Teknologier för laddning av elbilar

Laddningsteknikerna för elbilar i Kina och USA är i stort sett lika. I båda länderna är sladdar och kontakter den överväldigande dominerande tekniken för laddning av elfordon. (Trådlös laddning och batteribyte har som mest en liten närvaro.) Det finns skillnader mellan de två länderna när det gäller laddningsnivåer, laddningsstandarder och kommunikationsprotokoll. Dessa likheter och skillnader diskuteras nedan.

A. Laddningsnivåer

I USA sker en stor del av laddningen av elbilar vid 120 volt med hjälp av omodifierade vägguttag i hemmet. Detta kallas generellt nivå 1- eller "underhållsladdning". Med nivå 1-laddning tar det cirka 12 timmar för ett typiskt 30 kWh-batteri att gå från 20 % till nästan full laddning. (Det finns inga 120-voltsuttag i Kina.)

I både Kina och USA sker en stor del av laddningen av elbilar vid 220 volt (Kina) eller 240 volt (USA). I ​​USA kallas detta för nivå 2-laddning.

Sådan laddning kan ske med omodifierade uttag eller specialiserad laddningsutrustning för elbilar och använder vanligtvis cirka 6–7 kW effekt. Vid laddning vid 220–240 volt tar det cirka 6 timmar för ett typiskt 30 kWh-batteri att gå från 20 % till nästan full laddning.

Slutligen har både Kina och USA växande nätverk av DC-snabbladdare, vanligtvis med 24 kW, 50 kW, 100 kW eller 120 kW effekt. Vissa stationer kan erbjuda 350 kW eller till och med 400 kW effekt. Dessa DC-snabbladdare kan ladda ett fordonsbatteri från 20 % till nästan full laddning på tider från ungefär en timme till så lite som 10 minuter.

Tabell 6:Vanligaste laddningsnivåerna i USA

Källa: Amerikanska energidepartementet

B. Avgiftsstandarder

i. Kina

Kina har en nationell standard för snabbladdning av elbilar. USA har tre standarder för snabbladdning av elbilar.

Den kinesiska standarden är känd som China GB/T. (InitialernaGBstår för nationell standard.)

China GB/T släpptes 2015 efter flera års utveckling.124 Det är nu obligatoriskt för alla nya elbilar som säljs i Kina. Internationella biltillverkare, inklusive Tesla, Nissan och BMW, har antagit GB/T-standarden för sina elbilar som säljs i Kina. GB/T tillåter för närvarande snabbladdning med maximalt 237,5 kW effekt (vid 950 V och 250 ampere), även om många

Kinesiska DC-snabbladdare erbjuder laddning på 50 kW. En ny GB/T kommer att släppas under 2019 eller 2020, som enligt uppgift kommer att uppgradera standarden till att omfatta laddning upp till 900 kW för större kommersiella fordon. GB/T är en standard som endast gäller i Kina: de få Kinatillverkade elbilar som exporteras utomlands använder andra standarder.125

I augusti 2018 tillkännagav China Electricity Council (CEC) ett samförståndsavtal med CHAdeMO-nätverket, baserat i Japan, för att gemensamt utveckla ultrasnabbladdning. Målet är kompatibilitet mellan GB/T och CHAdeMO för snabbladdning. De två organisationerna kommer att samarbeta för att utöka standarden till länder utanför Kina och Japan.126

ii. Förenta staterna

I USA finns det tre standarder för snabbladdning av elbilar med likström: CHAdeMO, CCS SAE Combo och Tesla.

