Estamos cargando mal los vehículos eléctricos

> "La infraestructura de carga compleja y costosa está limitando la adopción de vehículos eléctricos (EV)"

• Para acelerar la transición hacia los vehículos eléctricos, lo más importante es construir una infraestructura pública de carga de EV sólida, pero las estaciones públicas de carga para vehículos eléctricos tienen un costo de construcción muy alto
  • Los consumidores esperan que los vehículos eléctricos satisfagan todas sus necesidades, incluidos los viajes de larga distancia, igual que los vehículos tradicionales
• Actualmente, en los países desarrollados, alrededor del 90% de la carga se realiza en casa, pero el 10% restante de carga pública es muy importante para los conductores de vehículos eléctricos
  • La falta de infraestructura pública de carga es un problema para camiones de reparto, taxis, residentes de departamentos, estudiantes y familias que viajan
  • Según una encuesta de Forbes de 2022, el 62% de los propietarios de vehículos eléctricos ha cambiado sus planes de viaje por problemas de carga
• Según un informe de la Agencia Internacional de Energía (IEA), en China la inversión en infraestructura de carga es 4 veces más efectiva que los subsidios para el éxito de los vehículos eléctricos

Principios de la carga de vehículos eléctricos

• La estación de carga convierte la energía AC en energía DC y la suministra a la batería
• Durante la carga, deben cumplirse las siguientes condiciones
  • El voltaje de la batería no debe superar el umbral crítico
  • La temperatura de la batería no debe exceder el límite establecido
  • La corriente de la red eléctrica no debe superar cierto valor
• La conexión a tierra (grounding) es importante para prevenir descargas eléctricas
  • Si la conexión a tierra se interrumpe, el puerto de carga protege la seguridad mediante aislamiento galvánico (Galvanic Isolation)
  • El aislamiento galvánico separa físicamente los circuitos para evitar que la corriente fluya entre ellos
• El aislamiento galvánico de la estación de carga se realiza con un transformador (transformer)
  • El transformador proporciona aislamiento a través de energía convertida en corriente alterna (AC) de alta frecuencia

El aislamiento galvánico es muy costoso

• El aislamiento galvánico representa aproximadamente el 60% del costo del equipo de carga
  • Costo de los equipos de electrónica de potencia por puerto de 300kW: alrededor de $90,000
    • De ese total, $54,000 corresponden al costo del aislamiento galvánico
  • Costo total de los equipos de electrónica de potencia de una estación de carga de 4 puertos: alrededor de $360,000 (solo el costo del aislamiento supera los $200,000)
• El aislamiento galvánico aumenta el tamaño y el peso del equipo de carga
• La razón por la que la carga rápida es difícil en el cargador a bordo (OBC) también se debe al tamaño y costo del aislamiento galvánico

¿Se puede eliminar el aislamiento galvánico?

• Si se elimina el aislamiento galvánico, es posible reducir a más de la mitad el costo del equipo de carga y las pérdidas de energía
• Soluciones propuestas:
  • Aplicar doble tierra (double ground)
    • Usar dos líneas de tierra para que, aunque una se corte, la otra siga cumpliendo la función de protección
    • Agregar un circuito de detección de continuidad de tierra → si la tierra se daña, se detiene la carga
  • Aplicar un buck regulator
    • Si el voltaje de entrada es mayor que el voltaje de la batería, evita la sobrecarga de corriente
    • El buck regulator cuesta menos del 10% del aislamiento galvánico existente y sus pérdidas de energía son menores al 20%

El futuro de la carga pública de vehículos eléctricos

• Los métodos actuales de carga a bordo y pública son complejos y excesivamente costosos
  • En el proceso tradicional de carga de 4 etapas, se pueden eliminar 3 etapas
    • Solo se mantendría la etapa de active rectifier y, si hace falta, se podría agregar un buck regulator de bajo costo
  • Mejora de seguridad:
    • Agregar doble tierra (double ground) y detección de continuidad de tierra
    • Es posible asegurar un nivel de seguridad igual o superior al del aislamiento galvánico actual
• Ventajas del método de Direct Power Conversion (DPC)
  • Reducción del costo del equipo: el costo del equipo de carga disminuye más del 50%
  • Mejora de la eficiencia energética: mejora de 2 a 3%
  • Reducción de los costos de instalación y mantenimiento de estaciones de carga → posibilidad de ampliar miles de estaciones en pocos años
  • La expansión de la infraestructura de carga impulsa la adopción de vehículos eléctricos
• Necesidad de debatir la eliminación del aislamiento galvánico
  • Simplificar el proceso de carga de vehículos eléctricos y reducir costos es esencial
  • La comunidad tecnológica necesita debatir la eliminación del aislamiento galvánico
  • Eliminar el aislamiento galvánico debe ser el primer paso para fortalecer la infraestructura de carga de vehículos eléctricos

