فناوری‌های شارژر EV

فناوری‌های شارژ خودروهای برقی در چین و ایالات متحده به‌طور کلی مشابه هستند. در هر دو کشور، سیم و پریز برق، فناوری غالب برای شارژ خودروهای برقی هستند. (شارژ بی‌سیم و تعویض باتری حداکثر حضور جزئی دارند.) تفاوت‌هایی بین دو کشور در رابطه با سطوح شارژ، استانداردهای شارژ و پروتکل‌های ارتباطی وجود دارد. این شباهت‌ها و تفاوت‌ها در زیر مورد بحث قرار گرفته است.

الف. سطوح شارژ

در ایالات متحده، بخش زیادی از شارژ خودروهای برقی با استفاده از پریزهای دیواری خانگی اصلاح نشده با ولتاژ ۱۲۰ ولت انجام می‌شود. این روش عموماً به عنوان سطح ۱ یا شارژ «چکه‌ای» شناخته می‌شود. با شارژ سطح ۱، یک باتری معمولی ۳۰ کیلووات ساعتی تقریباً ۱۲ ساعت طول می‌کشد تا از ۲۰٪ به شارژ تقریباً کامل برسد. (در چین پریز ۱۲۰ ولت وجود ندارد.)

در هر دو کشور چین و ایالات متحده، بخش زیادی از شارژ خودروهای برقی با برق ۲۲۰ ولت (چین) یا ۲۴۰ ولت (ایالات متحده) انجام می‌شود. در ایالات متحده، این روش به عنوان شارژ سطح ۲ شناخته می‌شود.

چنین شارژی ممکن است با پریزهای اصلاح نشده یا تجهیزات شارژ تخصصی خودروهای برقی انجام شود و معمولاً حدود ۶ تا ۷ کیلووات برق مصرف می‌کند. هنگام شارژ با ولتاژ ۲۲۰ تا ۲۴۰ ولت، یک باتری معمولی ۳۰ کیلووات ساعتی تقریباً ۶ ساعت طول می‌کشد تا از ۲۰٪ به شارژ تقریباً کامل برسد.

در نهایت، هم چین و هم ایالات متحده شبکه‌های رو به رشدی از شارژرهای سریع جریان مستقیم دارند که معمولاً از ۲۴ کیلووات، ۵۰ کیلووات، ۱۰۰ کیلووات یا ۱۲۰ کیلووات برق استفاده می‌کنند. برخی از ایستگاه‌ها ممکن است ۳۵۰ کیلووات یا حتی ۴۰۰ کیلووات برق ارائه دهند. این شارژرهای سریع جریان مستقیم می‌توانند باتری خودرو را از ۲۰٪ تا تقریباً کامل در زمانی بین تقریباً یک ساعت تا ۱۰ دقیقه شارژ کنند.

جدول ۶:رایج‌ترین سطوح شارژ در ایالات متحده

منبع: وزارت انرژی ایالات متحده

ب. استانداردهای شارژ

من. چین

چین یک استاندارد سراسری برای شارژ سریع خودروهای برقی دارد، در حالی که ایالات متحده سه استاندارد برای شارژ سریع خودروهای برقی دارد.

استاندارد چینی با نام China GB/T شناخته می‌شود. (حروف اول)GBمخفف استاندارد ملی است.)

استاندارد GB/T چین پس از چندین سال توسعه، در سال ۲۰۱۵ منتشر شد.۱۲۴ اکنون برای همه خودروهای برقی جدید فروخته شده در چین اجباری است. خودروسازان بین‌المللی، از جمله تسلا، نیسان و بی‌ام‌و، استاندارد GB/T را برای خودروهای برقی فروخته شده در چین اتخاذ کرده‌اند. GB/T در حال حاضر امکان شارژ سریع با حداکثر ۲۳۷.۵ کیلووات خروجی (در ۹۵۰ ولت و ۲۵۰ آمپر) را فراهم می‌کند، اگرچه بسیاری از...

