私たちは電気自動車を間違った方法で充電している

 (spectrum.ieee.org)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2025-03-11 | 1件のコメント | WhatsAppで共有

> 「複雑でコストのかかる充電インフラが、電気自動車（EV）の普及を制限している」

  • 電気自動車への移行を加速するうえで最も重要なのは、強力な公共EV充電インフラを構築することだが、公共の電気自動車充電ステーションは建設コストが非常に高い
    • 消費者は、電気自動車が従来の車両のように長距離旅行を含むあらゆる要求を満たすことを期待している
  • 現在、先進国では約90%の充電が自宅で行われているが、残り10%の公共充電が電気自動車のドライバーにとっては非常に重要である
    • 配達トラック、タクシー、アパート居住者、学生、旅行中の家族などにとって、公共充電インフラの不足が問題となっている
    • 2022年のForbes調査によると、電気自動車所有者の62%が、充電の問題によって旅行計画を変更した経験がある
  • 国際エネルギー機関（IEA）の報告書によると、中国では充電インフラへの投資が、電気自動車の成功において補助金より4倍効果的である

電気自動車充電の原理

  • 充電ステーションはAC電力をDC電力に変換してバッテリーに供給する役割を担う
  • 充電時には次の条件が満たされなければならない
    • バッテリー電圧がしきい値を超えてはならない
    • バッテリー温度が設定された限界を超えてはならない
    • 電力網からの電流が一定値を超えてはならない
  • 感電防止のために接地（grounding）が重要である
    • 接地が失われると、充電ポートはガルバニック絶縁（Galvanic Isolation）によって安全を保護する
    • ガルバニック絶縁は、電流が回路間を流れないように回路を物理的に分離する
  • 充電ステーションのガルバニック絶縁は変圧器（transformer）で実現される
    • 変圧器は高周波交流（AC）に変換された電力を通じて絶縁を行う

ガルバニック絶縁は非常に高価

  • ガルバニック絶縁は充電設備コストの約60%を占める
    • 300kWポート当たりのパワーエレクトロニクスのコスト: 約$90,000
      • そのうち$54,000がガルバニック絶縁コストに相当
    • 4ポート充電ステーションのパワーエレクトロニクス総コスト: 約$360,000（絶縁コストだけで$200,000超）
  • ガルバニック絶縁は充電装置のサイズと重量を増大させる
  • オンボード充電器（OBC）で高速充電が難しい理由も、ガルバニック絶縁のサイズとコストにある

ガルバニック絶縁を取り除けるのか？

  • ガルバニック絶縁を取り除けば、充電設備コストとエネルギー損失を半分以上削減できる可能性がある
  • 問題の解決策:
    • **二重接地（double ground）**の適用
      • 2本の接地線を使い、片方の接地が切れてももう一方の接地が保護の役割を果たす
      • 接地連続性検知回路を追加 → 接地損傷時に充電を停止
    • **バックレギュレータ（Buck Regulator）**の適用
      • 入力電圧がバッテリー電圧より高い場合に電流の過負荷を防ぐ
      • バックレギュレータは既存のガルバニック絶縁コストの10%未満、電力損失は20%未満

公共電気自動車充電の未来

  • 現在のオンボードおよび公共充電方式は複雑でコストが過度に高い
    • 既存の4段階充電プロセスでは3段階を削除可能
      • アクティブ整流器（active rectifier）段のみを維持し、必要に応じて低コストのバックレギュレータ（buck regulator）を追加できる
    • 安全性の強化:
      • 二重接地（double ground）と接地連続性検知を追加
      • 既存のガルバニック絶縁レベルを上回る安全性を確保可能
  • 直接電力変換（DPC, Direct Power Conversion）方式の利点
    • 設備コスト削減: 充電設備コストが50%以上減少
    • エネルギー効率改善: 2〜3%改善
    • 充電ステーションの設置および維持コストの低減 → 数千か所の充電ステーションを数年以内に拡充可能
    • 充電インフラの拡充により電気自動車の普及を促進
  • ガルバニック絶縁の除去に関する議論が必要
    • 電気自動車充電プロセスの簡素化とコスト削減が不可欠
    • 技術コミュニティでガルバニック絶縁の除去について議論する必要がある
    • ガルバニック絶縁の除去は、電気自動車充電インフラ強化の第一歩となるべきだ

