Technologie ładowarek EV

Technologie ładowania pojazdów elektrycznych w Chinach i Stanach Zjednoczonych są zasadniczo podobne. W obu krajach kable i wtyczki są zdecydowanie dominującą technologią ładowania pojazdów elektrycznych. (Ładowanie bezprzewodowe i wymiana baterii mają co najwyżej marginalny zasięg). Istnieją różnice między tymi dwoma krajami pod względem poziomów ładowania, standardów ładowania i protokołów komunikacyjnych. Te podobieństwa i różnice omówiono poniżej.

A. Poziomy ładowania

W Stanach Zjednoczonych ładowanie pojazdów elektrycznych w dużej mierze odbywa się przy napięciu 120 V z wykorzystaniem niezmodyfikowanych gniazdek ściennych. Jest to powszechnie znane jako ładowanie podtrzymujące (tzw. „Track Charging”). Przy ładowaniu podtrzymującym (Track Charging) typowy akumulator o mocy 30 kWh potrzebuje około 12 godzin, aby naładować go od 20% do niemal pełnego poziomu. (W Chinach nie ma gniazdek 120 V).

Zarówno w Chinach, jak i w Stanach Zjednoczonych, ładowanie pojazdów elektrycznych w dużej mierze odbywa się przy napięciu 220 V (Chiny) lub 240 V (Stany Zjednoczone). W Stanach Zjednoczonych nazywa się to ładowaniem poziomu 2.

Takie ładowanie może odbywać się za pomocą gniazdek elektrycznych lub specjalistycznego sprzętu do ładowania pojazdów elektrycznych i zazwyczaj zużywa około 6–7 kW mocy. Podczas ładowania napięciem 220–240 V, typowy akumulator o pojemności 30 kWh potrzebuje około 6 godzin, aby naładować go od 20% do niemal pełnego poziomu.

Wreszcie, zarówno Chiny, jak i Stany Zjednoczone dysponują rosnącą siecią szybkich ładowarek prądu stałego (DC), zazwyczaj o mocy 24 kW, 50 kW, 100 kW lub 120 kW. Niektóre stacje oferują moc 350 kW, a nawet 400 kW. Te szybkie ładowarki prądu stałego (DC) pozwalają naładować akumulator pojazdu od 20% do niemal pełnego naładowania w czasie od około godziny do zaledwie 10 minut.

Tabela 6:Najpopularniejsze poziomy ładowania w USA

Źródło: Departament Energii USA

B. Standardy ładowania

i. Chiny

Chiny mają jeden ogólnokrajowy standard szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych. W USA obowiązują trzy standardy szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych.

Standard chiński znany jest jako China GB/T. (Skrót odGB(reprezentuje standard krajowy.)

Standard GB/T w Chinach został wydany w 2015 roku po kilku latach rozwoju.124 Obecnie jest on obowiązkowy dla wszystkich nowych pojazdów elektrycznych sprzedawanych w Chinach. Międzynarodowi producenci samochodów, w tym Tesla, Nissan i BMW, przyjęli standard GB/T dla swoich pojazdów elektrycznych sprzedawanych w Chinach. Standard GB/T umożliwia obecnie szybkie ładowanie z maksymalną mocą wyjściową 237,5 kW (przy napięciu 950 V i 250 A), choć wiele

Chińskie szybkie ładowarki prądu stałego oferują ładowanie z mocą 50 kW. Nowa ładowarka GB/T zostanie wprowadzona na rynek w 2019 lub 2020 roku i podobno zaktualizuje standard, umożliwiając ładowanie większych pojazdów użytkowych z mocą do 900 kW. GB/T to standard obowiązujący wyłącznie w Chinach: nieliczne chińskie pojazdy elektryczne eksportowane za granicę korzystają z innych standardów.125

W sierpniu 2018 roku Chińska Rada ds. Energii Elektrycznej (CEC) ogłosiła podpisanie memorandum o porozumieniu z japońską siecią CHAdeMO w celu wspólnego opracowania ultraszybkiego ładowania. Celem jest zapewnienie kompatybilności między GB/T a CHAdeMO w zakresie szybkiego ładowania. Obie organizacje będą współpracować w celu rozszerzenia standardu na kraje poza Chinami i Japonią.126

ii. Stany Zjednoczone

W Stanach Zjednoczonych obowiązują trzy standardy szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych prądem stałym: CHAdeMO, CCS SAE Combo i Tesla.