شارژرهای سریع DC چینی، شارژ 50 کیلوواتی ارائه می‌دهند. GB/T جدید در سال 2019 یا 2020 عرضه خواهد شد که طبق گزارش‌ها، استاندارد را ارتقا می‌دهد تا شامل شارژ تا 900 کیلووات برای وسایل نقلیه تجاری بزرگتر باشد. GB/T یک استاندارد مخصوص چین است: معدود خودروهای برقی ساخت چین که به خارج از کشور صادر می‌شوند، از استانداردهای دیگری استفاده می‌کنند.125

در آگوست ۲۰۱۸، شورای برق چین (CEC) از امضای تفاهم‌نامه‌ای با شبکه CHAdeMO مستقر در ژاپن برای توسعه مشترک شارژ فوق سریع خبر داد. هدف، سازگاری بین GB/T و CHAdeMO برای شارژ سریع است. این دو سازمان برای گسترش این استاندارد به کشورهایی فراتر از چین و ژاپن با یکدیگر همکاری خواهند کرد.126

دوم. ایالات متحده

در ایالات متحده، سه استاندارد شارژ سریع برای خودروهای برقی وجود دارد: CHAdeMO، CCS SAE Combo و تسلا.

CHAdeMO اولین استاندارد شارژ سریع خودروهای برقی بود که قدمت آن به سال ۲۰۱۱ برمی‌گردد. این استاندارد توسط توکیو توسعه داده شد.

شرکت برق و مخفف عبارت «Charge to Move» (یک جناس در زبان ژاپنی) است.127 CHAdeMO در حال حاضر در ایالات متحده در نیسان لیف و میتسوبیشی اوتلندر PHEV استفاده می‌شود که از جمله پرفروش‌ترین خودروهای برقی هستند. موفقیت لیف در ایالات متحده ممکن است ...شارژ خودروهای برقی در چین و ایالات متحده

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | فوریه ۲۰۱۹ |

بخشی از آن به دلیل تعهد اولیه نیسان برای راه‌اندازی زیرساخت‌های شارژ سریع CHAdeMO در نمایندگی‌ها و سایر مکان‌های شهری است.128 تا ژانویه 2019، بیش از 2900 شارژر سریع CHAdeMO در ایالات متحده (و همچنین بیش از 7400 در ژاپن و 7900 در اروپا) وجود داشت.129

در سال ۲۰۱۶، CHAdeMO اعلام کرد که استاندارد خود را از نرخ شارژ اولیه ۷۰ ارتقا خواهد داد.

کیلووات برای ارائه ۱۵۰ کیلووات.130 در ژوئن ۲۰۱۸، CHAdeMO از معرفی قابلیت شارژ ۴۰۰ کیلوواتی با استفاده از کابل‌های ۱۰۰۰ ولت و ۴۰۰ آمپر با خنک‌کننده مایع خبر داد. شارژ بالاتر برای رفع نیاز وسایل نقلیه تجاری بزرگ مانند کامیون‌ها و اتوبوس‌ها در دسترس خواهد بود.131

استاندارد شارژ دوم در ایالات متحده با نام CCS یا SAE Combo شناخته می‌شود. این استاندارد در سال ۲۰۱۱ توسط گروهی از تولیدکنندگان خودرو اروپایی و آمریکایی منتشر شد.کمبونشان می‌دهد که این دوشاخه هم شارژ AC (تا ۴۳ کیلووات) و هم شارژ DC را پشتیبانی می‌کند.۱۳۲ اینچ

در آلمان، ائتلاف ابتکار رابط شارژ (CharIN) برای حمایت از پذیرش گسترده CCS تشکیل شد. برخلاف CHAdeMO، دوشاخه CCS امکان شارژ DC و AC را با یک پورت واحد فراهم می‌کند و فضا و دهانه‌های مورد نیاز روی بدنه خودرو را کاهش می‌دهد. جگوار،