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1件のコメント

 
GN⁺ 2025-03-11
Hacker Newsの意見
  • 記事の奥深くに埋もれたクリックベイト見出しが示唆していること: 自動車の充電器は複雑すぎて高価すぎる。より簡単かつ安価にしながら安全性を維持できる。そうすれば、より多くの充電ステーションを建設できる
  • 急速充電の問題ではなく、標準化されたバッテリーパックに焦点を当てるべきだと思う。50-100kWhのバッテリーを所有したくはない。その中の充電を使い、その対価を喜んで支払いたい
  • 一般の人には説得力があるように聞こえるかもしれない。だが、規制や別のエンジニアリングの慣行がガルバニック絶縁は安全のために必要だと判断していなければ、そもそもこの記事を書く必要はなかった気がする
    • ガルバニック絶縁は物理的に安全で、接地検知は能動的な安全対策だ
    • 現在のシステムでも接地線を2本入れることはできる
    • 接地線が切れても信号を持てる方法があるのか気になる
    • チップが安全でない形で故障しうるのか気になる
  • この記事を読みながら、なぜ市場で成功しなかったのか気になった。著者が述べているように、20年前にはプロトタイプとして技術が存在していた。なぜTeslaやほかの電気自動車メーカーが別の方向に進んだのか気になる
  • 農業や石油に補助金を出すようなやり方で、このインフラにも補助金を設定できればいいのにと思う
  • 大きな問題は、新しい急速充電規格が必要になることだ。これは追加の接地接続のせいで既存の急速充電規格と互換性がない。世界中ですでに道路を走っている4,000万台の電気自動車には役に立たなくなる
  • 2つおきの駐車スペースごとに、GFCIとブレーカーをリセットできる仕組み付きのコイン式120Vコンセントを義務化すべきだ。多くの利点がある
    • どこへ行っても一晩充電できる場所があるはずだ
    • 設置場所あたりで最も安価なので、はるかに多くの場所を提供できる
    • 賃貸住宅の居住者でも電気自動車を安全に購入し、自宅充電ができる
    • コイン式120Vは、貴重な銅製ケーブルよりはるかに堅牢だ
    • 長時間駐車の抑止になる
  • 接地線は2本必要ない。CPはPE（接地）に対して2.74Kの直列抵抗を持つダイオードを備えている。EVSEがCP経由でプッシュ/プル波形を送り、プッシュ側だけを読めば（ダイオードを覚えておいて）正しく接続されていると分かる
    • パイロット電流の戻り経路はPE接点を通る。PEの抵抗が低いことを検知して二重確認もできる。理想的には、もっと小さい直列抵抗が望ましいだろう
  • 基本的には絶縁変圧器を取り除き、ライン電圧（約7.2kV）を単純なバックコンバータ経由で自動車に供給する
    • ガルバニック絶縁の代わりに、導通を監視する冗長な接地コネクタを使う
    • これには同意しない。EVSE側に責任を負わせすぎている。もし問題が発生したら、それを遮断できなければならない。非常用のプル式ディスコネクトのようなものが義務化されるなら、もう少し信頼できる気がする
  • ガルバニック絶縁された充電ポートの材料および組立コストは、キロワットあたり約$300と見積もられている。公共充電ステーションの単一の300-kWポートには約$90,000のパワーエレクトロニクスが含まれ、そのうち約$54,000が絶縁リンクに相当する
    • サンプルビルドの具体的なBOMと、それを裏付けるmouserのリンクを見たい
    • 軍事/宇宙グレードのプレミアムを支払っているか、スケールメリットでコストが下がらない非常にニッチな部品を使っているように見える