Технології зарядного пристрою для електромобілів

Технології зарядки електромобілів у Китаї та Сполучених Штатах загалом схожі. В обох країнах шнури та вилки є переважною домінуючою технологією для зарядки електромобілів. (Бездротова зарядка та заміна батареї присутні щонайменше.) Існують відмінності між двома країнами щодо рівнів заряджання, стандартів заряджання та протоколів зв’язку. Ці подібності та відмінності обговорюються нижче.

A. Рівні заряду

У Сполучених Штатах велика частина електромобілів заряджається при напрузі 120 вольт за допомогою немодифікованих домашніх розеток. Це зазвичай відомо як рівень 1 або «крапельна» зарядка. При зарядці рівня 1 типовій батареї ємністю 30 кВт/год потрібно приблизно 12 годин, щоб перейти від 20% до майже повної зарядки. (У Китаї немає розеток на 120 вольт.)

І в Китаї, і в Сполучених Штатах більшість електромобілів заряджається від 220 вольт (Китай) або 240 вольт (Сполучені Штати). У Сполучених Штатах це відоме як тарифікація рівня 2.

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 типовій батареї ємністю 30 кВт/год потрібно приблизно 6 годин, щоб перейти від 20% до майже повного заряду.

Нарешті, у Китаї та Сполучених Штатах зростає мережа швидких зарядних пристроїв постійного струму, які зазвичай використовують потужність 24 кВт, 50 кВт, 100 кВт або 120 кВт. Деякі станції можуть пропонувати 350 кВт або навіть 400 кВт потужності. Ці швидкі зарядні пристрої постійного струму можуть зарядити акумулятор автомобіля від 20% до майже повного заряду за час від однієї години до 10 хвилин.

Таблиця 6:Найпоширеніші рівні зарядки в США

Джерело: Міністерство енергетики США

B. Стандарти зарядки

i. Китай

У Китаї існує єдиний загальнонаціональний стандарт швидкої зарядки електромобілів. У США існує три стандарти швидкої зарядки електромобілів.

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

China GB/T 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 і BMW, прийняли стандарт GB/T для своїх електромобілів, що продаються в Китаї. В даний час GB/T дозволяє швидко заряджати при максимальній потужності 237,5 кВт (при 950 В і 250 А), хоча багато

Китайські швидкі зарядні пристрої постійного струму пропонують зарядку на 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 автомобілів. GB/T є стандартом лише для Китаю: деякі електромобілі китайського виробництва, які експортуються за кордон, використовують інші стандарти.125

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

ii. США

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

CHAdeMO був першим стандартом швидкої зарядки електромобілів у 2011 році. Він був розроблений Токіо

Electric Power Company і означає «Charge to Move» (каламбур японською мовою).127 CHAdeMO наразі використовується в Сполучених Штатах у Nissan Leaf і Mitsubishi Outlander PHEV, які є одними з найбільш продаваних електромобілів. Успіх Leaf у Сполучених Штатах може бутиЗАРЯДКА ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ В КИТАЇ ТА США

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | ЛЮТИЙ 2019 |

частково через раннє зобов’язання Nissan розгорнути інфраструктуру швидкої зарядки CHAdeMO в дилерських центрах та інших містах.128 Станом на січень 2019 року в Сполучених Штатах було понад 2900 швидкісних зарядних пристроїв CHAdeMO (а також понад 7400 в Японії та 7900 в Європі).129

У 2016 році CHAdeMO оголосила, що оновить свій стандарт із початкової тарифікації 70

кВт, щоб запропонувати 150 кВт.130 У червні 2018 року CHAdeMO оголосила про впровадження можливості зарядки 400 кВт за допомогою кабелів з рідинним охолодженням 1000 В, 400 А. Вища плата буде доступна для задоволення потреб великих комерційних транспортних засобів, таких як вантажівки та автобуси.131

Другий стандарт зарядки в Сполучених Штатах відомий як CCS або SAE Combo. Він був випущений в 2011 році групою європейських і американських автовиробників. Словокомбовказує на те, що вилка підтримує заряджання змінним струмом (до 43 кВт) і постійним струмом.132 У

У Німеччині була створена коаліція Charging Interface Initiative (CharIN), щоб виступати за широке впровадження CCS. На відміну від CHAdeMO, штекер CCS дозволяє заряджати постійним і змінним струмом за допомогою одного порту, зменшуючи простір і отвори, необхідні на кузові автомобіля. Ягуар,

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

Третім стандартом зарядки в Сполучених Штатах керує Tesla, яка запустила власну мережу Supercharger у Сполучених Штатах у вересні 2012 року.134 Tesla

