Tækni fyrir hleðslutæki fyrir rafknúin ökutæki

Hleðslutækni fyrir rafbíla í Kína og Bandaríkjunum er að mestu leyti svipuð. Í báðum löndunum eru snúrur og innstungur langstærst ríkjandi tækni til að hlaða rafbíla. (Þráðlaus hleðsla og rafhlöðuskipti eru í mesta lagi lítil.) Það er munur á löndunum tveimur hvað varðar hleðslustig, hleðslustaðla og samskiptareglur. Þessi líkt og ólíkt er rætt hér að neðan.

A. Hleðslustig

Í Bandaríkjunum fer mikil hleðsla rafbíla fram við 120 volta spennu í óbreyttum innstungum heima. Þetta er almennt þekkt sem stig 1 eða „viðhaldshleðsla“. Með stigi 1 hleðslu tekur það um það bil 12 klukkustundir fyrir dæmigerða 30 kWh rafhlöðu að fara úr 20% hleðslu í næstum fulla hleðslu. (Það eru engar 120 volta innstungur í Kína.)

Bæði í Kína og Bandaríkjunum fer mikil hleðsla rafbíla fram við 220 volt (Kína) eða 240 volt (Bandaríkin). Í Bandaríkjunum er þetta þekkt sem hleðsla á stigi 2.

Slík hleðsla getur farið fram með óbreyttum innstungum eða sérhæfðum hleðslubúnaði fyrir rafbíla og notar venjulega um 6–7 kW af afli. Þegar hleðsla er gerð við 220–240 volt tekur það dæmigerða 30 kWh rafhlöðu um það bil 6 klukkustundir að fara úr 20% hleðslu í næstum fulla hleðslu.

Að lokum eru bæði Kína og Bandaríkin með vaxandi net af hraðhleðslustöðvum fyrir jafnstraumsrafmagn, sem nota yfirleitt 24 kW, 50 kW, 100 kW eða 120 kW af afli. Sumar stöðvar geta boðið upp á 350 kW eða jafnvel 400 kW af afli. Þessar hraðhleðslustöðvar fyrir jafnstraumsrafmagn geta hlaðið rafhlöðu ökutækis úr 20% í næstum fulla hleðslu á tíma frá um það bil einni klukkustund upp í aðeins 10 mínútur.

Tafla 6:Algengustu hleðslustig í Bandaríkjunum

Heimild: Orkumálaráðuneyti Bandaríkjanna

B. Gjaldtökustaðlar

i. Kína

Kína hefur einn staðal fyrir hraðhleðslu rafbíla um allt land. Bandaríkin hafa þrjá staðla fyrir hraðhleðslu rafbíla.

Kínverski staðallinn er þekktur sem China GB/T. (UpphafsstafirnirGBstanda fyrir landsstaðla.)

Kína GB/T var gefið út árið 2015 eftir nokkurra ára þróun.124 Það er nú skylda fyrir öll ný rafknúin ökutæki sem seld eru í Kína. Alþjóðlegir bílaframleiðendur, þar á meðal Tesla, Nissan og BMW, hafa tekið upp GB/T staðalinn fyrir rafknúin ökutæki sín sem seld eru í Kína. GB/T leyfir nú hraðhleðslu að hámarki 237,5 kW afköst (við 950 V og 250 amper), þó að margir...

Kínverskar jafnstraumshleðslutæki bjóða upp á 50 kW hleðslu. Nýtt GB/T kerfi verður gefið út árið 2019 eða 2020, sem mun að sögn uppfæra staðalinn til að innihalda hleðslu allt að 900 kW fyrir stærri atvinnubíla. GB/T er staðall sem gildir eingöngu í Kína: fáeinir kínverskir rafbílar sem eru fluttir út nota aðra staðla.125

Í ágúst 2018 tilkynnti kínverska raforkuráðið (CEC) um samkomulag við CHAdeMO-netið, sem er með aðsetur í Japan, um að þróa sameiginlega ofurhraðhleðslu. Markmiðið er samhæfni milli GB/T og CHAdeMO fyrir hraðhleðslu. Stofnanirnar tvær munu vinna saman að því að útvíkka staðalinn til landa utan Kína og Japans.126

ii. Bandaríkin

Í Bandaríkjunum eru þrír staðlar fyrir hraðhleðslu rafbíla með jafnstraumi: CHAdeMO, CCS SAE Combo og Tesla.

