Технологии зарядных устройств для электромобилей

Технологии зарядки электромобилей в Китае и США в целом схожи. В обеих странах кабели и розетки являются доминирующей технологией зарядки электромобилей. (Беспроводная зарядка и замена аккумуляторов встречаются крайне редко.) Между двумя странами существуют различия в уровнях зарядки, стандартах зарядки и протоколах связи. Эти сходства и различия обсуждаются ниже.

А. Уровни зарядки

В США значительная часть электромобилей заряжается от сети напряжением 120 вольт через обычные домашние розетки. Это обычно называется зарядкой уровня 1 или «капельным» зарядом. При зарядке уровня 1 типичная батарея ёмкостью 30 кВт⋅ч заряжается с 20% до почти полной зарядки примерно за 12 часов. (В Китае нет розеток на 120 вольт.)

Как в Китае, так и в США значительная часть электромобилей заряжается при напряжении 220 вольт (в Китае) или 240 вольт (в США). В США это называется зарядкой уровня 2.

Такая зарядка может осуществляться с помощью обычных розеток или специализированного зарядного оборудования для электромобилей и обычно потребляет около 6–7 кВт мощности. При зарядке от напряжения 220–240 вольт типичному аккумулятору ёмкостью 30 кВт⋅ч требуется около 6 часов для достижения практически полного заряда от 20% до 20%.

Наконец, как в Китае, так и в США растёт сеть станций быстрой зарядки постоянным током, обычно мощностью 24 кВт, 50 кВт, 100 кВт или 120 кВт. Некоторые станции могут предлагать мощность 350 кВт или даже 400 кВт. Эти станции быстрой зарядки постоянным током способны зарядить аккумулятор автомобиля с 20% до почти полной зарядки за время от одного часа до 10 минут.

Таблица 6:Наиболее распространенные уровни зарядки в США

Источник: Министерство энергетики США.

Б. Стандарты зарядки

я. Китай

В Китае действует единый общенациональный стандарт быстрой зарядки электромобилей. В США действуют три стандарта быстрой зарядки электромобилей.

Китайский стандарт известен как China GB/T. (ИнициалыGB(означает национальный стандарт.)

Китайский стандарт GB/T был выпущен в 2015 году после нескольких лет разработки.124 Теперь он обязателен для всех новых электромобилей, продаваемых в Китае. Международные автопроизводители, включая Tesla, Nissan и BMW, приняли стандарт GB/T для своих электромобилей, продаваемых в Китае. В настоящее время GB/T допускает быструю зарядку с максимальной выходной мощностью 237,5 кВт (при 950 В и 250 А), хотя многие

Китайские быстрые зарядные устройства постоянного тока обеспечивают зарядку мощностью 50 кВт. Новый стандарт GB/T будет выпущен в 2019 или 2020 году, который, как сообщается, расширит стандарт, включив зарядку до 900 кВт для крупных коммерческих автомобилей. Стандарт GB/T действует только в Китае: немногие китайские электромобили, экспортируемые за рубеж, используют другие стандарты.125

В августе 2018 года Китайский совет по электроэнергетике (CEC) объявил о подписании меморандума о взаимопонимании с японской сетью CHAdeMO для совместной разработки технологии сверхбыстрой зарядки. Целью является обеспечение совместимости GB/T и CHAdeMO для быстрой зарядки. Обе организации будут сотрудничать для распространения стандарта на страны за пределами Китая и Японии.126

ii. Соединенные Штаты

В США существуют три стандарта зарядки электромобилей для быстрой зарядки постоянным током: CHAdeMO, CCS SAE Combo и Tesla.

CHAdeMO — первый стандарт быстрой зарядки электромобилей, принятый в 2011 году. Он был разработан в Токио.