Нагнітачі зазвичай працюють при напрузі 480 вольт і забезпечують зарядку на максимальній потужності 120 кВт. як

У січні 2019 року на веб-сайті Tesla було перераховано 595 місць розташування Supercharger у Сполучених Штатах, і ще 420 місць «будуть незабаром».135 У травні 2018 року Tesla припустила, що в майбутньому її Supercharger може досягти рівня потужності до 350 кВт.136

У нашому дослідженні для цього звіту ми запитали американських опитаних, чи вважають вони відсутність єдиного національного стандарту для швидкої зарядки постійного струму перешкодою для впровадження електромобілів. Мало хто відповів ствердно. Причини того, що кілька стандартів швидкої зарядки постійного струму не вважаються проблемою, включають:

● Більшість електромобілів заряджаються вдома та на роботі за допомогою зарядних пристроїв рівня 1 і 2.

● Більшість громадських і робочих зарядних пристроїв на сьогоднішній день використовували зарядні пристрої рівня 2.

● Доступні адаптери, які дозволяють власникам електромобілів використовувати більшість швидких зарядних пристроїв постійного струму, навіть якщо електромобіль і зарядний пристрій використовують різні стандарти заряджання. (Основний виняток, мережа зарядних пристроїв Tesla, відкрита лише для автомобілів Tesla.) Примітно, що є деякі побоювання щодо безпеки адаптерів швидкої зарядки.

● Оскільки штекер і роз’єм становлять невеликий відсоток вартості станції швидкого заряджання, це не представляє технічних чи фінансових труднощів для власників станцій і можна порівняти зі шлангами для бензину з різним октановим числом на заправній станції. Багато громадських зарядних станцій мають кілька розеток, приєднаних до одного зарядного стовпа, що дозволяє заряджати будь-який тип електромобіля. Дійсно, багато юрисдикцій вимагають або стимулюють це.ЗАРЯДКА ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ В КИТАЇ ТА США

38 | ЦЕНТР ГЛОБАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ПОЛІТИКИ | COLUMBIA SIPA

Деякі виробники автомобілів кажуть, що ексклюзивна мережа зарядних станцій є конкурентною стратегією. Клаас Бракло, керівник відділу електромобільності в BMW і голова CharIN, заявив у 2018 році: «Ми заснували CharIN, щоб створити владу».137 Багато власників та інвесторів Tesla вважають її власну мережу нагнітачів вигідною для продажу, хоча Tesla продовжує висловлювати готовність дозволити іншим моделям автомобілів використовувати свою мережу за умови, що вони внесуть фінансування, пропорційне використанню.138 Tesla також є частиною CharIN, просуваючи CCS. У листопаді 2018 року було оголошено, що автомобілі Model 3, які 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 заряджання Протоколи зв’язку заряджання необхідні для оптимізації заряджання для потреб користувача (для виявлення стану заряду, напруги акумулятора та безпеки) та для мережі (включаючи

потужність розподільчої мережі, ціноутворення за часом використання та заходи реагування на попит).140 Китай GB/T і CHAdeMO використовують протокол зв’язку, 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 все більш популярними в Сполучених Штатах і Європі.

У нашому дослідженні для цього звіту кілька респондентів із США назвали перехід до відкритих комунікаційних протоколів і програмного забезпечення пріоритетом політики. Зокрема, деякі громадські проекти зарядки, які отримали фінансування відповідно до Закону США про відновлення та реінвестування (ARRA), були згадані як такі, що обрали постачальників із запатентованими платформами, які згодом зазнали фінансових труднощів, залишивши зламане обладнання, яке потребувало заміни.141 Більшість міст, комунальні послуги та зарядка Мережі, до яких зверталися для цього дослідження, висловили підтримку відкритим комунікаційним протоколам і заохоченням, які дозволять платити мережевим хостам для плавного перемикання провайдерів.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 Установка потребує додаткових витрат. (Більшість приватних покупок електромобілів постачаються разом із зарядним пристроєм і встановленням.) У Сполучених Штатах домашні зарядні пристрої рівня 2 коштують від 450 до 600 доларів США плюс у середньому приблизно 500 доларів США за встановлення.144 Обладнання для швидкої зарядки постійного струму значно дорожче в США. обидві країни. Витрати дуже різні. Один китайський експерт, опитаний для цього звіту, підрахував, що встановлення швидкої зарядної станції постійного струму потужністю 50 кВт у Китаї зазвичай коштує від 45 000 до 60 000 юанів, причому сама зарядна станція становить приблизно 25 000–35 000 юанів, а також витрати на прокладання кабелів, підземну інфраструктуру та оплату праці. для решти.145 У Сполучених Штатах швидка зарядка постійним струмом може коштувати десятки тисяч доларів за пост. Основні змінні, що впливають на вартість встановлення обладнання для швидкої зарядки постійного струму, включають потребу в траншеї, модернізацію трансформатора, нові або модернізовані схеми та електричні панелі та естетичні оновлення. Вивіски, дозволи та доступ для інвалідів є додатковими міркуваннями.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 (перший електромобіль), але сьогодні є рідкістю.147 Бездротові системи заряджання електромобілів, які пропонуються онлайн, коштують від 1260 до приблизно 3000 доларів США.148 Бездротова зарядка електромобілів веде до зниження ефективності, оскільки поточні системи пропонують ефективність заряджання близько 85%.149 Сучасні бездротові зарядні пристрої забезпечують передачу потужності 3–22 кВт; бездротові зарядні пристрої, доступні для кількох моделей електромобілів від Plugless зарядки на 3,6 кВт або 7,2 кВт, що еквівалентно зарядці рівня 2.150 Хоча багато користувачів електромобілів вважають, що бездротова зарядка не варта додаткових витрат,151 деякі аналітики прогнозують, що ця технологія незабаром набуде широкого поширення, кілька виробників автомобілів оголосили, що запропонують бездротову зарядку як опцію для майбутніх електромобілів. Бездротова зарядка може бути привабливою для певних транспортних засобів із визначеними маршрутами, таких як громадські автобуси, і її також пропонують для майбутніх смуг електричних магістралей, хоча висока вартість, низька ефективність заряджання та низька швидкість заряджання будуть недоліками.152