CHAdeMO var den första standarden för snabbladdning av elbilar, daterad 2011. Den utvecklades av Tokyo

Electric Power Company står för ”Charge to Move” (en ordlek på japanska).127 CHAdeMO används för närvarande i USA i Nissan Leaf och Mitsubishi Outlander PHEV, vilka är bland de mest sålda elbilarna. Leafs framgång i USA kan bero påLADDNING AV ELFORDON I KINA OCH USA

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | FEBRUARI 2019 |

delvis på grund av Nissans tidiga åtagande att lansera CHAdeMO-snabbladdningsinfrastruktur hos återförsäljare och andra stadsplatser.128 I januari 2019 fanns det över 2 900 CHAdeMO-snabbladdare i USA (samt mer än 7 400 i Japan och 7 900 i Europa).129

År 2016 meddelade CHAdeMO att de skulle uppgradera sin standard från sin ursprungliga laddningsnivå på 70

kW för att erbjuda 150 kW.130 I juni 2018 tillkännagav CHAdeMO introduktionen av laddningskapacitet på 400 kW, med hjälp av vätskekylda kablar på 1 000 V och 400 ampere. Den högre laddningskapaciteten kommer att vara tillgänglig för att möta behoven hos stora kommersiella fordon som lastbilar och bussar.131

En andra laddningsstandard i USA är känd som CCS eller SAE Combo. Den släpptes 2011 av en grupp europeiska och amerikanska biltillverkare. Ordetkombinationindikerar att kontakten har både AC-laddning (upp till 43 kW) och DC-laddning.132 In

I Tyskland bildades koalitionen Charging Interface Initiative (CharIN) för att förespråka ett brett införande av CCS. Till skillnad från CHAdeMO möjliggör en CCS-kontakt likströms- och växelströmsladdning med en enda port, vilket minskar utrymmet och de öppningar som krävs på fordonskarossen. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA och Hyundai stöder CCS. Tesla har också anslutit sig till koalitionen och meddelade i november 2018 att deras fordon i Europa skulle vara utrustade med CCS-laddningsportar.133 Chevrolet Bolt och BMW i3 är bland de populära elbilarna i USA som använder CCS-laddning. Medan nuvarande CCS-snabbladdare erbjuder laddning på cirka 50 kW, inkluderar Electrify America-programmet snabbladdning på 350 kW, vilket skulle kunna möjliggöra en nästan fullständig laddning på så lite som 10 minuter.

Den tredje laddningsstandarden i USA drivs av Tesla, som lanserade sitt eget proprietära Supercharger-nätverk i USA i september 2012.134 Tesla

Kompressorer arbetar vanligtvis med 480 volt och erbjuder laddning med maximalt 120 kW.

I januari 2019 listade Teslas webbplats 595 Supercharger-platser i USA, med ytterligare 420 platser "kommer snart".135 I maj 2018 föreslog Tesla att deras Superchargers i framtiden skulle kunna nå effektnivåer så höga som 350 kW.136

I vår forskning för den här rapporten frågade vi amerikanska intervjupersoner om de ansåg att avsaknaden av en enda nationell standard för DC-snabbladdning var ett hinder för införandet av elbilar. Få svarade jakande. Skälen till att flera standarder för DC-snabbladdning inte anses vara ett problem är bland annat:

● Laddning av elbilar sker oftast hemma och på jobbet, med laddare av nivå 1 och 2.

● Mycket av den offentliga och arbetsplatsbaserade laddningsinfrastrukturen har hittills använt nivå 2-laddare.

● Det finns adaptrar som gör det möjligt för elbilsägare att använda de flesta DC-snabbladdare, även om elbilen och laddaren använder olika laddningsstandarder. (Det största undantaget, Teslas supercharging-nätverk, är endast öppet för Tesla-fordon.) Det är värt att notera att det finns vissa farhågor kring säkerheten hos snabbladdningsadaptrar.

● Eftersom kontakten och kontakten representerar en liten andel av kostnaden för en snabbladdningsstation, utgör detta liten teknisk eller ekonomisk utmaning för stationsägare och kan jämföras med slangarna för bensin med olika oktantal på en tankstation. Många offentliga laddningsstationer har flera kontakter anslutna till en enda laddstolpe, vilket gör att alla typer av elbilar kan laddas där. Faktum är att många jurisdiktioner kräver eller stimulerar detta.LADDNING AV ELFORDON I KINA OCH USA

