Nous rechargeons mal les voitures électriques

> « Une infrastructure de recharge complexe et coûteuse limite l’adoption des véhicules électriques (VE) »

• Pour accélérer la transition vers les véhicules électriques, la priorité est de construire une infrastructure publique de recharge pour VE solide, mais le coût de construction des bornes publiques est très élevé
  • Les consommateurs s’attendent à ce que les véhicules électriques répondent à tous leurs besoins, y compris les trajets longue distance
• Aujourd’hui, dans les pays développés, environ 90 % des recharges se font à domicile, mais les 10 % restants en recharge publique sont très importants pour les conducteurs de VE
  • Le manque d’infrastructures de recharge publique pose problème pour les camions de livraison, les taxis, les habitants d’appartements, les étudiants, les familles en voyage, etc.
  • Selon une enquête Forbes de 2022, 62 % des propriétaires de VE ont déjà modifié leurs projets de voyage à cause de problèmes de recharge
• Selon un rapport de l’Agence internationale de l’énergie (IEA), en Chine, l’investissement dans les infrastructures de recharge est quatre fois plus efficace que les subventions pour le succès des VE

Principes de la recharge des véhicules électriques

• Une borne convertit le courant AC en courant DC pour l’alimenter à la batterie
• Lors de la recharge, les conditions suivantes doivent être remplies
  • La tension de la batterie ne doit pas dépasser un seuil critique
  • La température de la batterie ne doit pas dépasser la limite définie
  • Le courant tiré du réseau électrique ne doit pas dépasser une certaine valeur
• La mise à la terre (grounding) est essentielle pour éviter les chocs électriques
  • Si la mise à la terre est rompue, le port de recharge protège la sécurité grâce à l’isolation galvanique (Galvanic Isolation)
  • L’isolation galvanique sépare physiquement les circuits afin d’empêcher le courant de circuler entre eux
• L’isolation galvanique des bornes est assurée par un transformateur (transformer)
  • Le transformateur assure l’isolation via une puissance convertie en courant alternatif (AC) haute fréquence

L’isolation galvanique coûte très cher

• L’isolation galvanique représente environ 60 % du coût des équipements de recharge
  • Coût de l’électronique de puissance par port 300 kW : environ $90,000
    • Dont $54,000 correspondent au coût de l’isolation galvanique
  • Coût total de l’électronique de puissance pour une station à 4 ports : environ $360,000 (dont plus de $200,000 pour l’isolation seule)
• L’isolation galvanique augmente la taille et le poids des équipements de recharge
• Si la recharge rapide est difficile sur le chargeur embarqué (OBC), c’est aussi à cause de la taille et du coût de l’isolation galvanique

Peut-on supprimer l’isolation galvanique ?

• Supprimer l’isolation galvanique permettrait de réduire de plus de moitié le coût des équipements de recharge et les pertes d’énergie
• Pistes de solution :
  • Double mise à la terre (double ground)
    • Utiliser deux lignes de terre afin que, si l’une est coupée, l’autre continue d’assurer la protection
    • Ajouter un circuit de détection de continuité de terre → arrêt de la recharge si la terre est endommagée
  • Buck Regulator
    • Évite la surcharge de courant lorsque la tension d’entrée est supérieure à la tension de la batterie
    • Le Buck Regulator coûte moins de 10 % du coût de l’isolation galvanique actuelle, avec moins de 20 % des pertes électriques

L’avenir de la recharge publique des véhicules électriques

• Les méthodes actuelles de recharge embarquée et publique sont complexes et excessivement coûteuses
  • Dans le processus de recharge existant en 4 étapes, 3 étapes peuvent être supprimées
    • On ne conserve que l’étape de redresseur actif (active rectifier), avec éventuellement l’ajout d’un Buck Regulator à faible coût si nécessaire
  • Renforcement de la sécurité :
    • Ajout d’une double mise à la terre (double ground) et d’une détection de continuité de terre
    • Il serait possible d’atteindre un niveau de sécurité supérieur ou égal à celui de l’isolation galvanique existante
• Avantages de la conversion directe de puissance (DPC, Direct Power Conversion)
  • Réduction du coût des équipements : plus de 50 % de baisse du coût des équipements de recharge
  • Amélioration de l’efficacité énergétique : gain de 2 à 3 %
  • Réduction des coûts d’installation et de maintenance des bornes → possibilité de déployer des milliers de stations en quelques années
  • Le développement des infrastructures de recharge accélère la diffusion des véhicules électriques
• Il faut ouvrir le débat sur la suppression de l’isolation galvanique
  • Il est indispensable de simplifier le processus de recharge des véhicules électriques et d’en réduire le coût
  • La communauté technique doit débattre de la suppression de l’isolation galvanique
  • La suppression de l’isolation galvanique devrait être la première étape pour renforcer l’infrastructure de recharge des véhicules électriques

