Sähköauton latausteknologiat

Sähköautojen latausteknologiat Kiinassa ja Yhdysvalloissa ovat pääpiirteittäin samankaltaisia. Molemmissa maissa johdot ja pistokkeet ovat ylivoimaisesti hallitseva tekniikka sähköajoneuvojen lataamiseen. (Langaton lataus ja akunvaihto ovat korkeintaan vähäisiä.) Maiden välillä on eroja lataustasojen, latausstandardien ja viestintäprotokollien suhteen. Näitä yhtäläisyyksiä ja eroja käsitellään jäljempänä.

A. Lataustasot

Yhdysvalloissa suuri osa sähköautojen latauksesta tapahtuu 120 voltin jännitteellä muokkaamattomien kotitalouksien pistorasioiden kautta. Tätä kutsutaan yleisesti tasoksi 1 tai "ylläpitolataukseksi". Tason 1 latauksella tyypillisen 30 kWh:n akun latautuminen 20 prosentista lähes täyteen kestää noin 12 tuntia. (Kiinassa ei ole 120 voltin pistorasioita.)

Sekä Kiinassa että Yhdysvalloissa suuri osa sähköautojen latauksesta tapahtuu 220 voltin (Kiina) tai 240 voltin (Yhdysvallat) jännitteellä. Yhdysvalloissa tätä kutsutaan Level 2 -lataukseksi.

Tällainen lataus voidaan tehdä muokkaamattomilla pistorasioilla tai erityisillä sähköautojen latauslaitteilla, ja se käyttää tyypillisesti noin 6–7 kW tehoa. 220–240 voltin jännitteellä ladattaessa tyypillisen 30 kWh:n akun latautuminen 20 prosentista lähes täyteen kestää noin 6 tuntia.

Lopuksi, sekä Kiinassa että Yhdysvalloissa on kasvavia tasavirtapikalaturiverkostoja, jotka käyttävät yleensä 24 kW, 50 kW, 100 kW tai 120 kW tehoa. Jotkut asemat voivat tarjota 350 kW tai jopa 400 kW tehoa. Nämä tasavirtapikalaturit voivat ladata ajoneuvon akun 20 prosentista lähes täyteen noin tunnista jopa 10 minuuttiin.

Taulukko 6:Yleisimmät lataustasot Yhdysvalloissa

Lähde: Yhdysvaltain energiaministeriö

B. Latausstandardit

i. Kiina

Kiinassa on yksi valtakunnallinen sähköautojen pikalatausstandardi. Yhdysvalloissa on kolme sähköautojen pikalatausstandardia.

Kiinalainen standardi tunnetaan nimellä China GB/T. (LyhytkirjaimetGBtarkoittaa kansallista standardia.)

Kiinan GB/T julkaistiin vuonna 2015 useiden kehitysvuosien jälkeen.124 Se on nyt pakollinen kaikille Kiinassa myytäville uusille sähköajoneuvoille. Kansainväliset autonvalmistajat, kuten Tesla, Nissan ja BMW, ovat ottaneet käyttöön GB/T-standardin Kiinassa myytävissä sähköautoissaan. GB/T sallii tällä hetkellä pikalatauksen enintään 237,5 kW:n teholla (950 V ja 250 ampeeria), vaikka monet

Kiinalaiset tasavirtapikalaturit tarjoavat 50 kW:n latauksen. Uusi GB/T julkaistaan ​​vuonna 2019 tai 2020, ja sen kerrotaan päivittävän standardin siten, että se mahdollistaa jopa 900 kW:n latauksen suuremmille hyötyajoneuvoille. GB/T on vain Kiinassa käytössä oleva standardi: harvat ulkomaille viedyt Kiinassa valmistetut sähköautot käyttävät muita standardeja.125

Elokuussa 2018 Kiinan sähköneuvosto (CEC) ilmoitti yhteisymmärryspöytäkirjasta japanilaisen CHAdeMO-verkon kanssa ultranopean latauksen yhteisestä kehittämisestä. Tavoitteena on GB/T:n ja CHAdeMO:n yhteensopivuus pikalatausta varten. Nämä kaksi organisaatiota tekevät yhteistyötä laajentaakseen standardia Kiinan ja Japanin ulkopuolelle.126

ii. Yhdysvallat

Yhdysvalloissa on kolme sähköautojen latausstandardia tasavirta-pikalatausmenetelmälle: CHAdeMO, CCS SAE Combo ja Tesla.

