한 가지가 있다면 우리는 이제 전환을 서두르도록 할 수있었습니다 전기 자동차이것이 바로 다음과 같습니다. 강력한 공개 EV 충전 인프라를 구축하십시오. 미디어는 차량 성능과 범위에 중점을 두었지만 소비자는 전기 자동차가 기존 차량이 기본적으로 오랫동안 하룻밤 여행을 포함하여 모든 일을하기를 원한다는 것을 항상 분명히했습니다.
아직 EV를 소유하지 않은 사람들에게는 강력한 인프라가 중요하지 않은 것처럼 보일 수 있습니다. 결국 연구는 선진 시장에서 90 % 모든 충전은 집에서 이루어집니다. 그러나 나머지 충전 비율은 매우 중요하다는 것이 밝혀졌습니다. 배달 트럭 및 택시 운전자, 아파트 건물 거주자, 대학에 진학하는 학생, 휴가 중 가족 및 수많은 다른 사람들이 EV를 운전하는 것이 공공 청구가 부족하거나 신뢰할 수없는 어려움이 될 수 있음을 알게되었습니다. 2022 조사 ~에 의해 포브스예를 들어, EV 소유자의 62 %가 EV 범위에 대해 매우 염려하여 때때로 여행 계획을 축소했다고 지적했습니다.
이것은 정책 입안자들에게 비밀이 아닙니다. 에이 최근 브리핑 국제 에너지기구 (International Energy Agency)에 따르면 중국에서는 충전 인프라에 대한 투자가 EV 구매자에게 보조금을 제공하는 것보다 EV 성공에 4 배나 효과적인 것으로 간주됩니다.
이것들은 우리가 수십 년 동안 잡고있는 문제입니다. 1992 년에, 우리는 공동 설립했습니다 AC 추진그것은 Tzero기본 기술과 디자인이 나중에 원래 Tesla Roadster에 통합 된 고성능 전기 스포츠카. 그 이후로, 우리는 사람들이 실제로 소유하고 운전하기를 원하는 차량을 만드는 방법에 대해 많이 생각했습니다.
1997 AC Propulsion Tzero는 나중에 Tesla Roadster에 통합 된 기술 혁신을 특징으로하는 획기적인 전기 자동차였습니다.Petegruber/Wikipedia
우리가 잠재적 인 EV 소유자에게 EV 채택을 제한하는 것을 물었을 때, 그들은 종종 충전소에 대한 접근이 제한되어 특히 빠른 공개 충전을 지적합니다. 이 충전소를 소유 한 운영자는 또한이를 말했으며, 4 개의 포트가있는 DC 빠른 충전 스테이션은 비용이 많이 드는 장비를 인용합니다. US $ 470,000 및 $ 725,000. 장비 비용이 낮다면 더 많은 재충전 스테이션을 설치할 것이라고 말합니다. 그것은 덕이 될 수 있습니다. 재충전 사업이 더 잘하고, EV 소유자가 혜택을받을 것이며, 더 많은 사람들이 EV를 구매하는 것을 고려할 것입니다.
문제는 EV 충전이보다 경제적이고 효율적으로 수행 될 수 있습니까? 보다 구체적으로, 재충전 스테이션의 복잡성을 줄이고 고속 충전 스테이션의 높은 비용을 낮추는 방법이 있습니까?
대답은 그렇습니다. 여기에 이유가 있습니다.
EV 충전의 작동 방식
솔루션을 설명하기 전에 가장 기본적인 것으로 시작하여 몇 가지 기본 사항을 검토해 봅시다. 충전 스테이션은 하나 이상의 충전 포트가있는 물리적 위치이며, 각각은 단일 EV를 충전 할 수 있습니다. 각 포트에는 지원을 위해 여러 유형의 서비스 커넥터가있을 수 있습니다. 다른 EV 표준.