فولکس واگن، جنرال موتورز، بی ام و، دایملر، فورد، FCA و هیوندای از CCS پشتیبانی می‌کنند. تسلا نیز به این ائتلاف پیوسته و در نوامبر ۲۰۱۸ اعلام کرد که خودروهایش در اروپا به پورت‌های شارژ CCS مجهز خواهند شد. شورولت بولت و بی ام و i3 از جمله خودروهای برقی محبوب در ایالات متحده هستند که از شارژ CCS استفاده می‌کنند. در حالی که شارژرهای سریع CCS فعلی شارژ حدود ۵۰ کیلووات را ارائه می‌دهند، برنامه Electrify America شامل شارژ سریع ۳۵۰ کیلووات است که می‌تواند شارژ تقریباً کامل را در کمتر از ۱۰ دقیقه امکان‌پذیر کند.

سومین استاندارد شارژ در ایالات متحده توسط تسلا اداره می‌شود که شبکه سوپرشارژر اختصاصی خود را در ایالات متحده در سپتامبر ۲۰۱۲ راه‌اندازی کرد.۱۳۴ تسلا

سوپرشارژرها معمولاً با ولتاژ ۴۸۰ ولت کار می‌کنند و حداکثر ۱۲۰ کیلووات شارژ ارائه می‌دهند.

در ژانویه ۲۰۱۹، وب‌سایت تسلا ۵۹۵ مکان سوپرشارژر را در ایالات متحده فهرست کرد و ۴۲۰ مکان دیگر نیز «به‌زودی» اضافه خواهند شد.۱۳۵ در ماه مه ۲۰۱۸، تسلا اعلام کرد که در آینده سوپرشارژرهای آن ممکن است به سطح توانی تا ۳۵۰ کیلووات برسند.۱۳۶

در تحقیقات ما برای این گزارش، از مصاحبه‌شوندگان آمریکایی پرسیدیم که آیا فقدان یک استاندارد ملی واحد برای شارژ سریع DC را مانعی برای پذیرش خودروهای برقی می‌دانند یا خیر. تعداد کمی پاسخ مثبت دادند. دلایلی که استانداردهای متعدد شارژ سریع DC به عنوان یک مشکل در نظر گرفته نمی‌شوند عبارتند از:

● بیشتر شارژ خودروهای برقی در خانه و محل کار، با شارژرهای سطح ۱ و ۲ انجام می‌شود.

● بسیاری از زیرساخت‌های شارژ عمومی و محل کار تا به امروز از شارژرهای سطح ۲ استفاده کرده‌اند.

● آداپتورهایی در دسترس هستند که به دارندگان خودروهای برقی اجازه می‌دهند از اکثر شارژرهای سریع DC استفاده کنند، حتی اگر خودروی برقی و شارژر از استانداردهای شارژ متفاوتی استفاده کنند. (استثنای اصلی، شبکه سوپرشارژ تسلا، فقط برای خودروهای تسلا باز است.) نکته قابل توجه این است که نگرانی‌هایی در مورد ایمنی آداپتورهای شارژ سریع وجود دارد.

● از آنجایی که دوشاخه و رابط درصد کمی از هزینه یک ایستگاه شارژ سریع را تشکیل می‌دهند، این موضوع چالش فنی یا مالی کمی برای صاحبان ایستگاه ایجاد می‌کند و می‌توان آن را با شیلنگ‌های بنزین با اکتان مختلف در یک ایستگاه سوخت‌گیری مقایسه کرد. بسیاری از ایستگاه‌های شارژ عمومی دارای چندین دوشاخه متصل به یک پست شارژ واحد هستند که امکان شارژ هر نوع خودروی برقی را در آنجا فراهم می‌کند. در واقع، بسیاری از حوزه‌های قضایی این امر را الزامی یا تشویق می‌کنند.شارژ خودروهای برقی در چین و ایالات متحده