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Opiniones de Hacker News

• Lo que implica el titular clickbait enterrado en lo profundo del artículo: los cargadores de autos son demasiado complejos y caros. Se pueden hacer más simples y baratos manteniendo la seguridad. Eso permitiría construir más estaciones de carga
• Sería mejor enfocarse en paquetes de baterías estandarizados en lugar del problema de la carga rápida. No quiero ser dueño de una batería de 50-100 kWh. Quiero usar la carga que tiene dentro y pagar con gusto por ello
• Puede sonar convincente para el público general. Pero si la regulación u otras tradiciones de ingeniería no hubieran determinado que el aislamiento galvánico es necesario para la seguridad, probablemente no habría sido necesario escribir este artículo
  • El aislamiento galvánico es físicamente seguro, y la detección de tierra es una medida de seguridad activa
  • Incluso en los sistemas actuales se pueden poner dos cables de tierra
  • Me pregunto si hay alguna forma de tener señal aunque se corte el cable de tierra
  • Me pregunto si el chip podría fallar de una manera insegura
• Mientras leía el artículo me preguntaba por qué no tuvo éxito en el mercado. Como menciona el autor, la tecnología ya existía como prototipo hace 20 años. Me pregunto por qué Tesla y otros fabricantes de vehículos eléctricos se fueron por otro camino
• Estaría bien que se pudieran establecer subsidios para esta infraestructura de la misma forma en que se subsidian la agricultura y el petróleo
• El gran problema es que se necesitaría un nuevo estándar de carga rápida. No es compatible con los estándares actuales de carga rápida debido a la conexión a tierra adicional. Eso lo vuelve inútil para los 40 millones de vehículos eléctricos que ya circulan por las carreteras en todo el mundo
• Deberíamos exigir un tomacorriente de 120 V con monedero, GFCI y alguna forma de reiniciar el disyuntor por cada dos espacios de estacionamiento. Tiene muchas ventajas
  • Habría un lugar para cargar durante la noche adonde sea que vayas
  • Es lo más barato por lugar instalado, así que ofrecería muchos más lugares
  • Incluso los inquilinos podrían comprar un vehículo eléctrico de forma segura y cargarlo en casa
  • Un tomacorriente de 120 V con monedero es mucho más resistente que un cable hecho de cobre valioso
  • Desincentiva el estacionamiento excesivo
• No se necesitan dos cables de tierra. CP tiene un diodo con una resistencia en serie de 2.74K hacia PE (tierra). Si el EVSE envía una forma de onda push/pull por CP y solo lee el push (recuerda el diodo), puede saber que está correctamente conectado
  • La ruta de retorno de la corriente piloto pasa por el contacto PE. Se puede detectar y verificar por duplicado que PE tiene baja resistencia. Idealmente, se querría una resistencia en serie mucho menor
• Básicamente elimina el transformador de aislamiento y suministra voltaje de línea (aprox. 7.2 kV) al auto a través de un convertidor buck simple
  • Usa conectores de tierra redundantes que monitorean continuidad en lugar de aislamiento galvánico
  • No estoy de acuerdo con esto. Le da demasiada responsabilidad al lado EVSE. Si ocurre un problema, debería poder cortarlo. Si se obligara algo como una desconexión por tirón de emergencia, me parecería un poco más confiable
• Estima el costo de materiales y ensamblaje de un puerto de carga con aislamiento galvánico en unos $300 por kilovatio. Un solo puerto público de 300 kW incluiría alrededor de $90,000 en electrónica de potencia, de los cuales unos $54,000 corresponderían al enlace de aislamiento
  • Me gustaría ver el BOM específico de una construcción de muestra y los enlaces de Mouser que respaldan eso
  • Parece como si estuvieran pagando una prima de grado militar/espacial o usando componentes muy de nicho donde las economías de escala no reducen el costo