포트의 기능은 그리드에서 AC 전원을 DC로 변환 한 다음 배터리에 적용됩니다. 재충전 전류는 다음 기준이 항상 충족되도록 제어해야합니다. 배터리 셀의 전압이 임계 한계를 초과해서는 안됩니다. 세포 온도가 사전 설정 임계 값을 초과해서는 안됩니다. 전기 유틸리티에서 도출 된 현재는 특정 값 아래로 유지되어야합니다. 처음 두 개가 충족되지 않으면 세포가 손상되거나 화재가 발생할 수 있습니다. 세 번째가 충족되지 않으면 충전기 또는 유틸리티가 과부하되어 차단기가 발생하거나 퓨즈가 날려 버릴 수 있습니다.
기존 EV 충전기의 주요 안전 기능은 격리 링크입니다. [in teal]. 이 회로 내에서 고주파 변압기는 그리드 파워와 전기 자동차의 배터리 사이의 물리적 분리를 제공합니다. 격리 링크는 레벨 2 충전을 위해 차량의 온보드 충전기 내부에 있습니다. 레벨 3 (빠른 충전)의 경우 링크는 충전소 내부에 있습니다. Chris Philpot
이러한 요구 사항 외에도 충전기는 전기 충격으로부터 사용자를 보호해야합니다. 항상 쉬운 것은 아닙니다. 충전기는 견고한 환경, 일반적으로 야외에서 작동하며 습도가 크게 다양하고 오염 된 물이 존재할 수있는 곳에 있습니다. 장비는 손상되거나 파괴 될 수 있습니다.
전기 충격을 방지하는 시간 테스트 방법은 전기 접지를 사용하는 것입니다. 접지는 정확히 소리입니다. 전류의 경로를 제공하는 지구와 직접적인 물리적 연결. 그러한 경로가있을 때, 예를 들어 섀시에서 길 잃은 전류는지면으로 직접 여행하여 가까이 서있을 수있는 사람들을 피하십시오. 충전중인 전기 자동차에서 충전 케이블의 녹색지면 와이어가 접지 경로가됩니다. (전기 자동차에는 고무 타이어가 있기 때문에 자동차 자체는 경로 역할을 할 수 없습니다.)
그러한 경로가 없으면 어떻게됩니까? 전기 자동차 충전기의 접지 연결이 파손되거나 손상되면 충전 포트에는 백업 솔루션이 있어야합니다. 오늘날,이 솔루션은 갈바닉 격리라고 불리는 것입니다. 갈바닉 분리에서는 전기 시스템의 특정 부분 사이에 직접 전도 경로가 허용되지 않습니다.
EV 충전기에 격리 링크가없고 접지 회로가 고장 나고 배터리와 차량 사이에 현재 경로가 존재하면 차량을 만지는 사람은 잠재적으로 치명적인 전기 충격을받을 수 있습니다. [top illustration]. 그러나 Wally Rippel이 디자인 한 간단하고 저렴한 “Double Ground”회로로 [bottom illustration, in teal]검출기 회로는 전류가 흐르는 접촉기를 닫기 전에 접지가 손상되지 않음을 확인합니다. Chris Philpot
충전기의 갈바니 분리를위한 하드웨어를 격리 링크라고하며, 두 회로를 물리적으로 전기적으로 분리하여 작동하므로 전위의 차이가 한 회로에서 다른 회로로 전류 흐름을 초래하지 않습니다. EV 충전의 경우 두 회로는 다음과 같습니다. 전기 그리드 한편으로는 차량 배터리와 그 관련 회로가 다른 한편으로.
이 고립은 문자 그대로의 생명의 은인이 될 수 있습니다. EV의 배터리가 누출되고 있다고 가정하십시오. 누출 된 유체는 전도성이므로 배터리 회로와 차량 섀시 사이에 현재 경로를 생성 할 수 있습니다. 지면 회로가 파손되면 격리없이 차량의 섀시는 고전압에있을 것입니다. 따라서 땅에 서있는 동안 차를 만지는 사람은 잠재적으로 치명적인 감전을받을 수 있습니다 (“충격 위험”참조). 격리를 사용하면 전기 유틸리티에서 자동차 신체까지의 현재 경로가 존재하지 않기 때문에 충격 위험이 없습니다.
