Wir laden Elektroautos falsch

> "Eine komplexe und kostspielige Ladeinfrastruktur begrenzt die Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs)"

• Um den Umstieg auf Elektroautos zu beschleunigen, ist der Aufbau einer starken öffentlichen EV-Ladeinfrastruktur am wichtigsten, doch die Baukosten öffentlicher Ladestationen sind sehr hoch
  • Verbraucher erwarten, dass Elektroautos alle Anforderungen erfüllen, auch Langstreckenfahrten wie herkömmliche Fahrzeuge
• Derzeit finden in Industrieländern rund 90 % der Ladevorgänge zu Hause statt, aber die verbleibenden 10 % des öffentlichen Ladens sind für EV-Fahrer äußerst wichtig
  • Für Lieferwagen, Taxis, Wohnungsbewohner, Studierende und reisende Familien ist der Mangel an öffentlicher Ladeinfrastruktur ein Problem
  • Laut einer Forbes-Umfrage von 2022 haben 62 % der Besitzer von Elektroautos schon einmal ihre Reisepläne wegen Ladeproblemen geändert
• Laut einem Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) sind Investitionen in Ladeinfrastruktur in China für den Erfolg von Elektroautos viermal wirksamer als Subventionen

Wie das Laden von Elektroautos funktioniert

• Ladestationen wandeln AC-Strom in DC-Strom um und versorgen damit die Batterie
• Beim Laden müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein
  • Die Batteriespannung darf einen Schwellenwert nicht überschreiten
  • Die Batterietemperatur darf einen festgelegten Grenzwert nicht überschreiten
  • Der Strom aus dem Netz darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten
• Zur Vermeidung von Stromschlägen ist die Erdung (grounding) wichtig
  • Wenn die Erdung unterbrochen ist, schützt der Ladeport die Sicherheit durch galvanische Trennung (Galvanic Isolation)
  • Galvanische Trennung trennt Stromkreise physisch, damit kein Strom zwischen ihnen fließen kann
• Die galvanische Trennung in Ladestationen wird durch einen Transformator (transformer) umgesetzt
  • Der Transformator sorgt für die Trennung über Leistung, die in hochfrequenten Wechselstrom (AC) umgewandelt wurde

Galvanische Trennung ist sehr teuer

• Die galvanische Trennung macht etwa 60 % der Kosten der Ladehardware aus
  • Kosten für Leistungselektronik pro 300-kW-Port: etwa 90.000 $
    • Davon entfallen 54.000 $ auf die galvanische Trennung
  • Gesamtkosten der Leistungselektronik einer Ladestation mit 4 Ports: etwa 360.000 $ (davon allein mehr als 200.000 $ für die Trennung)
• Galvanische Trennung erhöht Größe und Gewicht der Ladeeinrichtungen
• Dass schnelles Laden mit dem On-Board-Charger (OBC) schwierig ist, liegt ebenfalls an Größe und Kosten der galvanischen Trennung

Kann man die galvanische Trennung entfernen?

• Wenn man die galvanische Trennung entfernt, lassen sich die Kosten der Ladehardware und die Energieverluste um mehr als die Hälfte senken
• Lösungsansätze:
  • Doppelte Erdung (double ground)
    • Zwei Erdungsleitungen sorgen dafür, dass bei Ausfall einer Erdung die andere weiterhin schützt
    • Zusätzliche Schaltung zur Erkennung der Erdungskontinuität → Ladevorgang wird bei Erdungsschaden gestoppt
  • Buck-Regler (Buck Regulator)
    • Verhindert Stromüberlastung, wenn die Eingangsspannung höher ist als die Batteriespannung
    • Ein Buck-Regler kostet weniger als 10 % der bisherigen Kosten der galvanischen Trennung, bei weniger als 20 % der Leistungsverluste

Die Zukunft des öffentlichen EV-Ladens

• Die heutigen On-Board- und öffentlichen Ladeverfahren sind komplex und übermäßig teuer
  • Im bestehenden vierstufigen Ladeprozess lassen sich drei Stufen entfernen
    • Es muss nur die Stufe des aktiven Gleichrichters (active rectifier) erhalten bleiben; bei Bedarf kann ein kostengünstiger Buck-Regler (buck regulator) ergänzt werden
  • Höhere Sicherheit:
    • Zusätzliche doppelte Erdung (double ground) und Erkennung der Erdungskontinuität
    • Damit lässt sich ein Sicherheitsniveau erreichen, das mindestens der bestehenden galvanischen Trennung entspricht
• Vorteile des Direct Power Conversion (DPC)-Ansatzes
  • Geringere Gerätekosten: Die Kosten der Ladehardware sinken um mehr als 50 %
  • Bessere Energieeffizienz: Verbesserung um 2–3 %
  • Geringere Installations- und Wartungskosten von Ladestationen → Tausende Ladestationen könnten innerhalb weniger Jahre ausgebaut werden
  • Der Ausbau der Ladeinfrastruktur fördert die Verbreitung von Elektroautos
• Eine Diskussion über die Abschaffung der galvanischen Trennung ist nötig
  • Die Vereinfachung des Ladevorgangs und Kostensenkungen sind essenziell
  • In der technischen Community braucht es eine Debatte über den Verzicht auf galvanische Trennung
  • Der Verzicht auf galvanische Trennung sollte der erste Schritt zur Stärkung der EV-Ladeinfrastruktur sein

