Technologie ładowarek EV

Technologie ładowania pojazdów elektrycznych w Chinach i Stanach Zjednoczonych są zasadniczo podobne. W obu krajach dominującą technologią ładowania pojazdów elektrycznych są przewody i wtyczki. (Bezprzewodowe ładowanie i wymiana akumulatorów występują co najwyżej w niewielkim stopniu). Między obydwoma krajami istnieją różnice w zakresie poziomów ładowania, standardów ładowania i protokołów komunikacyjnych. Te podobieństwa i różnice omówiono poniżej.

A. Poziomy ładowania

W Stanach Zjednoczonych duża część ładowania pojazdów elektrycznych odbywa się przy napięciu 120 woltów przy użyciu niezmodyfikowanych domowych gniazdek ściennych. Jest to ogólnie znane jako ładowanie poziomu 1 lub ładowanie „podtrzymujące”. Przy ładowaniu na poziomie 1 typowy akumulator o pojemności 30 kWh potrzebuje około 12 godzin, aby naładować się od 20% do prawie pełnego naładowania. (W Chinach nie ma gniazdek 120 V.)

Zarówno w Chinach, jak i w Stanach Zjednoczonych duża część ładowania pojazdów elektrycznych odbywa się przy napięciu 220 woltów (Chiny) lub 240 woltów (Stany Zjednoczone). W Stanach Zjednoczonych nazywa się to ładowaniem poziomu 2.

Takie ładowanie może odbywać się za pomocą niezmodyfikowanych gniazdek lub specjalistycznego sprzętu do ładowania pojazdów elektrycznych i zwykle zużywa około 6–7 kW mocy. Podczas ładowania napięciem 220–240 V typowy akumulator o pojemności 30 kWh potrzebuje około 6 godzin, aby osiągnąć poziom naładowania od 20% do prawie pełnego naładowania.

Wreszcie zarówno Chiny, jak i Stany Zjednoczone posiadają rozwijające się sieci szybkich ładowarek prądu stałego, powszechnie wykorzystujących moc 24 kW, 50 kW, 100 kW lub 120 kW. Niektóre stacje mogą oferować moc 350 kW, a nawet 400 kW. Te szybkie ładowarki prądu stałego umożliwiają naładowanie akumulatora pojazdu od 20% do prawie pełnego w czasie od około jednej godziny do zaledwie 10 minut.

Tabela 6:Najczęstsze poziomy opłat w USA

Źródło: Departament Energii USA

B. Standardy ładowania

I. Chiny

W Chinach obowiązuje jeden ogólnokrajowy standard szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych. W USA obowiązują trzy standardy szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych.

Chiński standard jest znany jako China GB/T. (InicjałyGBoznaczają normę krajową.)

China GB/T wydano w 2015 r., po kilku latach prac rozwojowych.124 Jest on obecnie 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. GB/T umożliwia obecnie szybkie ładowanie przy maksymalnej mocy 237,5 kW (przy 950 V i 250 amperach), chociaż wiele

Chińskie szybkie ładowarki prądu stałego oferują moc ładowania 50 kW. W 2019 lub 2020 r. zostanie wypuszczona nowa wersja GB/T, która według doniesień podniesie standard o ładowanie z mocą do 900 kW w przypadku większych pojazdów użytkowych. GB/T to standard obowiązujący wyłącznie w Chinach: kilka pojazdów elektrycznych wyprodukowanych w Chinach eksportowanych za granicę stosuje inne standardy.125

W sierpniu 2018 r. China Electricity Council (CEC) ogłosiła protokół ustaleń z siecią CHAdeMO z siedzibą w Japonii w celu wspólnego opracowania ultraszybkiego ładowania. Celem jest kompatybilność między GB/T i CHAdeMO w celu 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 był pierwszym standardem szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych, pochodzący z 2011 roku. Został opracowany przez Tokio

Electric Power Company i oznacza „Charge to Move” (gra słów po japońsku).127 CHAdeMO jest obecnie stosowane w Stanach Zjednoczonych w Nissanach Leaf i Mitsubishi Outlander PHEV, które należą do najlepiej sprzedających się pojazdów elektrycznych. Być może sukces Leafa w Stanach Zjednoczonych będzie możliwyŁADOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W CHINACH I STANACH ZJEDNOCZONYCH

ENERGYPOLITYKA.COLUMBIA.EDU | LUTY 2019 |

częściowo ze względu na wcześniejsze zaangażowanie Nissana w budowę infrastruktury szybkiego ładowania CHAdeMO u dealerów i w innych lokalizacjach miejskich.128 Według stanu na styczeń 2019 r. w Stanach Zjednoczonych było ponad 2900 szybkich ładowarek CHAdeMO (a także ponad 7400 w Japonii i 7900 w Europie).129