킬로와트 레벨의 전력 (변압기)을 전송하는 동안 두 회로 사이를 분리 할 수있는 하나의 구성 요소 만 존재합니다. 변압기 저주파 유틸리티 전력에 직접 연결되어 무겁고 부피가 커집니다. 그러나 무게와 크기가 중요한 EV 충전의 경우 변압기가 훨씬 작습니다. 표준 건물 벽돌의 절반도 아닙니다. 충전소는 DC 전원을 인버터를 사용하여 고주파 AC로 변환하기 때문입니다. 그런 다음 고주파 AC가 작은 변압기에 적용되어 갈바니 분리를 제공합니다. 마지막으로, 변압기의 출력은 고주파 정류기 회로에 의해 DC로 다시 변경되어 프로세스를 완료합니다 ( “분리 링크 …”그림).
우리는 이것의 세부 사항을 얻을 것입니다 전력 변환 다음 섹션에서는 공공 충전기 나 차고 차고에서 차고에서 차고에서 차고에서 어떻게 충전하는지에 대한 아이디어를 제공합니다.
갈바닉 격리 비용이 많이 듭니다
거의 모든 EV에는 차량이 집에서 충전 할 때 공개 빠른 충전기와 마찬가지로 AC-DC 변환 기능을 수행하는 OBC (Onboard Charger)가 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 OBC는 차량에 있습니다. 차량 제조업 및 모델에 따라 배터리에 약 5 ~ 22 킬로와트의 전력 레벨을 제공 할 수 있습니다. 이러한 청구율은 빠른 충전과 비교하여 낮으며 일반적으로 만 가능합니다. 공공 충전기50kW에서 시작하여 최대 350kW까지 올라갈 수 있습니다.
오늘날, 모든 충전기 (온보드 및 오프 보드)는 활기 적으로 고립되어 있습니다. 갈바니 분리는 자동차가 자동차 또는 공개 충전기에 관계없이 전력 수정 하드웨어에 통합됩니다.
공개 충전소에있는 단일 300kW 포트에는 약 90,000 달러의 전력 전자 장치가 포함되어 있으며 그 중 약 $ 54,000는 격리 링크입니다.
그만큼 EV 충전기의 하드웨어 기본적으로 스마트 폰이나 랩톱을 충전하는 스위칭 전원 공급 장치의 훨씬 더 크고 고출력 버전입니다. 이전에, 우리는 EV의 전력 변환이 어떻게 작동하는지에 대한 기본 아이디어를 제공했지만 실제로는 그보다 조금 더 관여합니다. EVS의 경우 전력 변환은 4 단계로 발생합니다 (그림, “충격 위험”). 첫 번째 단계에서는 단상 또는 3 상 인 AC 전력이 활성 정류기에 의해 DC로 변환됩니다. 두 번째로, 첫 번째 단계의 DC 파워는 인버터로 알려진 회로에 의해 고주파 AC 제곱파 (고전적인 사인파를 생각하지만 사각형이 아닌 정사각형 모양)로 변환됩니다. 이 높은 주파수의 이유는 세 번째 단계에서 변압기가 AC를 다른 전압으로 변환하고 고주파수로 인해이 변압기가 전력망과 같은 낮은 주파수보다 훨씬 작고 가벼워지기 때문입니다. 마지막으로, 네 번째 단계에서 고주파 정류기는 고주파 AC를 DC로 다시 변환 한 다음 차량의 배터리로 보냅니다. 종합적으로 2 단계, 3 및 4는 갈등 분리를 제공하는 격리 링크를 구성합니다 (그림 참조.
이 격리 링크는 매우 비쌉니다. 전형적인 EV에서 전력 전자 제품 비용의 약 60 %를 차지하며 충전기의 전력 손실의 약 50 %를 차지합니다. 우리는 재료 청구서의 비용과 아연 도로 고립 된 충전 포트의 조립이 킬로와트 당 약 300 달러라고 추정합니다. 따라서 공개 충전소에있는 단일 300kW 포트에는 약 $ 90,000의 Power Electronics가 포함되어 있으며 그 중 약 $ 54,000는 격리 링크입니다.
