हम इलेक्ट्रिक कारों को गलत तरीके से चार्ज कर रहे हैं

> "जटिल और महंगा charging infrastructure इलेक्ट्रिक वाहन (EV) अपनाने को सीमित कर रहा है"

• इलेक्ट्रिक वाहनों की ओर बदलाव को तेज़ करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण बात मज़बूत सार्वजनिक EV charging infrastructure बनाना है, लेकिन सार्वजनिक इलेक्ट्रिक वाहन charging stations की निर्माण लागत बहुत अधिक है
  • उपभोक्ता उम्मीद करते हैं कि इलेक्ट्रिक वाहन उनकी हर ज़रूरत पूरी करें, जिसमें पारंपरिक वाहनों की तरह लंबी दूरी की यात्रा भी शामिल है
• वर्तमान में विकसित देशों में लगभग 90% charging घर पर होती है, लेकिन बाकी 10% सार्वजनिक charging भी इलेक्ट्रिक वाहन चालकों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है
  • डिलीवरी ट्रक, टैक्सी, अपार्टमेंट में रहने वाले लोग, छात्र और यात्रा पर निकले परिवारों के लिए सार्वजनिक charging infrastructure की कमी एक समस्या है
  • 2022 के Forbes सर्वे के अनुसार, 62% इलेक्ट्रिक वाहन मालिकों ने charging समस्याओं के कारण अपनी यात्रा योजनाएँ बदली हैं
• International Energy Agency (IEA) की रिपोर्ट के अनुसार, चीन में charging infrastructure में निवेश, इलेक्ट्रिक वाहनों की सफलता के लिए subsidies की तुलना में 4 गुना अधिक प्रभावी है

इलेक्ट्रिक वाहन charging का सिद्धांत

• charging station AC power को DC power में बदलकर बैटरी तक पहुँचाता है
• charging के दौरान निम्न शर्तें पूरी होनी चाहिए
  • बैटरी वोल्टेज निर्धारित सीमा से अधिक नहीं होना चाहिए
  • बैटरी का तापमान तय सीमा से ऊपर नहीं जाना चाहिए
  • power grid से आने वाला करंट एक निश्चित मान से अधिक नहीं होना चाहिए
• electric shock से बचाव के लिए grounding महत्वपूर्ण है
  • यदि grounding टूट जाए, तो charging port galvanic isolation के जरिए सुरक्षा देता है
  • galvanic isolation, circuits को भौतिक रूप से अलग करके उनके बीच करंट के प्रवाह को रोकता है
• charging station में galvanic isolation transformer के माध्यम से किया जाता है
  • transformer, high-frequency AC में बदली गई power के जरिए isolation प्रदान करता है

galvanic isolation बहुत महंगा है

• galvanic isolation charging equipment की लागत का लगभग 60% हिस्सा है
  • 300kW प्रति port power electronics लागत: लगभग $90,000
    • इनमें से $54,000 galvanic isolation की लागत है
  • 4-port charging station के power electronics की कुल लागत: लगभग $360,000 (सिर्फ isolation लागत ही $200,000 से अधिक)
• galvanic isolation charging उपकरण के आकार और वजन को बढ़ाता है
• onboard charger (OBC) में fast charging मुश्किल होने का कारण भी galvanic isolation का आकार और लागत है

क्या galvanic isolation को हटाया जा सकता है?

• galvanic isolation हटाने से charging equipment की लागत और energy loss आधे से अधिक कम किए जा सकते हैं
• समाधान के तरीके:
  • double ground लागू करना
    • दो grounding wires का उपयोग, ताकि एक grounding टूटने पर दूसरी सुरक्षा देती रहे
    • grounding continuity detection circuit जोड़ना → grounding क्षतिग्रस्त होने पर charging बंद
  • Buck Regulator लागू करना
    • input voltage बैटरी वोल्टेज से अधिक होने पर करंट overload को रोकता है
    • Buck Regulator की लागत मौजूदा galvanic isolation लागत के 10% से कम है, और power loss 20% से कम

सार्वजनिक इलेक्ट्रिक वाहन charging का भविष्य

• मौजूदा onboard और public charging तरीके जटिल हैं और उनकी लागत जरूरत से ज़्यादा ऊँची है
  • मौजूदा 4-step charging process में 3 चरण हटाए जा सकते हैं
    • सिर्फ active rectifier चरण रखा जाए, और आवश्यकता होने पर कम-लागत buck regulator जोड़ा जा सकता है
  • सुरक्षा में सुधार:
    • double ground और grounding continuity detection जोड़ा जाए
    • मौजूदा galvanic isolation स्तर से भी अधिक सुरक्षा सुनिश्चित की जा सकती है
• DPC (Direct Power Conversion) पद्धति के फायदे
  • equipment लागत में कमी: charging equipment की लागत 50% से अधिक घटती है
  • energy efficiency में सुधार: 2~3% सुधार
  • charging station स्थापना और maintenance लागत में कमी → कुछ ही वर्षों में हज़ारों stations जोड़े जा सकते हैं
  • charging infrastructure के विस्तार से इलेक्ट्रिक वाहनों का प्रसार तेज़ होगा
• galvanic isolation हटाने पर चर्चा ज़रूरी
  • इलेक्ट्रिक वाहन charging process को सरल बनाना और लागत घटाना अनिवार्य है
  • तकनीकी समुदाय में galvanic isolation हटाने पर चर्चा होनी चाहिए
  • galvanic isolation हटाना इलेक्ट्रिक वाहन charging infrastructure को मज़बूत करने का पहला कदम होना चाहिए