CHAdeMO oli ensimmäinen sähköautojen pikalatausstandardi, joka on vuodelta 2011. Sen kehitti Tokio.

Electric Power Company ja tarkoittaa "Charge to Move" (japaninkielinen sanaleikki).127 CHAdeMOa käytetään tällä hetkellä Yhdysvalloissa Nissan Leafissa ja Mitsubishi Outlander PHEV:ssä, jotka ovat myydyimpiä sähköajoneuvoja. Leafin menestys Yhdysvalloissa saattaa ollaSÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUS KIINASSA JA YHDYSVALLOISSA

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | HELMIKUU 2019 |

osittain Nissanin varhaisen sitoumuksen vuoksi ottaa käyttöön CHAdeMO-pikalatausinfrastruktuuri jälleenmyyjillä ja muissa kaupunkialueilla.128 Tammikuussa 2019 Yhdysvalloissa oli yli 2 900 CHAdeMO-pikalaturausta (sekä yli 7 400 Japanissa ja 7 900 Euroopassa).129

Vuonna 2016 CHAdeMO ilmoitti päivittävänsä standardiaan alkuperäisestä 70:n latausnopeudesta.

kW tarjotakseen 150 kW.130 Kesäkuussa 2018 CHAdeMO ilmoitti 400 kW:n latausominaisuuden käyttöönotosta, jossa käytetään 1 000 V:n, 400 ampeerin nestejäähdytteisiä kaapeleita. Suurempi latausteho on saatavilla suurten hyötyajoneuvojen, kuten kuorma-autojen ja linja-autojen, tarpeisiin.131

Yhdysvalloissa on käytössä toinen latausstandardi, CCS tai SAE Combo. Sen julkaisi vuonna 2011 joukko eurooppalaisia ​​ja yhdysvaltalaisia ​​autonvalmistajia. Sana...yhdistelmäosoittaa, että pistoke sisältää sekä verkkovirtalatauksen (enintään 43 kW) että tasavirtalatauksen.132 tuumaa

Saksassa perustettiin Charging Interface Initiative (CharIN) -koalitio ajamaan CCS:n laajamittaista käyttöönottoa. Toisin kuin CHAdeMO, CCS-pistoke mahdollistaa tasavirta- ja vaihtovirtalatauksen yhdestä portista, mikä vähentää ajoneuvon korissa tarvittavaa tilaa ja aukkoja. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA ja Hyundai tukevat CCS:ää. Myös Tesla on liittynyt koalitioon ja ilmoitti marraskuussa 2018, että sen ajoneuvot Euroopassa varustettaisiin CCS-latausporteilla.133 Chevrolet Bolt ja BMW i3 ovat Yhdysvalloissa suosittuja sähköautoja, jotka käyttävät CCS-latausta. Nykyiset CCS-pikalaturit tarjoavat latausta noin 50 kW:n teholla, mutta Electrify America -ohjelmaan kuuluu 350 kW:n pikalataus, joka voi mahdollistaa lähes täydellisen latauksen jopa 10 minuutissa.

Kolmatta latausstandardia Yhdysvalloissa ylläpitää Tesla, joka lanseerasi oman Supercharger-verkostonsa Yhdysvalloissa syyskuussa 2012.134 Tesla

Supercharger-asemat toimivat tyypillisesti 480 voltin jännitteellä ja tarjoavat latauksen enintään 120 kW:n teholla.

Tammikuussa 2019 Teslan verkkosivustolla listattiin 595 Supercharger-asemaa Yhdysvalloissa, ja 420 lisää asemaa on tulossa "pian".135 Toukokuussa 2018 Tesla vihjasi, että tulevaisuudessa sen Supercharger-asemat saattaisivat saavuttaa jopa 350 kW:n tehon.136

Tätä raporttia varten tekemässämme tutkimuksessa kysyimme yhdysvaltalaisilta haastateltavilta, pitivätkö he yhden kansallisen DC-pikalatausstandardin puuttumista esteenä sähköautojen käyttöönotolle. Harva vastasi myöntävästi. Syitä siihen, miksi useita DC-pikalatausstandardeja ei pidetä ongelmana, ovat muun muassa:

● Suurin osa sähköautojen latauksesta tapahtuu kotona ja työpaikalla tason 1 ja 2 latausasemilla.

