Технології зарядних пристроїв для електромобілів

Технології заряджання електромобілів у Китаї та Сполучених Штатах загалом схожі. В обох країнах шнури та вилки є переважно домінуючою технологією для заряджання електромобілів. (Бездротова зарядка та заміна акумуляторів мають щонайменше незначну присутність.) Між двома країнами існують відмінності щодо рівнів заряджання, стандартів заряджання та протоколів зв'язку. Ці подібності та відмінності обговорюються нижче.

A. Рівні зарядки

У Сполучених Штатах значна частина заряджання електромобілів відбувається при напрузі 120 вольт з використанням немодифікованих домашніх розеток. Це зазвичай відоме як заряджання рівня 1 або «крапельне» заряджання. За допомогою заряджання рівня 1 типовому акумулятору ємністю 30 кВт⋅год потрібно приблизно 12 годин, щоб зарядитися від 20% до майже повного заряду. (У Китаї немає розеток на 120 вольт.)

Як у Китаї, так і в Сполучених Штатах, значна частина заряджання електромобілів відбувається при напрузі 220 вольт (Китай) або 240 вольт (Сполучені Штати). У Сполучених Штатах це відомо як заряджання 2-го рівня.

Таке заряджання може відбуватися за допомогою немодифікованих розеток або спеціалізованого обладнання для заряджання електромобілів і зазвичай використовує близько 6–7 кВт потужності. Під час заряджання при напрузі 220–240 вольт типовому акумулятору ємністю 30 кВт⋅год потрібно приблизно 6 годин, щоб зарядитися від 20% до майже повного заряду.

Зрештою, як Китай, так і Сполучені Штати мають зростаючі мережі швидкісних зарядних пристроїв постійного струму, які зазвичай використовують 24 кВт, 50 кВт, 100 кВт або 120 кВт потужності. Деякі станції можуть пропонувати 350 кВт або навіть 400 кВт потужності. Ці швидкі зарядні пристрої постійного струму можуть зарядити акумулятор автомобіля з 20% до майже повного заряду за час від приблизно однієї години до 10 хвилин.

Таблиця 6:Найпоширеніші рівні зарядки в США

Джерело: Міністерство енергетики США

B. Стандарти стягнення плати

i. Китай

У Китаї діє один загальнонаціональний стандарт швидкої зарядки електромобілів. У США — три стандарти швидкої зарядки електромобілів.

Китайський стандарт відомий як China GB/T. (ІніціалиGBозначає національний стандарт.)

Стандарт GB/T у Китаї був випущений у 2015 році після кількох років розробки.124 Тепер він є обов'язковим для всіх нових електромобілів, що продаються в Китаї. Міжнародні автовиробники, включаючи Tesla, Nissan та BMW, прийняли стандарт GB/T для своїх електромобілів, що продаються в Китаї. GB/T наразі дозволяє швидку зарядку з максимальною потужністю 237,5 кВт (при 950 В та 250 амперах), хоча багато...

Китайські швидкі зарядні пристрої постійного струму пропонують зарядку потужністю 50 кВт. Новий GB/T буде випущений у 2019 або 2020 році, який, як повідомляється, оновить стандарт, включивши зарядку до 900 кВт для більших комерційних транспортних засобів. GB/T – це стандарт, чинний лише в Китаї: кілька електромобілів китайського виробництва, що експортуються за кордон, використовують інші стандарти.125

У серпні 2018 року Китайська рада з питань електроенергетики (CEC) оголосила про меморандум про взаєморозуміння з мережею CHAdeMO, що базується в Японії, щодо спільної розробки надшвидкої зарядки. Метою є сумісність між GB/T та CHAdeMO для швидкої зарядки. Дві організації співпрацюватимуть для поширення стандарту на країни за межами Китаю та Японії.126

ii. Сполучені Штати

У Сполучених Штатах існують три стандарти швидкої зарядки електромобілів постійним струмом: CHAdeMO, CCS SAE Combo та Tesla.

CHAdeMO був першим стандартом швидкої зарядки електромобілів, що датується 2011 роком. Його розробила компанія Tokyo...