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Hacker News राय

• लेख के भीतर गहराई में दबा clickbait headline जो संकेत देता है: कार chargers बहुत जटिल और महंगे हैं। इन्हें सुरक्षा बनाए रखते हुए और सरल व सस्ता बनाया जा सकता है। इससे और अधिक charging stations बनाए जा सकते हैं
• fast charging की समस्या के बजाय standardized battery packs पर फोकस करना बेहतर होगा। मैं 50-100kWh battery का मालिक नहीं बनना चाहता। मैं उसके अंदर की charge का उपयोग करना चाहता हूँ और उसके लिए भुगतान करने को तैयार हूँ
• आम लोगों को यह काफ़ी भरोसेमंद लग सकता है। लेकिन अगर regulations या दूसरी engineering परंपराओं ने यह तय न किया होता कि galvanic isolation सुरक्षा के लिए ज़रूरी है, तो शायद यह लेख लिखने की ज़रूरत ही नहीं पड़ती
  • galvanic isolation भौतिक रूप से सुरक्षित है, और ground detection एक active safety measure है
  • मौजूदा system में भी दो ground wires डाले जा सकते हैं
  • मुझे जिज्ञासा है कि क्या ऐसा कोई तरीका है जिसमें ground wire टूट जाए और फिर भी signal बना रहे
  • मुझे यह भी जिज्ञासा है कि क्या chip असुरक्षित तरीके से fail हो सकती है
• लेख पढ़ते हुए यह सोचता रहा कि यह बाज़ार में सफल क्यों नहीं हुआ। जैसा कि लेखक ने बताया, 20 साल पहले prototype के रूप में यह तकनीक मौजूद थी। सोचने वाली बात है कि Tesla और दूसरे EV manufacturers किसी और दिशा में क्यों गए
• अच्छा होगा अगर इस infrastructure के लिए subsidy उसी तरह तय की जा सके जैसे agriculture और oil को subsidize किया जाता है
• बड़ी समस्या यह है कि इसके लिए एक नए fast charging standard की ज़रूरत होगी। अतिरिक्त ground connection की वजह से यह मौजूदा fast charging standards के साथ compatible नहीं है। इससे दुनिया भर में सड़कों पर पहले से मौजूद 4 करोड़ EVs के लिए यह बेकार हो जाएगा
• हमें हर दो parking spaces पर gfci और breaker reset करने के तरीके वाले coin-operated 120V outlets अनिवार्य करने चाहिए। इसके कई फ़ायदे हैं
  • आप जहाँ भी जाएँ, वहाँ overnight charging की जगह मिलने की संभावना होगी
  • प्रति installed location यह सबसे सस्ता है, इसलिए कहीं ज़्यादा locations उपलब्ध कराई जा सकती हैं
  • renters भी सुरक्षित रूप से EV खरीद सकेंगे और home charging कर सकेंगे
  • coin-operated 120V, कीमती copper cables की तुलना में काफ़ी अधिक मज़बूत है
  • यह अत्यधिक parking को हतोत्साहित करता है
• दो ground wires की ज़रूरत नहीं है। CP में PE(ground) की ओर 2.74K series resistance वाला एक diode होता है। अगर EVSE, CP के ज़रिए push/pull waveform भेजे और सिर्फ push को पढ़े (diode को याद रखते हुए), तो उसे पता चल सकता है कि connection सही है
  • pilot current का return path, PE contact के ज़रिए बनता है। यह detect किया जा सकता है और दोबारा verify किया जा सकता है कि PE का resistance कम है। आदर्श रूप से, कोई इससे बहुत छोटा series resistance चाहेगा
• मूल रूप से isolation transformer को हटा दिया जाता है, और line voltage (लगभग 7.2kV) को एक साधारण buck converter के ज़रिए कार तक पहुँचाया जाता है
  • galvanic isolation की जगह continuity monitor करने वाले redundant ground connectors का उपयोग किया जाता है
  • मैं इससे सहमत नहीं हूँ। इससे EVSE side पर बहुत ज़्यादा ज़िम्मेदारी आ जाती है। अगर कोई समस्या हो, तो उसे काट पाने की क्षमता होनी चाहिए। अगर emergency pyrofuse disconnect जैसी कोई चीज़ अनिवार्य हो, तो इस पर थोड़ा अधिक भरोसा किया जा सकता है
• galvanic isolation charging port की material और assembly cost लगभग $300 प्रति kilowatt आँकी गई है। public charging station के एक 300-kW port में लगभग $90,000 के power electronics शामिल होते हैं, जिनमें से लगभग $54,000 isolation link के हिस्से के रूप में आते हैं
  • मैं sample build का ठोस BOM और उसे support करने वाले mouser links देखना चाहूँगा
  • ऐसा लगता है जैसे या तो military/space-grade premium चुकाया जा रहा है, या फिर ऐसे बहुत niche parts इस्तेमाल किए जा रहे हैं जिनमें economies of scale लागत को कम नहीं करती