CHAdeMO to pierwszy standard szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych, wprowadzony w 2011 roku. Został opracowany przez Tokyo

Electric Power Company, a skrót od „Charge to Move” (gra słów w języku japońskim). 127 Technologia CHAdeMO jest obecnie stosowana w Stanach Zjednoczonych w Nissanie Leaf i Mitsubishi Outlanderze PHEV, które należą do najchętniej kupowanych pojazdów elektrycznych. Sukces Leafa w Stanach Zjednoczonych może być…ŁADOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W CHINACH I STANACH ZJEDNOCZONYCH

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | LUTY 2019 |

częściowo z powodu wczesnego zaangażowania firmy Nissan w wdrożenie infrastruktury szybkiego ładowania CHAdeMO w salonach sprzedaży i innych lokalizacjach miejskich.128 W styczniu 2019 r. w Stanach Zjednoczonych działało ponad 2900 szybkich ładowarek CHAdeMO (a także ponad 7400 w Japonii i 7900 w Europie).129

W 2016 roku CHAdeMO ogłosiło, że podniesie standard ładowania z początkowej stawki 70

kW oferuje 150 kW.130 W czerwcu 2018 roku CHAdeMO ogłosiło wprowadzenie możliwości ładowania 400 kW, wykorzystując kable chłodzone cieczą o napięciu 1000 V i natężeniu 400 A. Wyższa moc ładowania będzie dostępna, aby sprostać potrzebom dużych pojazdów użytkowych, takich jak ciężarówki i autobusy.131

Drugi standard ładowania w Stanach Zjednoczonych znany jest jako CCS lub SAE Combo. Został on wprowadzony w 2011 roku przez grupę europejskich i amerykańskich producentów samochodów.kombinacjaoznacza, że ​​wtyczka zawiera zarówno ładowanie prądem przemiennym (do 43 kW), jak i ładowanie prądem stałym.132 W

W Niemczech powstała koalicja Charging Interface Initiative (CharIN), której celem jest propagowanie powszechnego stosowania CCS. W przeciwieństwie do CHAdeMO, wtyczka CCS umożliwia ładowanie prądem stałym i przemiennym za pomocą jednego portu, co zmniejsza ilość miejsca i otworów w nadwoziu pojazdu. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA i Hyundai wspierają technologię CCS. Tesla również dołączyła do koalicji i w listopadzie 2018 roku ogłosiła, że ​​jej pojazdy w Europie będą wyposażone w porty ładowania CCS. Chevrolet Bolt i BMW i3 należą do popularnych samochodów elektrycznych w Stanach Zjednoczonych korzystających z ładowania CCS. Podczas gdy obecne szybkie ładowarki CCS oferują ładowanie z mocą około 50 kW, program Electrify America obejmuje szybkie ładowanie z mocą 350 kW, co pozwala na niemal pełne naładowanie w zaledwie 10 minut.

Trzeci standard ładowania w Stanach Zjednoczonych jest obsługiwany przez firmę Tesla, która we wrześniu 2012 r. uruchomiła w Stanach Zjednoczonych własną sieć ładowarek Supercharger.134 Tesla

Superładowarki zazwyczaj działają przy napięciu 480 V i oferują ładowanie z maksymalną mocą 120 kW.