F. Заміна батареї

Завдяки технології заміни акумуляторів електромобілі можуть замінювати свої розряджені акумулятори на інші, які повністю заряджені. Це значно скоротить час, необхідний для підзарядки електромобіля, із значними потенційними перевагами для водіїв.

Кілька китайських міст і компаній наразі експериментують із заміною акумуляторів, зосереджуючись на електромобілі з високою завантаженістю, наприклад на 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 оголосила про план побудувати 3000 станцій обміну по всій країні до 2021 року.156 Китайський стартап електромобілів NIO планує застосувати технологію заміни акумуляторів для деяких своїх автомобілів і оголосив, що побудує 1100 станцій обміну в Китаї.157 Кілька міст Китаю— включно з Ханчжоу та Циндао — також використовували заміну акумуляторів для автобусів.158

У Сполучених Штатах обговорення питання заміни акумуляторів зникло після банкрутства ізраїльського стартапу Project Better Place у 2013 році, який планував створити мережу станцій обміну для легкових автомобілів.153 У 2015 році Tesla відмовилася від своїх планів щодо заміни акумуляторів, побудувавши лише одну. демонстраційний об’єкт, звинувачуючи відсутність інтересу споживачів. На сьогоднішній день у Сполучених Штатах проводяться небагато експериментів щодо заміни акумуляторів.154 Зниження вартості акумуляторів і, можливо, меншою мірою розгортання інфраструктури швидкої зарядки постійного струму, ймовірно, зменшили привабливість заміни акумуляторів у світі. США.

Хоча заміна батареї має кілька переваг, вона також має помітні недоліки. Акумулятор електромобіля важкий і зазвичай розташований у нижній частині автомобіля, утворюючи невід’ємний структурний компонент із мінімальними інженерними допусками для вирівнювання та електричних з’єднань. Сучасні батареї зазвичай вимагають охолодження, а підключення та від’єднання систем охолодження є складним.159 Враховуючи їхній розмір і вагу, системи батареї повинні ідеально підходити, щоб уникнути брязкоту, зменшити знос і утримувати автомобіль у центрі. Архітектура батареї скейтборду, поширена в сучасних електромобілях, покращує безпеку, знижуючи центр ваги автомобіля та покращуючи захист від зіткнення спереду та ззаду. Знімні батареї, розташовані в багажнику або в іншому місці, не мають цієї переваги. Оскільки більшість власників транспортних засобів заряджаються в основному вдома абоЗАРЯДКА ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ В КИТАЇ ТА СШАна роботі заміна батареї не обов’язково вирішила б проблеми із зарядною інфраструктурою — це лише допомогло б усунути проблему громадської зарядки та діапазону. І оскільки більшість автовиробників не бажають стандартизувати акумуляторні батареї чи конструкції — автомобілі сконструйовані відповідно до своїх акумуляторів і двигунів, що робить це ключовою власною цінністю160 — для заміни акумуляторів може знадобитися окрема мережа станцій заміни для кожної автомобільної компанії або окреме обладнання для заміни для різних моделей і розміри транспортних засобів. Хоча були запропоновані мобільні вантажівки для заміни акумуляторів161, ця бізнес-модель ще не реалізована.