● Suuri osa julkisesta ja työpaikkojen latausinfrastruktuurista on tähän mennessä käyttänyt tason 2 latausasemia.

● Saatavilla on adaptereita, joiden avulla sähköautojen omistajat voivat käyttää useimpia tasavirtapikalaturareita, vaikka sähköauto ja laturi käyttäisivät eri latausstandardeja. (Suurin poikkeus, Teslan supercharging-verkosto, on avoin vain Tesla-ajoneuvoille.) Huomionarvoista on, että pikalatausadaptereiden turvallisuuteen liittyy joitakin huolenaiheita.

● Koska pistoke ja liitin muodostavat pienen osan pikalatausaseman hinnasta, tämä ei ole juurikaan tekninen tai taloudellinen haaste asemien omistajille ja sitä voitaisiin verrata eri oktaanilukuisten bensiinien letkuihin huoltoasemalla. Monissa julkisissa latausasemissa on useita pistokkeita yhteen latauspisteeseen kiinnitettynä, jolloin minkä tahansa tyyppiset sähköautot voivat ladata siellä. Itse asiassa monet lainkäyttöalueet vaativat tai kannustavat tätä.SÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUS KIINASSA JA YHDYSVALLOISSA

38 | MAAILMANLAAJUISEN ENERGIAPOLITIIKAN KESKUS | COLUMBIA SIPA

Jotkut autonvalmistajat ovat sanoneet, että eksklusiivinen latausverkosto edustaa kilpailustrategiaa. BMW:n sähköliikkuvuuden johtaja ja CharINin puheenjohtaja Claas Bracklo totesi vuonna 2018: "Olemme perustaneet CharINin rakentaaksemme valta-aseman."137 Monet Teslan omistajat ja sijoittajat pitävät sen omaa supercharger-verkostoa myyntivalttina, vaikka Tesla ilmaisee edelleen olevansa halukas sallimaan muiden automallien käyttää verkostoaan edellyttäen, että ne osallistuvat rahoitukseen käyttöön suhteutettuna.138 Tesla on myös osa CharINia, joka edistää CCS:ää. Marraskuussa 2018 se ilmoitti, että Euroopassa myytävät Model 3 -autot varustettaisiin CCS-porteilla. Teslan omistajat voivat myös ostaa sovittimia CHAdeMO-pikalatureiden käyttämiseen.139

C. Latauksen tiedonsiirtoprotokollat ​​Latauksen tiedonsiirtoprotokollat ​​ovat välttämättömiä latauksen optimoimiseksi käyttäjän tarpeiden (lataustilan, akun jännitteen ja turvallisuuden havaitsemiseksi) ja sähköverkon (mukaan lukien

jakeluverkon kapasiteetti, käyttöajan hinnoittelu ja kysyntäjousto).140 Kiina GB/T ja CHAdeMO käyttävät CAN-nimistä tietoliikenneprotokollaa, kun taas CCS toimii PLC-protokollan kanssa. Avoimet tietoliikenneprotokollat, kuten Open Charging Alliancen kehittämä Open Charge Point Protocol (OCPP), ovat yhä suositumpia Yhdysvalloissa ja Euroopassa.

Tätä raporttia varten tekemässämme tutkimuksessa useat yhdysvaltalaiset haastateltavat mainitsivat siirtymisen avoimiin viestintäprotokolliin ja -ohjelmistoihin poliittisena prioriteettina. Erityisesti joidenkin julkisten lataushankkeiden, jotka saivat rahoitusta American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) -lain nojalla, mainittiin valinneen toimittajia, joilla oli suljetun verkon alustoja, mutta jotka myöhemmin kokivat taloudellisia vaikeuksia, minkä seurauksena laitteet olivat rikkoutuneet ja jouduttiin vaihtamaan.141 Useimmat tätä tutkimusta varten tavoitetut kaupungit, yleishyödylliset laitokset ja latausverkot ilmaisivat tukensa avoimille viestintäprotokollille ja kannustimille, joiden avulla latausverkkojen ylläpitäjät voivat vaihtaa palveluntarjoajaa saumattomasti.142