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

kW do zaoferowania 150 kW.130 W czerwcu 2018 r. firma CHAdeMO ogłosiła wprowadzenie możliwości ładowania o mocy 400 kW przy użyciu kabli chłodzonych cieczą o napięciu 1000 V i natężeniu 400 A. Wyższe opłaty będą dostępne w celu zaspokojenia potrzeb dużych pojazdów użytkowych, takich jak ciężarówki i autobusy.131

Drugi standard ładowania w Stanach Zjednoczonych jest znany jako CCS lub SAE Combo. Został wypuszczony w 2011 roku przez grupę europejskich i amerykańskich producentów samochodów. Słowokombinacjawskazuje, że wtyczka umożliwia zarówno ładowanie prądem zmiennym (do 43 kW), jak i ładowanie prądem stałym. 132 In

W Niemczech utworzono koalicję Inicjatywy Interfejsu Ładowania (CharIN), aby opowiadać się za powszechnym przyjęciem CCS. W przeciwieństwie do CHAdeMO, wtyczka CCS umożliwia ładowanie prądem stałym i przemiennym za pomocą jednego portu, zmniejszając przestrzeń i otwory wymagane w nadwoziu pojazdu. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA i Hyundai wspierają CCS. Tesla również dołączyła do koalicji i w listopadzie 2018 r. ogłosiła, że ​​jej pojazdy w Europie będą wyposażone w porty ładowania CCS133. Chevrolet Bolt i BMW i3 należą do popularnych pojazdów 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, które mogłoby umożliwić niemal pełne ładowanie w zaledwie 10 minut.

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

Doładowania zwykle działają przy napięciu 480 woltów i oferują ładowanie z maksymalną mocą 120 kW. Jak

ze stycznia 2019 r. na stronie internetowej Tesli wymieniono 595 lokalizacji stacji doładowania w Stanach Zjednoczonych, a dodatkowe 420 lokalizacji „wkrótce”135. W maju 2018 r. Tesla zasugerowała, że ​​w przyszłości jej stacje doładowania mogą osiągać moc nawet 350 kW.136

W naszych badaniach na potrzeby niniejszego raportu zapytaliśmy ankietowanych w USA, czy uważają, że brak jednolitej krajowej normy szybkiego ładowania prądem stałym stanowi przeszkodę w upowszechnieniu pojazdów elektrycznych. Niewielu odpowiedziało twierdząco. Powody, dla których wiele standardów szybkiego ładowania prądem stałym nie jest uznawanych za problem, obejmują:

● Większość ładowań pojazdów elektrycznych odbywa się w domu i pracy, przy użyciu ładowarek poziomu 1 i 2.

● Do tej pory większość infrastruktury ładowania w miejscach publicznych i w miejscach pracy korzystała z ładowarek poziomu 2.

● Dostępne są adaptery umożliwiające 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 doładowań Tesli, dostępna wyłącznie dla pojazdów Tesli). W szczególności istnieją pewne obawy dotyczące bezpieczeństwa adapterów szybkiego ładowania.

● Ponieważ wtyczka i złącze stanowią niewielki procent kosztów stacji szybkiego ładowania, stanowi to niewielkie wyzwanie techniczne lub finansowe dla właścicieli stacji i można je porównać z wężami do benzyny o różnej liczbie oktanowej na stacji paliw. Wiele publicznych stacji ładowania ma wiele wtyczek podłączonych do jednego stanowiska ładowania, co umożliwia ładowanie dowolnego rodzaju pojazdów elektrycznych. Rzeczywiście wiele jurysdykcji tego wymaga lub zachęca do tego.ŁADOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W CHINACH I STANACH ZJEDNOCZONYCH

38 | CENTRUM GLOBALNEJ POLITYKI ENERGETYCZNEJ | KOLUMBIA SIPA

Niektórzy producenci samochodów twierdzą, że ekskluzywna sieć ładowania stanowi strategię konkurencyjną. Claas Bracklo, szef działu elektromobilności w BMW i prezes CharIN, stwierdził w 2018 r.: „Założyliśmy CharIN, aby budować silną pozycję”. chęć umożliwienia innym modelom samochodów korzystania z jej sieci, pod warunkiem że wniosą one wkład finansowy proporcjonalny do wykorzystania.138 Tesla jest także częścią CharIN promującego CCS. W listopadzie 2018 roku ogłoszono, że samochody Modelu 3 sprzedawane w Europie będą wyposażone w porty CCS. Właściciele Tesli mogą również kupić adaptery umożliwiające dostęp do szybkich ładowarek CHAdeMO.139