۳۸ | مرکز سیاست جهانی انرژی | کلمبیا سیپا

برخی از خودروسازان گفته‌اند که یک شبکه شارژ انحصاری نشان‌دهنده یک استراتژی رقابتی است. کلاس براکل، رئیس بخش حمل و نقل الکتریکی در بی‌ام‌و و رئیس CharIN، در سال ۲۰۱۸ اظهار داشت: «ما CharIN را برای ایجاد یک موقعیت قدرت تأسیس کرده‌ایم.» ۱۳۷ بسیاری از دارندگان و سرمایه‌گذاران تسلا، شبکه سوپرشارژر اختصاصی آن را یک نقطه قوت فروش می‌دانند، اگرچه تسلا همچنان تمایل خود را برای اجازه دادن به سایر مدل‌های خودرو برای استفاده از شبکه خود ابراز می‌کند، مشروط بر اینکه آنها متناسب با میزان استفاده، بودجه اختصاص دهند. ۱۳۸ تسلا همچنین بخشی از CharIN است که CCS را تبلیغ می‌کند. در نوامبر ۲۰۱۸، اعلام کرد که خودروهای مدل ۳ فروخته شده در اروپا مجهز به پورت‌های CCS خواهند بود. دارندگان تسلا همچنین می‌توانند آداپتورهایی را برای دسترسی به شارژرهای سریع CHAdeMO خریداری کنند. ۱۳۹

ج. پروتکل‌های ارتباطی شارژ پروتکل‌های ارتباطی شارژ برای بهینه‌سازی شارژ مطابق با نیازهای کاربر (برای تشخیص وضعیت شارژ، ولتاژ باتری و ایمنی) و برای شبکه (از جمله ...) ضروری هستند.

ظرفیت شبکه توزیع، قیمت‌گذاری زمان استفاده و اقدامات پاسخگویی به تقاضا).140 چین GB/T و CHAdeMO از یک پروتکل ارتباطی به نام CAN استفاده می‌کنند، در حالی که CCS با پروتکل PLC کار می‌کند. پروتکل‌های ارتباطی باز، مانند پروتکل نقطه شارژ باز (OCPP) که توسط اتحاد شارژ باز توسعه داده شده است، به طور فزاینده‌ای در ایالات متحده و اروپا محبوب می‌شوند.

در تحقیقات ما برای این گزارش، چندین مصاحبه‌شونده آمریکایی، حرکت به سمت پروتکل‌ها و نرم‌افزارهای ارتباطی باز را به عنوان یک اولویت سیاسی ذکر کردند. به طور خاص، برخی از پروژه‌های شارژ عمومی که تحت قانون بازیابی و سرمایه‌گذاری مجدد آمریکا (ARRA) بودجه دریافت کردند، به عنوان فروشندگانی با پلتفرم‌های اختصاصی انتخاب شدند که متعاقباً با مشکلات مالی مواجه شدند و تجهیزات خراب و نیازمند تعویض را به جا گذاشتند.141 اکثر شهرها، شرکت‌های آب و برق و شبکه‌های شارژ که برای این مطالعه با آنها تماس گرفته شد، از پروتکل‌های ارتباطی باز و مشوق‌هایی برای فعال کردن میزبانان شبکه شارژ برای تغییر یکپارچه ارائه‌دهندگان، حمایت کردند.142