Компанія Electric Power Company розшифровується як «Charge to Move» (каламбур японською).127 CHAdeMO зараз використовується у Сполучених Штатах у Nissan Leaf та Mitsubishi Outlander PHEV, які є одними з найбільш продаваних електромобілів. Успіх Leaf у Сполучених Штатах може бутиЗАРЯДКА ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ У КИТАЇ ТА США

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | ЛЮТИЙ 2019 |

частково завдяки ранньому зобов'язанню Nissan розгорнути інфраструктуру швидкісної зарядки CHAdeMO в дилерських центрах та інших міських районах.128 Станом на січень 2019 року в Сполучених Штатах налічувалося понад 2900 швидкісних зарядних пристроїв CHAdeMO (а також понад 7400 в Японії та 7900 в Європі).129

У 2016 році CHAdeMO оголосила про підвищення свого стандарту з початкового тарифу 70.

кВт, щоб запропонувати 150 кВт.130 У червні 2018 року CHAdeMO оголосила про впровадження можливості заряджання 400 кВт з використанням кабелів з рідинним охолодженням на 1000 В та 400 ампер. Заряджання з вищою потужністю буде доступне для задоволення потреб великих комерційних транспортних засобів, таких як вантажівки та автобуси.131

Другий стандарт заряджання у Сполучених Штатах відомий як CCS або SAE Combo. Він був випущений у 2011 році групою європейських та американських автовиробників. Слово...комбовказує на те, що штекер забезпечує зарядку як змінним струмом (до 43 кВт), так і постійним струмом.132 In

У Німеччині було створено коаліцію Ініціативи зарядного інтерфейсу (CharIN) для пропаганди широкого впровадження CCS. На відміну від CHAdeMO, штекер CCS дозволяє заряджати автомобіль як постійним, так і змінним струмом через один порт, зменшуючи простір та отвори, необхідні на кузові автомобіля. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA та Hyundai підтримують CCS. Tesla також приєдналася до коаліції та в листопаді 2018 року оголосила, що її автомобілі в Європі будуть оснащені зарядними портами CCS.133 Chevrolet Bolt та BMW i3 є одними з популярних електромобілів у Сполучених Штатах, які використовують зарядку CCS. Хоча існуючі швидкі зарядні пристрої CCS пропонують зарядку потужністю близько 50 кВт, програма Electrify America включає швидку зарядку потужністю 350 кВт, що може забезпечити майже повну зарядку всього за 10 хвилин.

Третій стандарт заряджання у Сполучених Штатах експлуатується компанією Tesla, яка запустила власну мережу Supercharger у Сполучених Штатах у вересні 2012 року.134 Tesla

Нагнітачі зазвичай працюють від напруги 480 вольт і забезпечують зарядку максимальною потужністю 120 кВт.

У січні 2019 року на веб-сайті Tesla було перераховано 595 місць розташування зарядних станцій Supercharger у Сполучених Штатах, а ще 420 місць будуть додані «незабаром».135 У травні 2018 року Tesla припустила, що в майбутньому її зарядні станції Supercharger можуть досягати потужності до 350 кВт.136

У нашому дослідженні для цього звіту ми запитали респондентів у США, чи вважають вони відсутність єдиного національного стандарту для швидкої зарядки постійним струмом перешкодою для впровадження електромобілів. Мало хто відповів ствердно. Причини, чому численні стандарти швидкої зарядки постійним струмом не вважаються проблемою, включають:

● Більшість заряджання електромобілів відбувається вдома та на роботі за допомогою зарядних пристроїв рівня 1 та 2.

● Значна частина громадської та робочої зарядної інфраструктури на сьогоднішній день використовує зарядні пристрої 2-го рівня.

● Доступні адаптери, які дозволяють власникам електромобілів використовувати більшість швидкісних зарядних пристроїв постійного струму, навіть якщо електромобіль та зарядний пристрій використовують різні стандарти заряджання. (Основний виняток, мережа наддувних зарядних пристроїв Tesla, доступна лише для автомобілів Tesla.) Зокрема, існують певні занепокоєння щодо безпеки адаптерів швидкої зарядки.