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Hacker-News-Kommentare

• Was die tief im Artikel versteckte Clickbait-Überschrift andeutet: Autoladegeräte sind zu komplex und zu teuer. Man könnte sie einfacher und günstiger bauen und dabei die Sicherheit beibehalten. So ließen sich mehr Ladestationen errichten
• Es wäre gut, sich statt auf das Problem des Schnellladens auf standardisierte Batteriepacks zu konzentrieren. Ich möchte keinen 50-100-kWh-Akku besitzen. Ich möchte die darin gespeicherte Ladung nutzen und bin bereit, dafür zu zahlen
• Für Laien mag das überzeugend klingen. Aber wenn Regulierung oder andere Engineering-Traditionen nicht entschieden hätten, dass galvanische Trennung für die Sicherheit nötig ist, hätte dieser Artikel wohl nicht geschrieben werden müssen
  • Galvanische Trennung ist physisch sicher, und Erdungserkennung ist eine aktive Sicherheitsmaßnahme
  • Man kann auch im aktuellen System zwei Erdungsleitungen vorsehen
  • Ich frage mich, ob es eine Möglichkeit gibt, auch dann noch ein Signal zu haben, wenn die Erdungsleitung unterbrochen ist
  • Ich frage mich, ob ein Chip auf unsichere Weise ausfallen könnte
• Beim Lesen des Artikels habe ich mich gefragt, warum sich das am Markt nicht durchgesetzt hat. Wie der Autor erwähnt, gab es die Technologie schon vor 20 Jahren als Prototyp. Ich frage mich, warum Tesla und andere Elektroautohersteller einen anderen Weg eingeschlagen haben
• Es wäre gut, wenn man Subventionen für diese Infrastruktur ähnlich aufsetzen könnte wie für Landwirtschaft und Öl
• Das große Problem ist, dass ein neuer Schnellladestandard nötig wäre. Dieser ist wegen der zusätzlichen Erdungsverbindung nicht mit dem bestehenden Schnellladestandard kompatibel. Damit wäre er für die weltweit bereits auf den Straßen befindlichen 40 Millionen Elektrofahrzeuge nutzlos
• Man sollte für je zwei Parkplätze eine münzbetriebene 120-V-Steckdose mit GFCI und einer Möglichkeit zum Zurücksetzen des Schutzschalters vorschreiben. Das hätte viele Vorteile
  • Egal wohin man fährt, es gäbe einen Ort, an dem man über Nacht laden kann
  • Pro Installationsort ist es am günstigsten und ermöglicht dadurch viel mehr Standorte
  • Auch Mieter könnten sicher ein Elektroauto kaufen und zu Hause laden
  • Münzbetriebene 120 V sind viel robuster als Kabel aus wertvollem Kupfer
  • Es wirkt überlangem Parken entgegen
• Zwei Erdungsleitungen sind nicht nötig. CP hat zu PE (Erde) eine Diode mit einem Serienwiderstand von 2,74K. Wenn die EVSE über CP eine Push/Pull-Wellenform sendet und nur den Push liest (wegen der Diode), weiß sie, dass alles korrekt verbunden ist
  • Der Rückweg für den Pilotstrom erfolgt über den PE-Kontakt. Man kann erkennen und zusätzlich verifizieren, dass PE einen niedrigen Widerstand hat. Idealerweise würde man einen viel kleineren Serienwiderstand wollen
• Im Grunde wird der Trenntransformator entfernt, und die Netzspannung (ca. 7,2 kV) wird über einen einfachen Buck-Converter an das Auto geliefert
  • Statt galvanischer Trennung werden redundante Erdungsstecker verwendet, die die Durchgängigkeit überwachen
  • Dem stimme ich nicht zu. Das legt zu viel Verantwortung auf die EVSE-Seite. Wenn ein Problem auftritt, sollte sie in der Lage sein, abzuschalten. Wenn so etwas wie ein Not-Aus per Kabelzug verpflichtend wäre, hätte ich etwas mehr Vertrauen
• Die Material- und Montagekosten eines galvanisch getrennten Ladeports werden auf etwa 300 $ pro Kilowatt geschätzt. Ein einzelner 300-kW-Port an einer öffentlichen Ladestation enthält etwa 90.000 $ an Leistungselektronik, davon entfallen etwa 54.000 $ auf die Isolationsstufe
  • Ich würde gerne die konkrete BOM des Beispielaufbaus und die dazugehörigen Mouser-Links sehen
  • Es wirkt, als würde man einen Militär-/Raumfahrt-Aufpreis zahlen oder sehr spezielle Nischenbauteile verwenden, bei denen Skaleneffekte die Kosten nicht senken