수학 : 4 개의 포트가있는 충전소에는 약 $ 360,000가 포함됩니다. 전력 전자 장치그 중 20 만 달러 이상이 갈바니 고립을 위해 진행됩니다. 미국의 총 비용에 대한 아이디어를 얻기 위해 미국은 미국의 61,000 개 이상의 공공 EV 충전소에서 여러 항구에 의해 충전기 당 전력 전자 제품의 60 % 비용 절감에 60 %의 비용 절감을 곱한 것입니다.
EV의 온보드 충전기의 경우 격리 링크는 비용뿐만 아니라 벌크를 추가합니다. 충전 기능이 높을수록 격리 시스템의 비용과 크기가 커집니다. 그렇기 때문에 OBC로 빠르게 충전 할 수 없었습니다. 비용과 규모는 차량 안에 포함하기에는 너무 좋을 것입니다.
이것이 우리가 갈바닉 격리를 제거하기 위해 제안하는 주된 이유 중 하나입니다. 수십억 달러의 자본 및 에너지 비용이 절약 될 수 있습니다. 충전기가 약 절반의 구성 요소를 사용하기 때문에 하드웨어 신뢰성이 향상됩니다. 충전기 하드웨어 중 2 단계, 3 및 4 단계를 제거하는 갈바니 분리를 제거하면 온보드 충전기 크기를 크게 줄이고 레벨 3 전력이라고도하는 빠른 충전을 처리 할 수 있습니다. 이것은 100kW 이상의 DC 전류를 제공하는 가장 높은 충전 수준입니다.
Tesla Motors는 2006 년 산타 모니카에서 전기 로드스터를 공개했습니다.Glenn Koenig/로스 앤젤레스 시간/게티 이미지
격리 링크가 제거되면 다음 단계를 수행 할 수 있습니다. 차량의 인버터 인버터 공급 전원을 운전하기 위해 모터에 공급하는 것과 충전을 위해 배터리에도 제공 할 수 있습니다. 자동차 인버터가 이중 의무를 수행하게함으로써 나머지 비용을 절반으로 줄입니다. 다시.
이 중 어느 것도 새로운 아이디어가 아닙니다. 2008 년 시장에 도달 한 원래 Tesla Roadster와 AC 추진에 의해 건축 된 모든 제품은 재충전 기능이 인버터에 의해 수행 된 비 갤버트로 분리 된 통합 충전을 성공적으로 사용했습니다. 이러한 AC 추진 차량에서, 공칭 배터리 전압은 오늘날 대부분의 EV에서와 마찬가지로 약 400 볼트 직류였습니다.
갈바니 분리를 제거 할 수 있습니까?
격리 링크를 제거하기위한 요구 사항은 매우 복잡하거나 비용이 많이 들지 않습니다. 특히 두 가지 문제를 해결해야합니다. 전기 충격 유틸리티와 배터리 전압 사이의 호환성.
먼저 충격 위험을 살펴 보겠습니다. 세 가지 조건이 동시에 존재하면 전기가 발생할 수 있습니다. 차량이 접지되지 않고, 전력이 접지되지 않은 차량에 전력이 적용되며, 전류 누설 경로가 형성되었습니다 (그림,“충격 위험”참조). 예를 들어 배터리의 전해질이 누출되기 시작하여 배터리와 자동차 본체 사이의 경로를 형성하면 누설 경로가 생성 될 수 있습니다. 모든 EV 충전 시스템에는 접지 연결이 포함되기 때문에, 접지 연결이 파손되거나 손상된 경우에만 누출 경로가 문제가된다.