● Оскільки штекер та роз'єм становлять невеликий відсоток вартості станції швидкої зарядки, це не створює особливих технічних чи фінансових труднощів для власників станцій і може бути порівняно зі шлангами для бензинів різного октанового числа на заправній станції. Багато громадських зарядних станцій мають кілька розеток, підключених до однієї зарядної станції, що дозволяє заряджати там будь-який тип електромобіля. Дійсно, багато юрисдикцій вимагають або стимулюють це.ЗАРЯДКА ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ У КИТАЇ ТА США

38 | ЦЕНТР ГЛОБАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ПОЛІТИКИ | КОЛУМБІЯ SIPA

Деякі автовиробники заявили, що ексклюзивна мережа зарядних станцій являє собою конкурентну стратегію. Клаас Бракло, керівник відділу електромобільності BMW та голова CharIN, заявив у 2018 році: «Ми заснували CharIN, щоб побудувати позицію влади».137 Багато власників та інвесторів Tesla вважають її власну мережу нагнітачів перевагою, хоча Tesla продовжує висловлювати готовність дозволити іншим моделям автомобілів використовувати свою мережу за умови, що вони внесуть фінансування пропорційно до використання.138 Tesla також є частиною CharIN, яка просуває CCS. У листопаді 2018 року вона оголосила, що автомобілі Model 3, що продаються в Європі, будуть оснащені портами CCS. Власники Tesla також можуть придбати адаптери для доступу до швидких зарядних пристроїв CHAdeMO.139

C. Протоколи зв'язку під час заряджання Протоколи зв'язку під час заряджання необхідні для оптимізації заряджання відповідно до потреб користувача (для визначення стану заряду, напруги акумулятора та безпеки) та для мережі (включаючи

пропускна здатність мережі розподілу, ціноутворення залежно від часу використання та заходи реагування на попит).140 Китайські GB/T та CHAdeMO використовують комунікаційний протокол, відомий як CAN, тоді як CCS працює з протоколом PLC. Відкриті комунікаційні протоколи, такі як Open Charge Point Protocol (OCPP), розроблений Open Charging Alliance, стають дедалі популярнішими у Сполучених Штатах та Європі.

У нашому дослідженні для цього звіту кілька опитаних у США назвали перехід до відкритих комунікаційних протоколів та програмного забезпечення пріоритетом політики. Зокрема, деякі проекти громадських зарядних станцій, які отримали фінансування відповідно до Закону про відновлення та реінвестування Америки (ARRA), були названі такими, що обрали постачальників із власними платформами, які згодом зазнали фінансових труднощів, в результаті чого зламалося обладнання, яке потребувало заміни.141 Більшість міст, комунальних підприємств та зарядних мереж, з якими зв’язалися для цього дослідження, висловили підтримку відкритих комунікаційних протоколів та стимулів, щоб дозволити хостам зарядних мереж безперешкодно змінювати постачальників.142

D. Витрати

Домашні зарядні пристрої в Китаї дешевші, ніж у Сполучених Штатах. У Китаї типовий настінний домашній зарядний пристрій потужністю 7 кВт продається в Інтернеті за ціною від 1200 до 1800 юанів.143 Встановлення вимагає додаткових витрат. (Більшість приватних покупок електромобілів включають зарядний пристрій та встановлення.) У Сполучених Штатах домашні зарядні пристрої 2-го рівня коштують у діапазоні від 450 до 600 доларів США, плюс в середньому приблизно 500 доларів США за встановлення.144 Обладнання для швидкої зарядки постійним струмом значно дорожче в обох країнах. Вартість сильно варіюється. Один китайський експерт, опитаний для цього звіту, оцінив, що встановлення посту швидкої зарядки постійним струмом потужністю 50 кВт у Китаї зазвичай коштує від 45 000 до 60 000 юанів, при цьому сам зарядний пристрій коштує приблизно від 25 000 до 35 000 юанів, а решту коштують кабелі, підземна інфраструктура та робоча сила.145 У Сполучених Штатах швидка зарядка постійним струмом може коштувати десятки тисяч доларів за один пост. Основні змінні, що впливають на вартість встановлення обладнання для швидкої зарядки постійним струмом, включають необхідність копання траншей, модернізації трансформаторів, нових або модернізованих схем та електричних панелей, а також естетичного покращення. Додатковими міркуваннями є вивіски, дозволи та доступ для людей з інвалідністю.146

E. Бездротова зарядка

Бездротова зарядка пропонує кілька переваг, включаючи естетику, економію часу та простоту використання.