C. Protokoły komunikacji ładowania Protokoły komunikacji ładowania są niezbędne do optymalizacji ładowania na potrzeby użytkownika (detekcja stanu naładowania, napięcia akumulatora i bezpieczeństwa) oraz sieci (m.in.

przepustowość sieci dystrybucyjnej, ustalanie cen za czas użytkowania i środki reagowania na zapotrzebowanie).140 Chiny GB/T i CHAdeMO korzystają z protokołu komunikacyjnego znanego jako CAN, podczas gdy CCS współpracuje z protokołem PLC. Otwarte protokoły komunikacyjne, takie jak Open Charge Point Protocol (OCPP) opracowany przez Open Charge Alliance, stają się coraz bardziej popularne w Stanach Zjednoczonych i Europie.

W badaniu przeprowadzonym na potrzeby tego raportu kilku ankietowanych w USA jako priorytet polityczny wymieniło przejście w kierunku otwartych protokołów komunikacyjnych i oprogramowania. W szczególności wskazano, że w przypadku niektórych projektów związanych z ładowaniem publicznym, które otrzymały finansowanie na mocy amerykańskiej ustawy o odzyskiwaniu i reinwestycji (ARRA), wybrano dostawców posiadających własne platformy, którzy następnie doświadczyli trudności finansowych, w wyniku czego pozostawił zepsuty sprzęt wymagający wymiany.141 Większość miast, przedsiębiorstw użyteczności publicznej i stacji ładowania sieci, z którymi skontaktowano się w ramach tego badania, wyraziły poparcie dla otwartych protokołów komunikacyjnych i zachęty umożliwiające hostom sieci pobierających opłaty płynną zmianę dostawców.142

D. Koszty

Ładowarki domowe są tańsze w Chinach niż w Stanach Zjednoczonych. W Chinach typowa domowa ładowarka ścienna o mocy 7 kW jest sprzedawana w Internecie w cenie od 1200 do 1800 RMB.143 Instalacja wymaga dodatkowych kosztów. (Większość prywatnych pojazdów elektrycznych jest dostarczana z ładowarką i instalacją). W Stanach Zjednoczonych ceny ładowarek domowych poziomu 2 wahają się od 450 do 600 dolarów plus średnio około 500 dolarów za instalację.144 Sprzęt do szybkiego ładowania prądem stałym jest znacznie droższy w oba kraje. Koszty są bardzo zróżnicowane. Jeden z chińskich ekspertów, z którymi przeprowadzono wywiad na potrzeby niniejszego raportu, oszacował, że instalacja punktu szybkiego ładowania prądem stałym o mocy 50 kW w Chinach kosztuje zazwyczaj od 45 000 do 60 000 RMB, przy czym sama stacja ładowania kosztuje około 25 000–35 000 RMB, a okablowanie, infrastruktura podziemna i księgowość robocizny w pozostałej części.145 ​​W Stanach Zjednoczonych szybkie ładowanie prądem stałym może kosztować dziesiątki tysięcy dolarów za pocztę. Do głównych zmiennych wpływających na koszt instalacji sprzętu do szybkiego ładowania prądem stałym zalicza się konieczność wykonywania wykopów, modernizację transformatorów, nowe lub zmodernizowane obwody i panele elektryczne oraz ulepszenia estetyczne. Oznakowanie, zezwolenia i dostęp dla osób niepełnosprawnych to dodatkowe kwestie.146

E. Ładowanie bezprzewodowe

Bezprzewodowe ładowanie ma kilka zalet, w tym estetykę, oszczędność czasu i łatwość obsługi.

Było dostępne w latach 90. XX wieku dla EV1 (wczesnego samochodu elektrycznego), ale obecnie jest rzadkością.147 Bezprzewodowe systemy ładowania pojazdów elektrycznych oferowały w Internecie ceny od 1260 USD do około 3000 USD.148 Bezprzewodowe ładowanie pojazdów elektrycznych wiąże się ze spadkiem wydajności, a obecne systemy oferują wydajność ładowania rzędu około 85%.149 Obecne produkty do ładowania bezprzewodowego oferują transfer mocy w zakresie 3–22 kW; ładowarki bezprzewodowe dostępne dla kilku modeli pojazdów elektrycznych firmy Plugless ładowanie 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 kosztów151, niektórzy analitycy prognozują, że technologia ta wkrótce stanie się powszechna, a kilku producentów samochodów ogłosiło, że w przyszłych pojazdach elektrycznych będzie oferować ładowanie bezprzewodowe jako opcję. Ładowanie bezprzewodowe mogłoby być atrakcyjne w przypadku niektórych pojazdów o określonych trasach, takich jak autobusy publiczne, zaproponowano je również dla przyszłych pasów autostrad elektrycznych, chociaż wysokie koszty, niska wydajność ładowania i mała prędkość ładowania byłyby wadami.152