온보드 및 오프 보드 모두에있는 모든 충전 시스템에는 안전 촉진자다양한 전자 점검이 수행 된 후에 만 배터리에 전력을 적용합니다. 이러한 수표에는 접지 연결이 손상되지 않은지 테스트하는 지상 검증이 포함됩니다. 접지 연결에 결함이 있거나 결함이 있으면 충전 전력이 배터리에 적용되지 않습니다.
EV 충전 : 레벨 1, 2 및 3
레벨 1 충전은 표준 단일 상 115 볼트 AC를 충전기 입력으로 사용합니다. 이러한 충전 속도는 2kW 미만으로 제한됩니다. 100kWh 배터리를 완전히 재충전하기 위해 총 재충전 시간은 약 80 시간입니다.
레벨 2 충전기는 대부분의 EV 소유자가 차고에 가지고있는 것입니다. 미국에서 레벨 2는 충전기 입력으로서 단상 208 또는 240 v AC를 사용합니다. 유럽에서는 입력 전력이 380 V AC, 3 상입니다. 최대 재충전 속도는 유틸리티 서비스의 현재 등급 또는 온보드 충전기로 제한됩니다. 6kW에서, 하룻밤 충전은 일반적으로 200 마일의 추가 범위를 제공 할 수 있습니다.
레벨 3, 빠른 충전 또는 DC 충전이라고도하는 것은 차량 배터리에 직접 적용하기 위해 3 상 유틸리티 파워를 조절 된 DC로 변환하여 온보드 충전기를 우회하는 오프 보드 충전기를 사용합니다 (그림 3 참조). 최대 재충전 속도는 일반적으로 50kW에서 시작하여 현재 약 360kW로 연장됩니다. 충전기는 최대 600kW의 요금을 지원하는 개발 중이며, 이는 충전 분당 약 30 마일의 추가 운전 충전으로 해석됩니다.
예를 들어, 홈 차고에서 레벨 2 충전의 경우 안전 컨택 터는 전기 자동차 공급 장비. 그만큼 EVSE 일반적으로 큰 신발 박스의 크기이며 벽이나 기둥에 장착 될 수 있습니다. 공개 빠른 충전의 경우 안전 컨택 터는 하드웨어의 필수 부분입니다.
이것이 의미하는 바는 갈바니 분리를 제거하는 것이 충격 위험이 없다는 것입니다. 차량이 접지되고 누출로 인해 차량 섀시가 고전압으로 발생하면, 그로 인해 지상으로의 전류 서지가 충전기에서 즉시 트립 차단기가됩니다.
그러므로 질문은 다음과 같습니다. 접지 검증이 절대적으로 실패 할 수 있다고 신뢰할 수 있습니까? 다시 말해, 접지 검증 회로 내의 구성 요소가 실패한 경우에도 접지 회로가 파손되거나 손상되면 전원이 적용되지 않음을 보장 할 수 있습니까? 그러한 절대 보장은 도덕적, 법적 견해 모두에서 필요합니다. 갈바니 분리와 같은 기존 안전 요소를 제거하는 것은 안전에서 순이익을 제공하는 무언가로 대체되지 않는 한 용납 할 수 없습니다.
우리는 그렇게 할 수 있습니다. 충전기 회로의 비교적 간단한 수정 일뿐입니다.
이러한 수준의 안전성은 지상 대륙성 탐지와 결합 된 이중 지상에 의해 제공 될 수 있습니다 (“이중 지상 ‘회로는 충격을 방지합니다”). 이 이중 지상 방법은 그라운드 와이어에서 둘을 기반으로합니다. 이 체계를 사용하면 하나의 접지 와이어가 절단되면 다른 하나는 차량이 여전히 접지되어 있는지 확인합니다. 안전을 더욱 향상시키기 위해, 한 개의 접지선이 여전히 손상되지 않더라도 깨진 땅이 감지되고 전원이 차단됩니다.