W styczniu 2019 r. na stronie internetowej Tesli wymieniono 595 lokalizacji Superchargerów w Stanach Zjednoczonych, a kolejne 420 lokalizacji „wkrótce” zostanie otwartych.135 W maju 2018 r. Tesla zasugerowała, że ​​w przyszłości jej Superchargery mogą osiągać moc nawet 350 kW.136

W naszych badaniach na potrzeby tego raportu zapytaliśmy ankietowanych z USA, czy uważają brak jednego krajowego standardu szybkiego ładowania prądem stałym za barierę dla wdrażania pojazdów elektrycznych. Niewielu odpowiedziało twierdząco. Powody, dla których wiele standardów szybkiego ładowania prądem stałym nie jest uznawanych za problem, to:

● Większość ładowania pojazdów elektrycznych odbywa się w domu i w pracy, za pomocą ładowarek poziomu 1 i 2.

● Do tej pory w większości infrastruktury ładowania publicznego i w miejscach pracy stosowano ładowarki poziomu 2.

● Dostępne są adaptery, które umożliwiają właścicielom pojazdów elektrycznych korzystanie z większości szybkich ładowarek prądu stałego, nawet jeśli pojazd elektryczny i ładowarka korzystają z różnych standardów ładowania. (Głównym wyjątkiem jest sieć superładowarek Tesla, która jest dostępna tylko dla pojazdów Tesla). Należy zauważyć, że istnieją pewne obawy dotyczące bezpieczeństwa adapterów szybkiego ładowania.

● Ponieważ wtyczka i złącze stanowią niewielki procent kosztów stacji szybkiego ładowania, nie stanowi to większego problemu technicznego ani finansowego dla właścicieli stacji i można je porównać do wężyków do benzyny o różnej liczbie oktanowej na stacji paliw. Wiele publicznych stacji ładowania ma wiele wtyczek podłączonych do jednego punktu ładowania, co umożliwia ładowanie dowolnego typu pojazdu elektrycznego. W rzeczywistości wiele jurysdykcji wymaga lub wręcz zachęca do takiego rozwiązania.ŁADOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W CHINACH I STANACH ZJEDNOCZONYCH

38 | CENTRUM GLOBALNEJ POLITYKI ENERGETYCZNEJ | COLUMBIA SIPA

Niektórzy producenci samochodów twierdzą, że ekskluzywna sieć ładowania stanowi strategię konkurencyjną. Claas Bracklo, dyrektor ds. elektromobilności w BMW i prezes CharIN, stwierdził w 2018 roku: „Założyliśmy CharIN, aby zbudować silną pozycję”.137 Wielu właścicieli i inwestorów Tesli uważa jej autorską sieć superładowarek za atut sprzedażowy, chociaż Tesla nadal wyraża chęć umożliwienia innym modelom samochodów korzystania z jej sieci, pod warunkiem, że wniosą wkład finansowy proporcjonalny do wykorzystania.138 Tesla jest również częścią CharIN promującego CCS. W listopadzie 2018 roku firma ogłosiła, że ​​Model 3 sprzedawany w Europie będzie wyposażony w porty CCS. Właściciele Tesli mogą również zakupić adaptery umożliwiające dostęp do szybkich ładowarek CHAdeMO.139

C. Protokoły komunikacji ładowania Protokoły komunikacji ładowania są niezbędne do optymalizacji ładowania pod kątem potrzeb użytkownika (wykrywanie stanu naładowania, napięcia akumulatora i bezpieczeństwa) oraz sieci (w tym

przepustowość sieci dystrybucyjnej, ceny uzależnione od czasu użytkowania i środki reagowania na popyt).140 China GB/T i CHAdeMO korzystają z protokołu komunikacyjnego CAN, natomiast CCS współpracuje z protokołem PLC. Otwarte protokoły komunikacyjne, takie jak Open Charge Point Protocol (OCPP) opracowany przez Open Charging Alliance, zyskują coraz większą popularność w Stanach Zjednoczonych i Europie.