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Commentaires sur Hacker News

• Ce que sous-entend le titre putaclic enfoui au plus profond de l’article : les chargeurs de voiture sont trop complexes et trop chers. On pourrait les rendre plus simples et moins coûteux tout en conservant la sécurité. Cela permettrait de construire davantage de bornes de recharge
• Il vaudrait mieux se concentrer sur des packs de batteries standardisés plutôt que sur le problème de la recharge rapide. Je ne veux pas posséder une batterie de 50-100kWh. Je veux utiliser la charge qu’elle contient et je suis prêt à payer pour cela
• Cela peut sembler convaincant pour le grand public. Mais j’ai l’impression que cet article n’aurait pas eu besoin d’être écrit si la réglementation ou d’autres traditions d’ingénierie n’avaient pas conclu que l’isolation galvanique est nécessaire pour la sécurité
  • L’isolation galvanique est physiquement sûre, et la détection de mise à la terre est une mesure de sécurité active
  • On peut déjà mettre deux fils de terre dans le système actuel
  • Je me demande s’il existe un moyen d’avoir encore un signal même si le fil de terre est coupé
  • Je me demande si la puce peut tomber en panne d’une manière dangereuse
• En lisant l’article, je me suis demandé pourquoi cela n’avait pas réussi sur le marché. Comme l’auteur l’indique, la technologie existait déjà sous forme de prototype il y a 20 ans. Je me demande pourquoi Tesla et les autres constructeurs de véhicules électriques ont pris une autre direction
• Ce serait bien si l’on pouvait mettre en place des subventions pour cette infrastructure de la même manière que pour l’agriculture et le pétrole
• Le gros problème, c’est qu’il faudrait une nouvelle norme de recharge rapide. À cause de la connexion de terre supplémentaire, ce n’est pas compatible avec les normes actuelles de recharge rapide. Cela rendrait la chose inutile pour les 40 millions de véhicules électriques déjà en circulation dans le monde
• Il faudrait exiger une prise 120V à monnayeur tous les deux emplacements de parking, avec un moyen de réinitialiser le GFCI et le disjoncteur. Il y a beaucoup d’avantages
  • Il y aurait un endroit où recharger pendant la nuit, où que l’on aille
  • C’est l’option la moins chère par site installé, donc cela permet d’en proposer dans bien plus d’endroits
  • Les locataires pourraient eux aussi acheter un véhicule électrique en toute sécurité et recharger chez eux
  • Une prise 120V à monnayeur est bien plus robuste que des câbles en cuivre précieux
  • Cela décourage le stationnement excessif
• Il n’y a pas besoin de deux fils de terre. Le CP a une diode vers le PE (terre) avec une résistance en série de 2,74K. Si l’EVSE envoie une forme d’onde push/pull via le CP et ne lit que le push (souvenir de la diode), il sait que la connexion est correcte
  • Le chemin de retour du courant pilote passe par le contact PE. On peut détecter que le PE a une faible résistance et ainsi faire une double vérification. Idéalement, on voudrait une résistance en série bien plus petite
• En gros, on supprime le transformateur d’isolement et on fournit à la voiture la tension de ligne (environ 7,2kV) via un simple buck converter
  • On utilise des connecteurs de terre redondants qui surveillent la continuité au lieu de l’isolation galvanique
  • Je ne suis pas d’accord avec cela. Cela met trop de responsabilité du côté de l’EVSE. S’il y a un problème, il faut pouvoir couper cela. Si quelque chose comme un disconnect pyrofusible d’urgence était obligatoire, j’aurais un peu plus confiance
• Le coût des matériaux et de l’assemblage d’un port de recharge à isolation galvanique est estimé à environ 300 $ par kilowatt. Un seul port public de 300 kW inclut environ 90 000 $ d’électronique de puissance, dont environ 54 000 $ correspondent à la liaison d’isolation
  • J’aimerais voir le BOM détaillé de l’exemple de montage ainsi que les liens Mouser qui l’étayent
  • On dirait qu’ils paient une prime de niveau militaire/spatial ou qu’ils utilisent des composants de niche pour lesquels les économies d’échelle ne font pas baisser les coûts assez fortement de toute façon