CHAdeMO var fyrsti staðallinn fyrir hraðhleðslu rafbíla, frá árinu 2011. Hann var þróaður af Tókýó.

Electric Power Company stendur fyrir „Charge to Move“ (orðaleikur á japönsku).127 CHAdeMO er nú notað í Bandaríkjunum í Nissan Leaf og Mitsubishi Outlander PHEV, sem eru meðal söluhæstu rafbíla. Velgengni Leaf í Bandaríkjunum gæti veriðHLEÐSLA RAFBÍLA Í KÍNA OG BANDARÍKJUNUM

ORKUSKRÁ.COLUMBIA.EDU | FEBRÚAR 2019 |

að hluta til vegna þess að Nissan skuldbatt sig snemma til að koma upp CHAdeMO hraðhleðslustöðvum hjá bílasölum og öðrum stöðum í þéttbýli.128 Í janúar 2019 voru yfir 2.900 CHAdeMO hraðhleðslustöðvar í Bandaríkjunum (auk meira en 7.400 í Japan og 7.900 í Evrópu).129

Árið 2016 tilkynnti CHAdeMO að það myndi uppfæra staðalinn sinn frá upphaflegri hleðslutíðni upp á 70

kW til að bjóða upp á 150 kW.130 Í júní 2018 tilkynnti CHAdeMO að 400 kW hleðslugeta yrði kynnt með 1.000 V, 400 ampera vökvakældum kaplum. Hærri hleðsla verður í boði til að mæta þörfum stórra atvinnutækja eins og vörubíla og strætisvagna.131

Annar hleðslustaðall í Bandaríkjunum er þekktur sem CCS eða SAE Combo. Hann var gefinn út árið 2011 af hópi evrópskra og bandarískra bílaframleiðenda. Orðiðsamsetninggefur til kynna að klóinn geti bæði hlaðið með riðstraumi (allt að 43 kW) og jafnstraumi.132 tommur

Í Þýskalandi var Charging Interface Initiative (CharIN) samtökin stofnuð til að berjast fyrir útbreiddri notkun CCS. Ólíkt CHAdeMO gerir CCS-tengi kleift að hlaða jafnstraum og riðstraum með einni tengi, sem dregur úr plássi og opum sem þarf á yfirbyggingu bílsins. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA og Hyundai styðja CCS. Tesla hefur einnig gengið til liðs við bandalagið og tilkynnti í nóvember 2018 að ökutæki þeirra í Evrópu yrðu búin CCS hleðslutengjum.133 Chevrolet Bolt og BMW i3 eru meðal vinsælustu rafknúinna ökutækja í Bandaríkjunum sem nota CCS hleðslu. Þó að núverandi CCS hraðhleðslutæki bjóði upp á hleðslu upp á um 50 kW, þá felur Electrify America áætlunin í sér hraðhleðslu upp á 350 kW, sem gæti gert kleift að hlaða næstum því fullkomlega á aðeins 10 mínútum.

Þriðji hleðslustaðallinn í Bandaríkjunum er rekinn af Tesla, sem hleypti af stokkunum sínu eigin Supercharger neti í Bandaríkjunum í september 2012.134 Tesla

Ofurhleðslutæki starfa venjulega á 480 voltum og bjóða upp á hleðslu upp á allt að 120 kW.