W naszych badaniach na potrzeby niniejszego raportu, kilku respondentów z USA wskazało na przejście na otwarte protokoły komunikacyjne i oprogramowanie jako priorytet polityki. W szczególności niektóre publiczne projekty ładowania, które otrzymały finansowanie w ramach ustawy American Recovery and Reinvestment Act (ARRA), zostały wskazane jako te, w których wybrano dostawców z zastrzeżonymi platformami, które następnie napotkały trudności finansowe, w wyniku czego zepsuty sprzęt wymagał wymiany.141 Większość miast, przedsiębiorstw użyteczności publicznej i sieci ładowania, z którymi skontaktowano się w ramach niniejszego badania, wyraziła poparcie dla otwartych protokołów komunikacyjnych i zachęt umożliwiających operatorom sieci ładowania bezproblemową zmianę dostawców.142

D. Koszty

Ładowarki domowe są tańsze w Chinach niż w Stanach Zjednoczonych. W Chinach typowa 7 kW montowana na ścianie ładowarka domowa sprzedawana jest online za cenę od 1200 do 1800 RMB.143 Instalacja wymaga dodatkowych kosztów. (Większość prywatnych zakupów pojazdów elektrycznych obejmuje ładowarkę i instalację). W Stanach Zjednoczonych ładowarki domowe poziomu 2 kosztują od 450 do 600 USD, plus średnio około 500 USD za instalację.144 Sprzęt do szybkiego ładowania prądem stałym jest znacznie droższy w obu krajach. Koszty są bardzo zróżnicowane. Jeden chiński ekspert, z którym przeprowadzono wywiad na potrzeby tego raportu, oszacował, że instalacja 50 kW szybkiego ładowania prądem stałym w Chinach kosztuje zazwyczaj od 45 000 do 60 000 RMB, przy czym sam słup ładowania stanowi około 25 000–35 000 RMB, a okablowanie, infrastruktura podziemna i robocizna stanowią pozostałą część.145 W Stanach Zjednoczonych szybkie ładowanie prądem stałym może kosztować dziesiątki tysięcy dolarów za słup. Główne zmienne wpływające na koszt instalacji urządzeń do szybkiego ładowania prądem stałym obejmują konieczność wykonania wykopów, modernizacji transformatorów, nowych lub zmodernizowanych obwodów i paneli elektrycznych oraz udoskonaleń estetycznych. Oznakowanie, zezwolenia i dostęp dla niepełnosprawnych to dodatkowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę.146

E. Ładowanie bezprzewodowe

Ładowanie bezprzewodowe oferuje szereg zalet, m.in. estetykę, oszczędność czasu i łatwość użytkowania.

Było ono dostępne w latach 90. XX wieku dla modelu EV1 (wczesnej wersji samochodu elektrycznego), ale dziś jest rzadkością.147 Systemy bezprzewodowego ładowania pojazdów elektrycznych oferowane online kosztują od 1260 do około 3000 dolarów.148 Bezprzewodowe ładowanie pojazdów elektrycznych wiąże się z obniżeniem wydajności, a obecne systemy oferują wydajność ładowania na poziomie około 85%.149 Obecne produkty do ładowania bezprzewodowego oferują transfer mocy od 3 do 22 kW; bezprzewodowe ładowarki są dostępne dla kilku modeli pojazdów elektrycznych, począwszy od ładowania bez użycia wtyczki o mocy 3,6 kW lub 7,2 kW, co odpowiada ładowaniu poziomu 2.150 Chociaż wielu użytkowników pojazdów elektrycznych uważa, że ​​ładowanie bezprzewodowe nie jest warte dodatkowych kosztów,151 niektórzy analitycy przewidują, że technologia ta wkrótce się upowszechni, a kilku producentów samochodów ogłosiło, że zaoferuje ładowanie bezprzewodowe jako opcję w przyszłych pojazdach elektrycznych. Ładowanie bezprzewodowe może być atrakcyjne dla niektórych pojazdów o określonych trasach, takich jak autobusy komunikacji miejskiej, a także zostało zaproponowane dla przyszłych pasów autostrad elektrycznych, chociaż wysoki koszt, niska wydajność ładowania i niskie prędkości ładowania byłyby wadami.152

F. Wymiana baterii

Dzięki technologii wymiany baterii, pojazdy elektryczne mogłyby wymieniać rozładowane akumulatory na w pełni naładowane. To radykalnie skróciłoby czas ładowania pojazdu elektrycznego, co przyniosłoby kierowcom znaczne korzyści.

