzenlemeler ya da farklı mühendislik gelenekleri galvanik izolasyonun güvenlik için gerekli olduğuna karar vermemiş olsaydı, sanırım bu makaleyi yazmaya gerek kalmazdı
  • Galvanik izolasyon fiziksel olarak güvenlidir, topraklama algılama ise aktif bir güvenlik önlemidir
  • Mevcut sistemde de iki toprak hattı eklenebilir
  • Toprak hattı kopsa bile sinyal alınmasını sağlayacak bir yöntem olup olmadığını merak ediyorum
  • Çiplerin güvensiz bir şekilde arızalanıp arızalanamayacağını merak ediyorum
• Makaleyi okurken bunun neden pazarda başarılı olmadığını merak ettim. Yazarın belirttiği gibi, 20 yıl önce prototip düzeyinde teknoloji vardı. Tesla ve diğer elektrikli araç üreticilerinin neden başka bir yöne gittiğini merak ediyorum
• Keşke bu altyapı için de tarım ve petrole verilen destekler gibi sübvansiyonlar ayarlanabilse
• Büyük sorun, yeni bir hızlı şarj standardı gerektirmesi. Bu da ek toprak bağlantısı nedeniyle mevcut hızlı şarj standartlarıyla uyumlu değil. Dünya genelinde halihazırda yollarda olan 40 milyon elektrikli aracı işe yaramaz hale getiriyor
• Her iki park yerinden birine, GFCI ve devre kesiciyi sıfırlamanın bir yolu olan jetonlu 120V priz zorunluluğu getirmeliyiz. Bunun birçok faydası var
  • Nereye giderseniz gidin, gece boyunca şarj edebileceğiniz bir yer olur
  • Kurulum yeri başına en ucuz seçenek olduğundan çok daha fazla noktaya yayılabilir
  • Kiracılar da elektrikli araç satın alıp evde güvenli şekilde şarj edebilir
  • Jetonlu 120V, değerli bakır kablolardan çok daha dayanıklıdır
  • Aşırı uzun park etmeyi caydırır
• İki toprak hattına gerek yok. CP, PE'ye (toprak) doğru 2.74K seri dirençli bir diyota sahip. EVSE, CP üzerinden push/pull dalga biçimi gönderip yalnızca push kısmını okursa (diyot, hatırlarsınız) doğru bağlandığını anlayabilir
  • Pilot akımın dönüş yolu PE kontağı üzerinden olur. PE'nin düşük dirençli olduğunu algılayıp bunu ikinci kez doğrulayabilirsiniz. İdeal olarak çok daha küçük bir seri direnç istenir
• Temelde izolasyon trafosunu kaldırıp hat gerilimini (yaklaşık 7.2kV) basit bir buck converter üzerinden araca veriyor
  • Galvanik izolasyon yerine sürekliliği izleyen yedekli toprak konektörleri kullanıyor
  • Buna katılmıyorum. EVSE tarafına fazla sorumluluk yüklüyor. Bir sorun çıkarsa bunu kesebilmesi gerekir. Acil durumda mekanik ayırma gibi bir şey zorunlu olsa biraz daha güven verici olurdu
• Galvanik izolasyonlu şarj portunun malzeme ve montaj maliyetinin kilovat başına yaklaşık $300 olduğu tahmin ediliyor. Kamusal şarj istasyonundaki tek bir 300-kW port, yaklaşık $90,000'lık güç elektroniği içeriyor ve bunun yaklaşık $54,000'ı izolasyon bağlantısına denk geliyor
  • Örnek yapılandırmanın ayrıntılı BOM'unu ve bunu destekleyen mouser bağlantılarını görmek isterim
  • Askeri/uzay sınıfı primi ödeniyormuş gibi ya da ölçek ekonomisinin maliyeti düşürmediği çok niş parçalar kullanılıyormuş gibi görünüyor