Í janúar 2019 skráði vefsíða Tesla 595 Supercharger-stöðvar í Bandaríkjunum, og 420 aðrar staðsetningar „væntast“.135 Í maí 2018 lagði Tesla til að í framtíðinni gætu Supercharger-stöðvar þeirra náð allt að 350 kW afli.136

Í rannsókn okkar fyrir þessa skýrslu spurðum við bandaríska viðmælendur hvort þeir teldu skort á einum landsstaðli fyrir hraðhleðslu jafnstraums vera hindrun fyrir notkun rafknúinna ökutækja. Fáir svöruðu játandi. Ástæðurnar fyrir því að margir staðlar fyrir hraðhleðslu jafnstraums eru ekki taldir vandamál eru meðal annars:

● Mestöll hleðsla rafbíla fer fram heima og á vinnustað, með hleðslustöðvum af stigi 1 og 2.

● Stór hluti hleðsluinnviða almennings og vinnustaða hefur hingað til notað hleðslutæki af stigi 2.

● Hægt er að fá millistykki sem gera eigendum rafbíla kleift að nota flestar jafnstraumshleðslutæki fyrir hraðhleðslu, jafnvel þótt rafbíllinn og hleðslutækið noti mismunandi hleðslustaðla. (Helsta undantekningin, Tesla forhleðslunetið, er aðeins opið fyrir Tesla-bíla.) Athyglisvert er að nokkrar áhyggjur eru af öryggi hraðhleðslumillistykki.

● Þar sem tengilinn og klóið eru lítill hluti af kostnaði við hraðhleðslustöð, þá er þetta lítil tæknileg eða fjárhagsleg áskorun fyrir eigendur stöðva og mætti ​​bera það saman við slöngur fyrir mismunandi oktana bensín á bensínstöð. Margar opinberar hleðslustöðvar eru með margar tengla festar við eina hleðslustaur, sem gerir kleift að hlaða hvaða tegund rafbíls sem er. Reyndar krefjast eða hvetja mörg lögsagnarumdæmi þetta.HLEÐSLA RAFBÍLA Í KÍNA OG BANDARÍKJUNUM

38 | MIÐSTÖÐ UM ALÞJÓÐLEGA ORKUSPOÐUN | COLUMBIA SIPA

Sumir bílaframleiðendur hafa sagt að einkarétt hleðslunet sé samkeppnishæf stefna. Claas Bracklo, yfirmaður rafbíla hjá BMW og stjórnarformaður CharIN, sagði árið 2018: „Við höfum stofnað CharIN til að byggja upp valdastöðu.“137 Margir Tesla eigendur og fjárfestar telja einkarétt forhleðslunet fyrirtækisins söluatriði, þó að Tesla haldi áfram að lýsa yfir vilja til að leyfa öðrum bílategundum að nota netið sitt að því tilskildu að þær leggi fram fjármagn í réttu hlutfalli við notkun.138 Tesla er einnig hluti af CharIN sem kynnir CCS. Í nóvember 2018 tilkynnti það að Model 3 bílar sem seldir eru í Evrópu yrðu búnir CCS tengjum. Tesla eigendur geta einnig keypt millistykki til að fá aðgang að CHAdeMO hraðhleðslutækjum.139

C. Samskiptareglur um hleðslu Samskiptareglur um hleðslu eru nauðsynlegar til að hámarka hleðslu fyrir þarfir notandans (til að greina hleðslustöðu, rafhlöðuspennu og öryggi) og fyrir raforkukerfið (þ.m.t.

dreifingargeta, verðlagning á notkunartíma og mælingar á eftirspurnarsvörun).140 Kína GB/T og CHAdeMO nota samskiptareglur sem kallast CAN, en CCS vinnur með PLC samskiptareglunum. Opnar samskiptareglur, eins og Open Charge Point Protocol (OCPP) sem þróaðar voru af Open Charging Alliance, eru að verða sífellt vinsælli í Bandaríkjunum og Evrópu.