Kilka chińskich miast i firm eksperymentuje obecnie z wymianą baterii, koncentrując się na pojazdach elektrycznych o dużym wykorzystaniu, takich jak taksówki. Miasto Hangzhou wdrożyło wymianę baterii w swojej flocie taksówek, która korzysta z lokalnie produkowanych pojazdów elektrycznych Zotye.155 Pekin zbudował kilka stacji wymiany baterii, wspierany przez lokalnego producenta samochodów BAIC. Pod koniec 2017 roku BAIC ogłosił plan budowy 3000 stacji wymiany baterii w całym kraju do 2021 roku.156 Chiński startup NIO, zajmujący się pojazdami elektrycznymi, planuje wdrożyć technologię wymiany baterii w niektórych swoich pojazdach i zapowiedział budowę 1100 stacji wymiany w Chinach.157 Kilka miast w Chinach – w tym Hangzhou i Qingdao – również korzysta z wymiany baterii w autobusach.158

W Stanach Zjednoczonych dyskusja na temat wymiany baterii przycichła po bankructwie w 2013 roku izraelskiego startupu Project Better Place, który planował stworzenie sieci stacji wymiany baterii dla samochodów osobowych.153 W 2015 roku Tesla porzuciła plany budowy stacji wymiany po wybudowaniu zaledwie jednego obiektu demonstracyjnego, tłumacząc to brakiem zainteresowania ze strony konsumentów. Obecnie w Stanach Zjednoczonych prowadzi się niewiele, jeśli w ogóle, eksperymentów z wymianą baterii.154 Spadek kosztów baterii, a być może w mniejszym stopniu wdrożenie infrastruktury szybkiego ładowania prądem stałym, prawdopodobnie zmniejszyły atrakcyjność wymiany baterii w Stanach Zjednoczonych.

Chociaż wymiana baterii oferuje szereg zalet, ma również istotne wady. Akumulator pojazdu elektrycznego jest ciężki i zazwyczaj znajduje się u dołu pojazdu, tworząc integralny element konstrukcyjny z minimalnymi tolerancjami technicznymi dla ustawienia i połączeń elektrycznych. Dzisiejsze akumulatory zazwyczaj wymagają chłodzenia, a podłączanie i odłączanie układów chłodzenia jest trudne.159 Ze względu na swój rozmiar i wagę, układy akumulatorów muszą idealnie pasować, aby uniknąć grzechotania, zmniejszyć zużycie i utrzymać pojazd w centralnym położeniu. Architektura akumulatorów deskorolkowych, powszechna w dzisiejszych pojazdach elektrycznych, poprawia bezpieczeństwo poprzez obniżenie środka ciężkości pojazdu i poprawę ochrony przed zderzeniami z przodu i z tyłu. Wyjmowane akumulatory umieszczone w bagażniku lub w innym miejscu nie miałyby tej zalety. Ponieważ większość właścicieli pojazdów ładuje je głównie w domu lubŁADOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W CHINACH I STANACH ZJEDNOCZONYCHW praktyce wymiana akumulatorów niekoniecznie rozwiązałaby problemy z infrastrukturą ładowania – pomogłaby jedynie w rozwiązaniu problemu publicznego ładowania i zasięgu. Ponieważ większość producentów samochodów nie chce standaryzować pakietów akumulatorów ani ich konstrukcji – samochody są projektowane wokół akumulatorów i silników, co czyni je kluczową wartością zastrzeżoną160 – wymiana akumulatorów może wymagać oddzielnej sieci stacji wymiany dla każdej firmy samochodowej lub oddzielnego sprzętu do wymiany dla różnych modeli i rozmiarów pojazdów. Chociaż zaproponowano mobilne ciężarówki do wymiany akumulatorów161, ten model biznesowy nie został jeszcze wdrożony.