38 | CENTRUM FÖR GLOBAL ENERGIPOLICY | COLUMBIA SIPA

Vissa biltillverkare har sagt att ett exklusivt laddningsnätverk representerar en konkurrenskraftig strategi. Claas Bracklo, chef för elektromobilitet på BMW och ordförande för CharIN, uttalade 2018: ”Vi har grundat CharIN för att bygga en maktposition.”137 Många Tesla-ägare och investerare anser att deras egenutvecklade kompressornätverk är ett försäljningsargument, även om Tesla fortsätter att uttrycka en vilja att låta andra bilmodeller använda deras nätverk förutsatt att de bidrar med finansiering proportionellt mot användningen.138 Tesla är också en del av CharIN som marknadsför CCS. I november 2018 meddelade de att Model 3-bilar som säljs i Europa skulle vara utrustade med CCS-portar. Tesla-ägare kan också köpa adaptrar för att få tillgång till CHAdeMO-snabbladdare.139

C. Protokoll för laddningskommunikation Protokoll för laddningskommunikation är nödvändiga för att optimera laddningen för användarens behov (för att detektera laddningstillstånd, batterispänning och säkerhet) och för elnätet (inklusive

distributionsnätets kapacitet, prissättning vid användningstid och åtgärder för efterfrågeflexibilitet).140 China GB/T och CHAdeMO använder ett kommunikationsprotokoll som kallas CAN, medan CCS arbetar med PLC-protokollet. Öppna kommunikationsprotokoll, såsom Open Charge Point Protocol (OCPP) som utvecklats av Open Charging Alliance, blir alltmer populära i USA och Europa.

I vår forskning för denna rapport nämnde flera amerikanska intervjupersoner övergången mot öppna kommunikationsprotokoll och programvara som en politisk prioritet. I synnerhet nämndes vissa offentliga laddningsprojekt som fick finansiering enligt American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) som att de valt leverantörer med proprietära plattformar som senare upplevde ekonomiska svårigheter, vilket ledde till trasig utrustning som krävde utbyte.141 ​​De flesta städer, energibolag och laddningsnätverk som kontaktades för denna studie uttryckte stöd för öppna kommunikationsprotokoll och incitament för att göra det möjligt för värdar för laddningsnätverk att sömlöst byta leverantör.142

D. Kostnader

Hemladdare är billigare i Kina än i USA. I Kina säljs en typisk väggmonterad hemmaladdare på 7 kW online för mellan 1 200 och 1 800 RMB.143 Installation kräver en extra kostnad. (De flesta privata elbilsköp inkluderar laddare och installation.) I USA kostar nivå 2-hemladdare i intervallet 450–600 dollar, plus i genomsnitt cirka 500 dollar för installation.144 Utrustning för snabbladdning av likström är betydligt dyrare i båda länderna. Kostnaderna varierar kraftigt. En kinesisk expert som intervjuades för denna rapport uppskattade att installation av en snabbladdningsstolpe på 50 kW likström i Kina vanligtvis kostar mellan 45 000 och 60 000 RMB, där själva laddstolpen står för cirka 25 000–35 000 RMB och kablar, underjordisk infrastruktur och arbete står för resten.145 I USA kan snabbladdning av likström kosta tiotusentals dollar per stolpe. Viktiga variabler som påverkar kostnaden för att installera DC-snabbladdningsutrustning inkluderar behovet av schaktning, uppgraderingar av transformatorer, nya eller uppgraderade kretsar och elpaneler samt estetiska uppgraderingar. Skyltar, tillstånd och tillgänglighet för funktionshindrade är ytterligare faktorer att beakta.146

E. Trådlös laddning

Trådlös laddning erbjuder flera fördelar, inklusive estetik, tidsbesparing och användarvänlighet.