Í rannsókn okkar fyrir þessa skýrslu nefndu nokkrir bandarískir viðmælendur að það væri forgangsverkefni í stefnumótun að færa sig í átt að opnum samskiptareglum og hugbúnaði. Sérstaklega var nefnt að sum opinber hleðsluverkefni sem fengu fjármögnun samkvæmt bandarísku endurheimtar- og endurfjárfestingarlögunum (ARRA) hefðu valið birgja með séreignarkerfi sem lentu síðan í fjárhagserfiðleikum og skildu eftir bilaðan búnað sem þurfti að skipta út.141 Flestar borgir, veitur og hleðslukerfi sem haft var samband við vegna þessarar rannsóknar lýstu yfir stuðningi við opin samskiptareglur og hvata til að gera hýsingaraðilum hleðslukerfa kleift að skipta um þjónustuaðila án vandræða.142

D. Kostnaður

Heimilishleðslutæki eru ódýrari í Kína en í Bandaríkjunum. Í Kína kostar dæmigert 7 kW veggfest heimahleðslutæki á netinu á bilinu 1.200 til 1.800 RMB.143 Uppsetning kostar aukalega. (Flestar einkakaup á rafbílum eru með hleðslutæki og uppsetningu innifalin.) Í Bandaríkjunum kosta 2. stigs heimahleðslutæki á bilinu $450-$600, auk að meðaltali um það bil $500 fyrir uppsetningu.144 Jafnstraumshleðslutæki fyrir hraðhleðslu eru mun dýrari í báðum löndunum. Kostnaðurinn er mjög breytilegur. Einn kínverskur sérfræðingur sem tekinn var viðtal við fyrir þessa skýrslu áætlaði að uppsetning á 50 kW jafnstraumshleðslustaur í Kína kosti venjulega á bilinu 45.000 til 60.000 RMB, þar sem hleðslustaurinn sjálfur nemur um það bil 25.000 til 35.000 RMB og kaplar, neðanjarðarinnviðir og vinna nemi afganginum.145 Í Bandaríkjunum getur jafnstraumshleðslukostnaður á staur numið tugum þúsunda dollara. Helstu þættir sem hafa áhrif á kostnað við uppsetningu á hraðhleðslubúnaði fyrir jafnstraum eru meðal annars þörfin fyrir skurðgröft, uppfærslur á spennubreytum, nýjar eða uppfærðar rafrásir og rafmagnstöflur og fagurfræðilegar uppfærslur. Skiltagerð, leyfisveitingar og aðgengi fyrir fatlaða eru viðbótaratriði sem þarf að hafa í huga.146

E. Þráðlaus hleðsla

Þráðlaus hleðsla býður upp á ýmsa kosti, þar á meðal fagurfræði, tímasparnað og auðvelda notkun.

Það var fáanlegt á tíunda áratugnum fyrir EV1 (rafbíl á fyrstu árum) en er sjaldgæft í dag.147 Þráðlaus hleðslukerfi fyrir rafbíla sem eru í boði á netinu eru á bilinu $1.260 til um $3.000.148 Þráðlaus hleðsla fyrir rafbíla hefur í för með sér skert skilvirkni, þar sem núverandi kerfi bjóða upp á hleðslunýtni upp á um 85%.149 Núverandi þráðlausar hleðsluvörur bjóða upp á orkuflutning upp á 3–22 kW; þráðlaus hleðslutæki eru fáanleg fyrir nokkrar gerðir rafbíla frá Plugless hleðslu með annað hvort 3,6 kW eða 7,2 kW, sem jafngildir hleðslu á stigi 2.150 Þó að margir notendur rafbíla telji þráðlausa hleðslu ekki þess virði að bæta við kostnaði,151 hafa sumir sérfræðingar spáð því að tæknin verði brátt útbreidd og nokkrir bílaframleiðendur hafa tilkynnt að þeir muni bjóða upp á þráðlausa hleðslu sem valkost í framtíðarrafbílum. Þráðlaus hleðsla gæti verið aðlaðandi fyrir ákveðin ökutæki með skilgreindar leiðir, svo sem almenningsvagna, og hún hefur einnig verið lögð til fyrir framtíðar rafmagnsbrautir á þjóðvegum, þó að hár kostnaður, lítil hleðslunýtni og hægur hleðsluhraði væru gallar.152

F. Skipta um rafhlöðu

Með rafhlöðuskiptatækni gætu rafbílar skipt út tómum rafhlöðum sínum fyrir aðrar fullhlaðnar. Þetta myndi stytta verulega þann tíma sem það tekur að hlaða rafbíl, með verulegum mögulegum ávinningi fyrir ökumenn.