Electric Power Company и расшифровывается как «Зарядка для движения» (игра слов в японском языке).127 CHAdeMO в настоящее время используется в США в Nissan Leaf и Mitsubishi Outlander PHEV, которые являются одними из самых продаваемых электромобилей. Успех Leaf в США может бытьЗАРЯДКА ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ В КИТАЕ И США

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | ФЕВРАЛЬ 2019 |

отчасти благодаря раннему обязательству Nissan развернуть инфраструктуру быстрой зарядки CHAdeMO в дилерских центрах и других городских районах.128 По состоянию на январь 2019 года в США насчитывалось более 2900 станций быстрой зарядки CHAdeMO (а также более 7400 в Японии и 7900 в Европе).129

В 2016 году CHAdeMO объявила о повышении своего стандарта с первоначального тарифа в 70

Мощность составит 150 кВт.130 В июне 2018 года компания CHAdeMO объявила о запуске зарядной станции мощностью 400 кВт с использованием кабелей с жидкостным охлаждением напряжением 1000 В и силой тока 400 А. Более высокая мощность зарядки будет доступна для удовлетворения потребностей крупных коммерческих транспортных средств, таких как грузовики и автобусы.131

Второй стандарт зарядки в США известен как CCS или SAE Combo. Он был выпущен в 2011 году группой европейских и американских автопроизводителей. Словокомбоуказывает, что вилка поддерживает как зарядку переменного тока (до 43 кВт), так и зарядку постоянного тока.132 В

В Германии была создана коалиция Charging Interface Initiative (CharIN), выступающая за широкое внедрение CCS. В отличие от CHAdeMO, разъем CCS позволяет заряжать как постоянным, так и переменным током через один порт, что сокращает пространство и количество отверстий, необходимых в кузове автомобиля. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA и Hyundai поддерживают CCS. Tesla также присоединилась к коалиции и в ноябре 2018 года объявила, что её автомобили в Европе будут оснащены зарядными портами CCS.133 Chevrolet Bolt и BMW i3 — одни из самых популярных электромобилей в США, использующих зарядку CCS. В то время как существующие быстрые зарядные устройства CCS предлагают мощность около 50 кВт, программа Electrify America включает быструю зарядку мощностью 350 кВт, что позволяет практически полностью зарядить аккумулятор всего за 10 минут.

Третий стандарт зарядки в США поддерживается компанией Tesla, которая запустила собственную сеть Supercharger в США в сентябре 2012 года.134 Tesla

Supercharger обычно работают при напряжении 480 вольт и обеспечивают зарядку с максимальной мощностью 120 кВт.

По состоянию на январь 2019 года на сайте Tesla было указано 595 станций Supercharger в Соединенных Штатах, и еще 420 станций «откроются в ближайшее время».135 В мае 2018 года Tesla предположила, что в будущем ее станции Supercharger могут достичь уровня мощности в 350 кВт.136

В ходе исследования для этого отчёта мы спросили респондентов из США, считают ли они отсутствие единого национального стандарта для быстрой зарядки постоянным током препятствием для внедрения электромобилей. Немногие ответили утвердительно. Причины, по которым наличие нескольких стандартов быстрой зарядки постоянным током не считается проблемой, включают:

● Большая часть зарядки электромобилей осуществляется дома и на работе с помощью зарядных устройств уровня 1 и 2.

● На сегодняшний день большая часть общественной и производственной зарядной инфраструктуры использует зарядные устройства уровня 2.

● Доступны адаптеры, позволяющие владельцам электромобилей использовать большинство быстрых зарядных устройств постоянного тока, даже если электромобиль и зарядное устройство используют разные стандарты зарядки. (Главное исключение — сеть суперчарджеров Tesla, которая открыта только для автомобилей Tesla.) В частности, существуют некоторые опасения по поводу безопасности адаптеров быстрой зарядки.

● Поскольку стоимость вилки и разъёма составляет лишь небольшую часть стоимости станции быстрой зарядки, это не представляет особой технической или финансовой сложности для владельцев станций и может быть сравнимо со шлангами для бензина с разным октановым числом на заправочной станции. Многие общественные зарядные станции имеют несколько вилок, подключённых к одному зарядному посту, что позволяет заряжать электромобили любого типа. Более того, многие юрисдикции требуют или поощряют это.ЗАРЯДКА ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ В КИТАЕ И США

38 | ЦЕНТР ГЛОБАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ | COLUMBIA SIPA