Він був доступний у 1990-х роках для EV1 (раннього електромобіля), але сьогодні є рідкістю.147 Бездротові системи зарядки електромобілів, що пропонуються онлайн, коштують від 1260 до приблизно 3000 доларів.148 Бездротова зарядка електромобілів має знижену ефективність, оскільки сучасні системи пропонують ефективність зарядки близько 85%.149 Сучасні бездротові зарядні пристрої пропонують передачу потужності 3–22 кВт; бездротові зарядні пристрої, доступні для кількох моделей електромобілів, починаючи від Plugless charge з потужністю 3,6 кВт або 7,2 кВт, що еквівалентно зарядці 2-го рівня.150 Хоча багато користувачів електромобілів вважають бездротову зарядку невартою додаткових витрат,151 деякі аналітики прогнозують, що ця технологія незабаром стане широко поширеною, і кілька автовиробників оголосили, що пропонуватимуть бездротову зарядку як опцію для майбутніх електромобілів. Бездротова зарядка може бути привабливою для певних транспортних засобів з визначеними маршрутами, таких як громадські автобуси, а також була запропонована для майбутніх смуг електричних автомагістралей, хоча висока вартість, низька ефективність зарядки та повільна швидкість зарядки будуть недоліками.152

F. Заміна батареї

Завдяки технології заміни акумуляторів електромобілі могли б замінювати свої розряджені акумулятори на повністю заряджені. Це значно скоротило б час, необхідний для перезарядки електромобіля, що мало б значні потенційні переваги для водіїв.

Кілька китайських міст і компаній зараз експериментують із заміною акумуляторів, зосереджуючись на високопродуктивних електромобілях, таких як таксі. Місто Ханчжоу запровадило заміну акумуляторів для свого парку таксі, який використовує електромобілі Zotye місцевого виробництва.155 Пекін побудував кілька станцій заміни акумуляторів за підтримки місцевого автовиробника BAIC. Наприкінці 2017 року BAIC оголосив про план будівництва 3000 станцій заміни по всій країні до 2021 року.156 Китайський стартап електромобілів NIO планує впровадити технологію заміни акумуляторів для деяких своїх транспортних засобів і оголосив, що побудує 1100 станцій заміни в Китаї.157 Кілька міст у Китаї, включаючи Ханчжоу та Циндао, також використовували заміну акумуляторів для автобусів.158

У Сполучених Штатах обговорення заміни акумуляторів зійшло нанівець після банкрутства ізраїльського стартапу з заміни акумуляторів Project Better Place у 2013 році, який планував мережу станцій заміни для легкових автомобілів.153 У 2015 році Tesla відмовилася від своїх планів щодо станцій заміни, побудувавши лише один демонстраційний об'єкт, звинувативши у цьому відсутність інтересу споживачів. Сьогодні у Сполучених Штатах проводиться мало або взагалі проводиться експериментів щодо заміни акумуляторів.154 Зниження вартості акумуляторів і, можливо, меншою мірою розгортання інфраструктури швидкої зарядки постійним струмом, ймовірно, зменшили привабливість заміни акумуляторів у Сполучених Штатах.

Хоча заміна акумулятора пропонує кілька переваг, вона також має й помітні недоліки. Акумулятор електромобіля важкий і зазвичай розташований у нижній частині транспортного засобу, утворюючи невід'ємний структурний компонент з мінімальними інженерними допусками для вирівнювання та електричних з'єднань. Сучасні акумулятори зазвичай потребують охолодження, а підключення та відключення систем охолодження є складним.159 Враховуючи їхній розмір і вагу, акумуляторні системи повинні ідеально підходити, щоб уникнути деренчання, зменшити знос і утримувати транспортний засіб у центрі. Архітектура акумулятора для скейтбордів, поширена в сучасних електромобілях, підвищує безпеку, знижуючи центр ваги транспортного засобу та покращуючи захист від зіткнень спереду та ззаду. Знімні акумулятори, розташовані в багажнику або в іншому місці, не мали б цієї переваги. Оскільки більшість власників транспортних засобів заряджають його переважно вдома або...ЗАРЯДКА ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ У КИТАЇ ТА СШАНа практиці заміна акумуляторів не обов'язково вирішить проблеми із зарядною інфраструктурою — вона лише допоможе вирішити питання громадських зарядних станцій та запасу ходу. А оскільки більшість автовиробників не бажають стандартизувати акумуляторні блоки чи конструкції — автомобілі розробляються з урахуванням їхніх акумуляторів та двигунів, що робить це ключовою цінністю власності160 — заміна акумуляторів може вимагати окремої мережі станцій заміни для кожної автомобільної компанії або окремого обладнання для заміни для різних моделей та розмірів транспортних засобів. Хоча мобільні вантажівки для заміни акумуляторів були запропоновані,161 ця бізнес-модель ще не впроваджена.