Nokkrar kínverskar borgir og fyrirtæki eru nú að gera tilraunir með rafhlöðuskipti, með áherslu á rafknúna ökutæki með mikla nýtingu, svo sem leigubíla. Borgin Hangzhou hefur innleitt rafhlöðuskipti fyrir leigubílaflota sinn, sem notar Zotye rafknúna ökutæki sem eru framleidd á staðnum.155 Peking hefur byggt nokkrar rafhlöðuskiptastöðvar í átaki sem BAIC styður. Í lok árs 2017 tilkynnti BAIC áætlun um að byggja 3.000 rafhlöðuskiptastöðvar um allt land fyrir árið 2021.156 Kínverska rafknúna sprotafyrirtækið NIO hyggst taka upp rafhlöðuskiptatækni fyrir sum ökutæki sín og tilkynnti að það myndi byggja 1.100 rafhlöðuskiptastöðvar í Kína.157 Nokkrar borgir í Kína - þar á meðal Hangzhou og Qingdao - hafa einnig notað rafhlöðuskiptatækni fyrir strætisvagna.158

Í Bandaríkjunum dofnaði umræða um rafhlöðuskipti eftir gjaldþrot ísraelska rafhlöðuskiptafyrirtækisins Project Better Place árið 2013, sem hafði skipulagt net skiptistöðva fyrir fólksbíla.153 Árið 2015 hætti Tesla við áætlanir sínar um skiptistöðvar eftir að hafa aðeins byggt eina sýningaraðstöðu og kenndi um skort á áhuga neytenda. Fáar, ef einhverjar, tilraunir eru í gangi varðandi rafhlöðuskipti í Bandaríkjunum í dag.154 Lækkun á rafhlöðukostnaði, og kannski í minna mæli uppsetning á hraðhleðsluinnviðum fyrir jafnstraumsrafmagn, hefur líklega dregið úr aðdráttarafli rafhlöðuskipta í Bandaríkjunum.

Þó að rafhlöðuskipti hafi nokkra kosti, þá hefur það einnig verulega galla. Rafhlaða rafbíls er þung og venjulega staðsett neðst í ökutækinu og myndar þannig samþættan burðarhluta með lágmarks verkfræðilegum frávikum fyrir röðun og rafmagnstengingar. Rafhlöður nútímans þurfa venjulega kælingu og það er erfitt að tengja og aftengja kælikerfi.159 Miðað við stærð og þyngd verða rafhlöðukerfin að passa fullkomlega til að forðast skrölt, draga úr sliti og halda ökutækinu miðjuðu. Hjólabrettarafhlöðuhönnun sem er algeng í rafbílum nútímans bætir öryggi með því að lækka þyngdarmiðju ökutækisins og bæta árekstrarvörn að framan og aftan. Fjarlægjanlegar rafhlöður sem staðsettar eru í skottinu eða annars staðar myndu ekki hafa þennan kost. Þar sem flestir ökutækjaeigendur hlaða aðallega heima eða...HLEÐSLA RAFBÍLA Í KÍNA OG BANDARÍKJUNUMÍ raun myndi rafhlöðuskipti ekki endilega leysa vandamál með hleðsluinnviði - það myndi aðeins hjálpa til við að taka á almenningshleðslu og drægni. Og vegna þess að flestir bílaframleiðendur eru ekki tilbúnir að staðla rafhlöðupakka eða hönnun - bílar eru hannaðir í kringum rafhlöður sínar og mótorar, sem gerir þetta að lykileignargildi160 - gæti rafhlöðuskipti krafist sérstaks skiptistöðva fyrir hvert bílaframleiðanda eða sérstaks skiptibúnaðar fyrir mismunandi gerðir og stærðir ökutækja. Þótt færanlegir rafhlöðuskiptabílar hafi verið lagðir til,161 hefur þessi viðskiptamódel enn ekki verið innleidd.