د. هزینه‌ها

شارژرهای خانگی در چین ارزان‌تر از ایالات متحده هستند. در چین، یک شارژر خانگی دیواری معمولی ۷ کیلوواتی به صورت آنلاین بین ۱۲۰۰ تا ۱۸۰۰ یوان قیمت دارد.۱۴۳ نصب آن نیاز به هزینه اضافی دارد. (بیشتر خریدهای خودروهای برقی شخصی شامل شارژر و نصب می‌شود.) در ایالات متحده، شارژرهای خانگی سطح ۲ قیمتی بین ۴۵۰ تا ۶۰۰ دلار دارند، به علاوه به طور متوسط ​​تقریباً ۵۰۰ دلار برای نصب.۱۴۴ تجهیزات شارژ سریع DC در هر دو کشور به طور قابل توجهی گران‌تر است. هزینه‌ها بسیار متفاوت است. یک متخصص چینی که برای این گزارش با او مصاحبه شده است، تخمین زده است که نصب یک پست شارژ سریع DC ۵۰ کیلوواتی در چین معمولاً بین ۴۵۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ یوان هزینه دارد، که خود پست شارژ تقریباً ۲۵۰۰۰ تا ۳۵۰۰۰ یوان هزینه دارد و کابل‌کشی، زیرساخت‌های زیرزمینی و نیروی کار مابقی هزینه را تشکیل می‌دهند.۱۴۵ در ایالات متحده، شارژ سریع DC می‌تواند ده‌ها هزار دلار برای هر پست هزینه داشته باشد. متغیرهای اصلی مؤثر بر هزینه نصب تجهیزات شارژ سریع DC شامل نیاز به حفر ترانشه، ارتقاء ترانسفورماتور، مدارها و تابلوهای برق جدید یا ارتقا یافته و ارتقاء زیبایی‌شناسی است. تابلوها، مجوزها و دسترسی برای معلولین از ملاحظات اضافی هستند.146

ه. شارژ بی‌سیم

شارژ بی‌سیم مزایای متعددی از جمله زیبایی‌شناسی، صرفه‌جویی در زمان و سهولت استفاده را ارائه می‌دهد.

این فناوری در دهه 1990 برای EV1 (یک ماشین الکتریکی اولیه) در دسترس بود، اما امروزه کمیاب است.147 سیستم‌های شارژ بی‌سیم خودروهای برقی که به صورت آنلاین ارائه می‌شوند، از 1260 دلار تا حدود 3000 دلار قیمت دارند.148 شارژ بی‌سیم خودروهای برقی دارای راندمان پایینی است، زیرا سیستم‌های فعلی راندمان شارژ حدود 85٪ را ارائه می‌دهند.149 محصولات شارژ بی‌سیم فعلی، انتقال قدرت 3 تا 22 کیلووات را ارائه می‌دهند. شارژرهای بی‌سیم برای چندین مدل خودروی برقی از شارژ بدون پلاگ با سرعت 3.6 کیلووات یا 7.2 کیلووات، معادل شارژ سطح 2، در دسترس هستند.150 در حالی که بسیاری از کاربران خودروهای برقی، شارژ بی‌سیم را ارزش هزینه اضافی نمی‌دانند،151 برخی از تحلیلگران پیش‌بینی کرده‌اند که این فناوری به زودی گسترده خواهد شد و چندین خودروساز اعلام کرده‌اند که شارژ بی‌سیم را به عنوان گزینه‌ای برای خودروهای برقی آینده ارائه خواهند داد. شارژ بی‌سیم می‌تواند برای برخی از وسایل نقلیه با مسیرهای مشخص، مانند اتوبوس‌های عمومی، جذاب باشد و همچنین برای خطوط بزرگراه برقی آینده پیشنهاد شده است، اگرچه هزینه بالا، راندمان شارژ پایین و سرعت شارژ پایین از معایب آن خواهد بود.152

و. تعویض باتری

با فناوری تعویض باتری، خودروهای برقی می‌توانند باتری‌های خالی خود را با باتری‌های کاملاً شارژ شده تعویض کنند. این امر به طور چشمگیری زمان لازم برای شارژ مجدد یک خودروی برقی را کاهش می‌دهد و مزایای بالقوه قابل توجهی برای رانندگان خواهد داشت.