F. Wymiana baterii

Dzięki technologii wymiany akumulatorów pojazdy elektryczne mogą wymieniać wyczerpane akumulatory na inne, w pełni naładowane. Skróciłoby to radykalnie czas potrzebny na naładowanie pojazdu elektrycznego, co przyniosłoby kierowcom znaczne potencjalne korzyści.

Kilka chińskich miast i firm eksperymentuje obecnie z wymianą akumulatorów, koncentrując się na pojazdach elektrycznych o wysokim stopniu wykorzystania, takich jak taksówki. Miasto Hangzhou wdrożyło wymianę akumulatorów w swojej flocie taksówek, która korzysta z lokalnie produkowanych pojazdów elektrycznych Zotye155. Pekin zbudował kilka stacji wymiany akumulatorów w ramach działań wspieranych przez lokalnego producenta samochodów BAIC. Pod koniec 2017 r. firma BAIC ogłosiła plan budowy 3000 stacji wymiany akumulatorów w całym kraju do 2021 r.156 Chiński startup NIO planuje wdrożyć technologię wymiany akumulatorów w niektórych swoich pojazdach i ogłosił, że zbuduje 1100 stacji wymiany w Chinach.157 Kilka miast w Chinach — w tym Hangzhou i Qingdao – również stosowały wymianę akumulatorów w autobusach.158

W Stanach Zjednoczonych dyskusje na temat wymiany akumulatorów ucichły po bankructwie w 2013 r. izraelskiego startupu Project Better Place zajmującego się wymianą akumulatorów, który zaplanował sieć stacji wymiany akumulatorów dla samochodów osobowych153. W 2015 r. Tesla porzuciła plany wymiany akumulatorów po zbudowaniu tylko jednego obiektu demonstracyjnego, obwiniając brak zainteresowania konsumentów. Obecnie w Stanach Zjednoczonych prowadzi się niewiele eksperymentów związanych z wymianą akumulatorów, jeśli w ogóle je przeprowadza się154. Spadek kosztów akumulatorów i być może w mniejszym stopniu rozwój infrastruktury szybkiego ładowania prądem stałym prawdopodobnie zmniejszyły atrakcyjność wymiany akumulatorów w Stany Zjednoczone.

Wymiana baterii ma wiele zalet, ale ma również zauważalne wady. Akumulator pojazdu elektrycznego jest ciężki i zwykle znajduje się na dole pojazdu, tworząc integralny element konstrukcyjny z minimalnymi tolerancjami technicznymi dotyczącymi osiowania i połączeń elektrycznych. Dzisiejsze akumulatory zwykle wymagają chłodzenia, a podłączanie i odłączanie układów chłodzenia jest trudne.159 Biorąc pod uwagę ich rozmiar i wagę, systemy akumulatorów muszą idealnie pasować, aby uniknąć grzechotania, zmniejszyć zużycie i utrzymać pojazd wyśrodkowany. Architektura akumulatorów deskorolkowych, powszechna we współczesnych pojazdach elektrycznych, poprawia bezpieczeństwo poprzez obniżenie środka ciężkości pojazdu i poprawę ochrony przed zderzeniami z przodu i z tyłu. Wymienne akumulatory umieszczone w bagażniku lub w innym miejscu nie miałyby tej zalety. Ponieważ większość właścicieli pojazdów ładuje głównie w domu lubŁADOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W CHINACH I STANACH ZJEDNOCZONYCHw pracy wymiana akumulatorów niekoniecznie rozwiązałaby problemy z infrastrukturą ładowania — pomogłaby jedynie w rozwiązaniu problemów z ładowaniem i zasięgiem w miejscach publicznych. A ponieważ większość producentów samochodów nie chce standaryzować zestawów ani konstrukcji akumulatorów – samochody są projektowane w oparciu o akumulatory i silniki, co czyni tę kluczową wartość zastrzeżoną160 – wymiana akumulatorów może wymagać oddzielnej sieci stacji wymiany akumulatorów dla każdego producenta samochodów lub oddzielnego sprzętu do wymiany dla różnych modeli i rozmiary pojazdów. Chociaż zaproponowano mobilne ciężarówki do wymiany akumulatorów161, ten model biznesowy nie został jeszcze wdrożony.