Некоторые автопроизводители заявляли, что эксклюзивная сеть зарядных станций представляет собой конкурентную стратегию. Клаас Бракло, глава отдела электромобильности BMW и председатель совета директоров CharIN, заявил в 2018 году: «Мы основали CharIN, чтобы занять лидирующую позицию». Многие владельцы и инвесторы Tesla считают её собственную сеть станций Supercharger привлекательным преимуществом, хотя Tesla продолжает выражать готовность предоставлять доступ к своей сети другим моделям автомобилей при условии внесения ими финансирования, пропорционального объёму использования. Tesla также является частью CharIN, продвигающей CCS. В ноябре 2018 года компания объявила, что автомобили Model 3, продаваемые в Европе, будут оснащены портами CCS. Владельцы Tesla также могут приобрести адаптеры для доступа к быстрым зарядным станциям CHAdeMO.

C. Протоколы связи при зарядке Протоколы связи при зарядке необходимы для оптимизации зарядки для нужд пользователя (для определения состояния заряда, напряжения аккумулятора и безопасности) и для сети (включая

Пропускная способность распределительной сети, ценообразование по времени использования и меры реагирования на спрос. 140 China GB/T и CHAdeMO используют протокол связи CAN, а CCS — протокол PLC. Открытые протоколы связи, такие как Open Charge Point Protocol (OCPP), разработанный Open Charging Alliance, становятся всё более популярными в США и Европе.

В нашем исследовании для этого отчета несколько опрошенных из США назвали переход к открытым протоколам связи и программному обеспечению одним из политических приоритетов. В частности, некоторые проекты общественных зарядных станций, получившие финансирование в рамках Закона о восстановлении экономики США и реинвестировании (ARRA), были связаны с выбором поставщиков с собственными платформами, которые впоследствии столкнулись с финансовыми трудностями, в результате чего оборудование было сломано и потребовало замены.141 Большинство городов, коммунальных предприятий и сетей зарядных станций, опрошенных для данного исследования, выразили поддержку открытым протоколам связи и стимулам, позволяющим хостам сетей зарядных станций легко менять провайдеров.142

Д. Расходы

Домашние зарядные устройства в Китае дешевле, чем в Соединенных Штатах. В Китае типичное настенное домашнее зарядное устройство мощностью 7 кВт продается в интернете по цене от 1200 до 1800 юаней.143 Установка требует дополнительных затрат. (Большинство частных покупок электромобилей поставляются с зарядным устройством и установкой.) В Соединенных Штатах домашние зарядные устройства уровня 2 стоят от 450 до 600 долларов США, плюс в среднем около 500 долларов США за установку.144 Оборудование для быстрой зарядки постоянным током значительно дороже в обеих странах. Цены сильно различаются. Один китайский эксперт, опрошенный для этого отчета, подсчитал, что установка станции быстрой зарядки постоянным током мощностью 50 кВт в Китае обычно стоит от 45 000 до 60 000 юаней, причем сама зарядная станция стоит примерно от 25 000 до 35 000 юаней, а остальное — прокладка кабелей, подземная инфраструктура и оплата труда.145 В Соединенных Штатах быстрая зарядка постоянным током может стоить десятки тысяч долларов за станцию. Основные факторы, влияющие на стоимость установки оборудования для быстрой зарядки постоянным током, включают необходимость рытья траншей, модернизацию трансформаторов, установку новых или модернизацию электрических цепей и распределительных щитов, а также эстетическое улучшение. Дополнительными факторами являются наличие указателей, получение разрешений и доступ для людей с ограниченными возможностями.146

E. Беспроводная зарядка

Беспроводная зарядка имеет ряд преимуществ, включая эстетичность, экономию времени и простоту использования.