Det fanns tillgängligt på 1990-talet för EV1 (en tidig elbil) men är sällsynt idag.147 Trådlösa laddningssystem för elbilar som erbjuds online varierar i kostnad från 1 260 dollar till cirka 3 000 dollar.148 Trådlös laddning av elbilar har en effektivitetsförlust, där nuvarande system erbjuder laddningseffektivitet på cirka 85 %.149 Nuvarande trådlösa laddningsprodukter erbjuder effektöverföring på 3–22 kW; trådlösa laddare finns tillgängliga för flera elbilsmodeller från Plugless-laddning med antingen 3,6 kW eller 7,2 kW, motsvarande nivå 2-laddning.150 Medan många elbilsanvändare anser att trådlös laddning inte är värd den extra kostnaden,151 har vissa analytiker förutspått att tekniken snart kommer att bli utbredd, och flera biltillverkare har meddelat att de skulle erbjuda trådlös laddning som ett alternativ på framtida elbilar. Trådlös laddning kan vara attraktivt för vissa fordon med definierade rutter, såsom kollektivtrafikbussar, och det har också föreslagits för framtida elektriska motorvägskörfält, även om hög kostnad, låg laddningseffektivitet och långsamma laddningshastigheter skulle vara nackdelar.152

F. Batteribyte

Med batteribytesteknik skulle elbilar kunna byta ut sina urladdade batterier mot andra som är fulladdade. Detta skulle dramatiskt förkorta den tid det tar att ladda en elbil, med betydande potentiella fördelar för förarna.

Flera kinesiska städer och företag experimenterar för närvarande med batteribyte, med fokus på högutnyttjande elbilar, såsom taxibilar. Staden Hangzhou har infört batteribyte för sin taxiflotta, som använder lokalt tillverkade Zotye elbilar.155 Peking har byggt flera batteribytesstationer i ett arbete som stöds av den lokala biltillverkaren BAIC. I slutet av 2017 tillkännagav BAIC en plan att bygga 3 000 batteribytesstationer över hela landet fram till 2021.156 Den kinesiska elbilsstartupen NIO planerar att använda batteribytesteknik för några av sina fordon och tillkännagav att de skulle bygga 1 100 batteribytesstationer i Kina.157 Flera städer i Kina – inklusive Hangzhou och Qingdao – har också använt batteribyte för bussar.158

I USA avtog diskussionen om batteribyte efter konkursen 2013 för det israeliska batteribytesföretaget Project Better Place, som hade planerat ett nätverk av bytesstationer för personbilar.153 År 2015 övergav Tesla sina planer på bytesstationer efter att ha byggt endast en demonstrationsanläggning och skyllde på bristande konsumentintresse. Det pågår få om ens några experiment med batteribyte i USA idag.154 Minskningen av batterikostnader, och kanske i mindre utsträckning utbyggnaden av DC-snabbladdningsinfrastruktur, har sannolikt minskat attraktionskraften för batteribyte i USA.

Även om batteribyte erbjuder flera fördelar, har det även anmärkningsvärda nackdelar. Ett elbilsbatteri är tungt och vanligtvis placerat längst ner på fordonet, vilket bildar en integrerad strukturell komponent med minimala tekniska toleranser för uppriktning och elektriska anslutningar. Dagens batterier kräver vanligtvis kylning, och det är svårt att ansluta och koppla ur kylsystem.159 Med tanke på deras storlek och vikt måste batterisystemen passa perfekt för att undvika skrammel, minska slitage och hålla fordonet centrerat. Skateboardbatteriarkitekturen som är vanlig i dagens elbilar förbättrar säkerheten genom att sänka fordonets viktpunkt och förbättra krockskyddet fram och bak. Löstagbara batterier som är placerade i bagageutrymmet eller någon annanstans skulle sakna denna fördel. Eftersom de flesta fordonsägare huvudsakligen laddar hemma ellerLADDNING AV ELFORDON I KINA OCH USAI praktiken skulle batteribyte inte nödvändigtvis lösa problemen med laddningsinfrastrukturen – det skulle bara bidra till att åtgärda offentlig laddning och räckvidd. Och eftersom de flesta biltillverkare är ovilliga att standardisera batteripaket eller design – bilar är utformade kring sina batterier och motorer, vilket gör detta till ett viktigt proprietärt värde160 – kan batteribyte kräva ett separat nätverk av bytesstationer för varje biltillverkare eller separat bytesutrustning för olika modeller och storlekar av fordon. Även om mobila batteribyteslastbilar har föreslagits,161 har denna affärsmodell ännu inte implementerats.