지상의 탐지-와이어 연속성은 비싸거나 복잡하지 않습니다. 우리 중 하나 (Rippel)는 약 1 년 전에 프로토 타입 탐지 회로를 개발했습니다. 이 시스템은 두 개의 작은 변압기를 사용하여 하나는 지상 전선 중 하나에 신호를 주입하고 다른 하나는 두 번째 접지 와이어에서 신호를 감지합니다. 두 번째 변압기에 의해 신호가 감지되지 않으면 EVSE의 컨택 터가 열려있어 전원을 적용 할 수 없습니다. 이 회로를 사용하면 하나 이상의 구성 요소가 실패하는 경우 전체 시스템은 실패로 유지됩니다.
이 배열은 문자 그대로 이중으로 안전합니다. 또한, 두 개의 접지 회로는 상호 독립적이기 때문에 단일 실패로 인해 두 가지지가 실패 할 수 없습니다. 이렇게하면지면 고장 확률이 낮아집니다. 단일지면 고장의 확률이 피두 실패의 확률은 다음과 같습니다 피2. 두 접지가 완전한 회로를 형성한다는 것을 감지하는 회로가 추가되면 안전이 더욱 향상됩니다. 두 가지 부지 중 하나가 손상되거나 파손 되 자마자 전원이 꺼집니다.
전기 충격의 위험을 제거하는 것만으로도 갈바니 분리를 제거하려면 처리 해야하는 유일한 문제는 아닙니다. 전압 문제도 있습니다. 특히 유틸리티의 AC 라인 전압과 EV 배터리의 불일치를 방지해야합니다.
입력 유틸리티 전압이 배터리 전압을 초과하면 전압 불일치가 한 조건에서 문제가됩니다. 이 경우, 즉시 통제되지 않은 전류가 배터리로 유입되어 손상을 입히거나 차단기가 발생할 수 있습니다.
이 문제에 대한 해결책은 벅 조정기 (또는 벅 컨버터). 벅 조정기는 기능적으로 AC보다는 DC 전류를 처리한다는 점을 제외하고는 스텝 다운 변압기와 유사합니다. 유틸리티의 AC 전압이 배터리 전압을 초과하는 경우 벅 레귤레이터는 변압기처럼 작동하여 아래로 내려갑니다. 동일한 전력 등급의 분리 링크와 비교할 때 벅 조정기의 비용은 10 % 미만이며 전력 손실은 20 % 미만입니다.
공공 EV 충전의 미래
이 시점에서, 우리는 온보드 및 공개 EV 충전에 대한 기존 4 단계 체계가 불필요하게 복잡하고 비싸는 이유를 높이 평가하기를 바랍니다. 4 단계 중 3 단계는 완전히 제거 될 수 있습니다. 이것은 단일 활성-교사 단계를 남겨두고 필요한 경우 저비용 벅 레귤레이터에 의해 이어질 것입니다. 기존 EV 충전 기어보다 높지 않은 것처럼 높은 수준에 대한 안전성을 향상시키기 위해 지상 논쟁의 감지와 함께 이중 접지를 추가합니다. 우리는이 개선 된 접근 방식 직접 전력 변환이라고합니다.
DPC 접근법을 사용하면 장비 비용이 절반 이상 줄어들면서 에너지 효율을 2 ~ 3 % 향상시킬 수 있습니다. EV 혁명 의이 단계에서 우리가 필요로하는 것입니다. 왜냐하면 EV 충전소를 운영자에게 더 저렴하게 만들고 10 년 이상이 아닌 몇 년 안에 수천 개의 더 많은 사이트를 구축 할 수 있기 때문입니다. 또한 EV 구매에 저항 한 사람들에게 EV를 더 매력적으로 만들 것입니다. 충전 인프라의 연약한 상태.
이제 EV 재충전 프로세스를 단순화하고 비용을보다 효과적으로 만들어야합니다. 그러나 그것은 기술 커뮤니티에서 갈바닉 고립에 대한 논의 없이는 확실히 일어나지 않을 것입니다. 그러니 토론을 시작하자! 우리는 격리 링크를 제거하는 것이 강력한 충전 인프라를 향한 첫 번째 단계가되어야한다고 확신합니다. EV 전이 필사적으로 필요합니다.