Она была доступна в 1990-х годах для EV1 (раннего электромобиля), но сегодня встречается редко.147 Стоимость систем беспроводной зарядки электромобилей, предлагаемых онлайн, варьируется от 1260 до 3000 долларов США.148 Беспроводная зарядка электромобилей имеет потерю эффективности, при этом текущие системы обеспечивают эффективность зарядки около 85%.149 Современные беспроводные зарядные устройства предлагают передачу мощности от 3 до 22 кВт; беспроводные зарядные устройства доступны для нескольких моделей электромобилей от Plugless charge мощностью 3,6 кВт или 7,2 кВт, что эквивалентно зарядке уровня 2.150 Хотя многие пользователи электромобилей считают, что беспроводная зарядка не стоит дополнительных затрат,151 некоторые аналитики прогнозируют, что эта технология скоро получит широкое распространение, и несколько автопроизводителей объявили, что будут предлагать беспроводную зарядку в качестве опции для будущих электромобилей. Беспроводная зарядка может быть привлекательной для определенных транспортных средств с определенными маршрутами, таких как общественные автобусы, и она также была предложена для будущих полос движения электромагистралей, хотя высокая стоимость, низкая эффективность зарядки и низкая скорость зарядки будут недостатками.152

F. Замена батареи

Благодаря технологии замены аккумуляторов электромобили смогут заменять разряженные аккумуляторы на полностью заряженные. Это значительно сократит время зарядки электромобиля и принесет водителю значительные преимущества.

Несколько китайских городов и компаний в настоящее время экспериментируют с заменой аккумуляторов, уделяя особое внимание электромобилям с высокой нагрузкой, таким как такси. Город Ханчжоу внедрил замену аккумуляторов для своего таксопарка, который использует электромобили Zotye местного производства.155 Пекин построил несколько станций замены аккумуляторов при поддержке местного автопроизводителя BAIC. В конце 2017 года BAIC объявила о плане строительства 3000 станций по всей стране к 2021 году.156 Китайский стартап по производству электромобилей NIO планирует внедрить технологию замены аккумуляторов в некоторых своих автомобилях и объявил о строительстве 1100 станций в Китае.157 Несколько городов Китая, включая Ханчжоу и Циндао, также используют замену аккумуляторов для автобусов.158

В США обсуждение замены аккумуляторов затихло после банкротства в 2013 году израильского стартапа Project Better Place, занимавшегося заменой аккумуляторов. Этот стартап планировал создать сеть станций для замены легковых автомобилей.153 В 2015 году Tesla отказалась от планов по созданию станций, построив лишь один демонстрационный объект, ссылаясь на отсутствие интереса со стороны потребителей. В настоящее время в США практически не проводится экспериментов по замене аккумуляторов.154 Снижение стоимости аккумуляторов и, возможно, в меньшей степени, развертывание инфраструктуры быстрой зарядки постоянным током, вероятно, снизили привлекательность замены аккумуляторов в США.

Хотя замена аккумулятора даёт ряд преимуществ, она также имеет существенные недостатки. Аккумулятор электромобиля тяжёлый и обычно располагается в нижней части транспортного средства, представляя собой неотъемлемый структурный компонент с минимальными инженерными допусками для выравнивания и электрических соединений. Современные аккумуляторы обычно требуют охлаждения, а подключение и отключение систем охлаждения затруднено.159 Учитывая их размер и вес, аккумуляторные системы должны быть идеально подогнаны, чтобы избежать дребезжания, уменьшить износ и поддерживать центральное положение транспортного средства. Архитектура аккумулятора скейтборда, распространённая в современных электромобилях, повышает безопасность за счёт снижения центра тяжести транспортного средства и улучшения защиты от столкновений спереди и сзади. Съёмные аккумуляторы, расположенные в багажнике или в другом месте, лишены этого преимущества. Поскольку большинство владельцев автомобилей заряжают их в основном дома илиЗАРЯДКА ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ В КИТАЕ И СШАНа практике замена аккумуляторов не обязательно решит проблемы с зарядной инфраструктурой — она лишь поможет решить проблемы с общественными зарядными станциями и увеличить запас хода. Кроме того, поскольку большинство автопроизводителей не желают стандартизировать аккумуляторные батареи или их конструкцию (автомобили разрабатываются с учётом их аккумуляторов и двигателей, что делает их ключевой ценностью компании160), для замены аккумуляторов может потребоваться отдельная сеть станций для каждой автомобильной компании или отдельное оборудование для замены аккумуляторов разных моделей и размеров автомобилей. Хотя предлагались мобильные грузовики для замены аккумуляторов161, эта бизнес-модель до сих пор не реализована.