چندین شهر و شرکت چینی در حال حاضر در حال آزمایش تعویض باتری هستند، با تمرکز بر خودروهای برقی ناوگان پرمصرف، مانند تاکسی‌ها. شهر هانگژو تعویض باتری را برای ناوگان تاکسی خود که از خودروهای برقی Zotye ساخت داخل استفاده می‌کند، مستقر کرده است.155 پکن چندین ایستگاه تعویض باتری را با حمایت خودروساز محلی BAIC ساخته است. در اواخر سال 2017، BAIC از طرحی برای ساخت 3000 ایستگاه تعویض باتری در سراسر کشور تا سال 2021 خبر داد.156 استارتاپ چینی خودروهای برقی NIO قصد دارد فناوری تعویض باتری را برای برخی از خودروهای خود به کار گیرد و اعلام کرد که 1100 ایستگاه تعویض باتری در چین خواهد ساخت.157 چندین شهر در چین - از جمله هانگژو و چینگدائو - نیز از تعویض باتری برای اتوبوس‌ها استفاده کرده‌اند.158

در ایالات متحده، بحث تعویض باتری پس از ورشکستگی استارت‌آپ تعویض باتری اسرائیلی Project Better Place در سال ۲۰۱۳ که شبکه‌ای از ایستگاه‌های تعویض باتری برای خودروهای سواری را برنامه‌ریزی کرده بود، کمرنگ شد.۱۵۳ در سال ۲۰۱۵، تسلا پس از ساخت تنها یک مرکز نمایشی، برنامه‌های ایستگاه تعویض باتری خود را رها کرد و دلیل آن را عدم علاقه مصرف‌کنندگان دانست. امروزه آزمایش‌های کمی در رابطه با تعویض باتری در ایالات متحده در حال انجام است، اگر نگوییم هیچ، اما تعداد کمی در حال انجام است.۱۵۴ کاهش هزینه‌های باتری، و شاید تا حد کمتری استقرار زیرساخت‌های شارژ سریع DC، احتمالاً جذابیت تعویض باتری را در ایالات متحده کاهش داده است.

اگرچه تعویض باتری مزایای متعددی دارد، اما معایب قابل توجهی نیز دارد. باتری خودروهای برقی سنگین است و معمولاً در پایین خودرو قرار می‌گیرد و یک جزء ساختاری یکپارچه با حداقل تلورانس‌های مهندسی برای تنظیم و اتصالات الکتریکی تشکیل می‌دهد. باتری‌های امروزی معمولاً نیاز به خنک شدن دارند و اتصال و جداسازی سیستم‌های خنک‌کننده دشوار است.159 با توجه به اندازه و وزن آنها، سیستم‌های باتری باید کاملاً متناسب باشند تا از لرزش جلوگیری شود، سایش کاهش یابد و خودرو در مرکز نگه داشته شود. معماری باتری اسکیت‌بورد که در خودروهای برقی امروزی رایج است، با پایین آوردن مرکز وزن خودرو و بهبود محافظت در برابر تصادف در جلو و عقب، ایمنی را بهبود می‌بخشد. باتری‌های قابل جابجایی که در صندوق عقب یا جاهای دیگر قرار دارند، فاقد این مزیت هستند. از آنجایی که اکثر صاحبان خودرو عمدتاً در خانه یاشارژ خودروهای برقی در چین و ایالات متحدهدر محل کار، تعویض باتری لزوماً مشکلات زیرساخت شارژ را حل نمی‌کند - فقط به حل مشکل شارژ عمومی و برد مسافتی کمک می‌کند. و از آنجا که اکثر خودروسازان تمایلی به استانداردسازی بسته‌های باتری یا طراحی‌ها ندارند - خودروها بر اساس باتری‌ها و موتورهای خود طراحی می‌شوند، و این امر را به یک ارزش اختصاصی کلیدی تبدیل می‌کند160 - تعویض باتری ممکن است به یک شبکه ایستگاه تعویض جداگانه برای هر شرکت خودروسازی یا تجهیزات تعویض جداگانه برای مدل‌ها و اندازه‌های مختلف وسایل نقلیه نیاز داشته باشد. اگرچه کامیون‌های تعویض باتری سیار پیشنهاد شده‌اند161، این مدل تجاری هنوز پیاده‌سازی نشده است.