D. Kustannukset

Kotilatausasemat ovat Kiinassa halvempia kuin Yhdysvalloissa. Kiinassa tyypillinen 7 kW:n seinälle asennettava kotilaturi maksaa verkossa 1 200–1 800 RMB.143 Asennus vaatii lisäkustannuksia. (Useimmat yksityiset sähköauto-ostokset sisältävät laturin ja asennuksen.) Yhdysvalloissa tason 2 kotilaturit maksavat 450–600 dollaria, ja asennuksesta veloitetaan keskimäärin noin 500 dollaria.144 Tasavirtapikalatauslaitteet ovat huomattavasti kalliimpia molemmissa maissa. Kustannukset vaihtelevat suuresti. Eräs tätä raporttia varten haastateltu kiinalainen asiantuntija arvioi, että 50 kW:n tasavirtapikalatauspylvään asentaminen Kiinassa maksaa tyypillisesti 45 000–60 000 RMB, josta itse latauspylväs maksaa noin 25 000–35 000 RMB ja loput kaapelointi, maanalainen infrastruktuuri ja työvoima.145 Yhdysvalloissa tasavirtapikalataus voi maksaa kymmeniä tuhansia dollareita pylvästä kohden. DC-pikalatauslaitteiden asennuskustannuksiin vaikuttavia merkittäviä muuttujia ovat ojituksen kaivu, muuntajien päivitykset, uusien tai päivitettyjen virtapiirien ja sähköpaneelien asennus sekä esteettiset parannukset. Lisäksi on otettava huomioon opasteet, luvat ja esteettömyyden sopivuus.146

E. Langaton lataus

Langattomalla latauksella on useita etuja, kuten estetiikka, ajansäästö ja helppokäyttöisyys.

Sitä oli saatavilla 1990-luvulla EV1:lle (varhainen sähköauto), mutta se on nykyään harvinainen.147 Verkossa tarjottavien langattomien sähköautojen latausjärjestelmien hinta vaihtelee 1 260 dollarista noin 3 000 dollariin.148 Langattomassa sähköautojen latauksessa on tehokkuusrangaistus, sillä nykyisten järjestelmien lataustehokkuus on noin 85 %.149 Nykyiset langattomat lataustuotteet tarjoavat 3–22 kW:n tehonsiirron; useille sähköautomalleille on saatavilla langattomia latureita, jotka lataavat joko 3,6 kW:n tai 7,2 kW:n teholla, mikä vastaa tason 2 latausta.150 Vaikka monet sähköauton käyttäjät pitävät langatonta latausta lisäkustannusten arvoisena,151 jotkut analyytikot ovat ennustaneet, että teknologia leviää pian laajalti, ja useat autonvalmistajat ovat ilmoittaneet tarjoavansa langatonta latausta vaihtoehtona tulevaisuuden sähköautoihin. Langaton lataus voisi olla houkuttelevaa tietyille ajoneuvoille, joilla on määrätyt reitit, kuten julkisilla busseilla, ja sitä on ehdotettu myös tulevaisuuden sähkökäyttöisille moottoriteiden kaistoille, vaikka korkeat kustannukset, alhainen lataustehokkuus ja hitaat latausnopeudet olisivat haittoja.152

F. Paristonvaihto

Akunvaihtoteknologian avulla sähköajoneuvot voisivat vaihtaa tyhjentyneet akkunsa täyteen ladattuihin akkuihin. Tämä lyhentäisi merkittävästi sähköauton lataamiseen tarvittavaa aikaa, mistä olisi merkittäviä potentiaalisia etuja kuljettajille.

Useat kiinalaiset kaupungit ja yritykset kokeilevat parhaillaan akkujen vaihtoa keskittyen paljon käytettyihin sähköajoneuvoihin, kuten takseihin. Hangzhoun kaupunki on ottanut käyttöön akkujen vaihdon takseissaan, joissa käytetään paikallisesti valmistettuja Zotye-sähköajoneuvoja.155 Peking on rakentanut useita akkujen vaihtoasemia paikallisen autonvalmistajan BAICin tukemana. Vuoden 2017 lopulla BAIC ilmoitti suunnitelmastaan ​​rakentaa 3 000 akkujen vaihtoasemaa maanlaajuisesti vuoteen 2021 mennessä.156 Kiinalainen sähköajoneuvo-startup-yritys NIO aikoo ottaa käyttöön akkujen vaihtoteknologian joissakin ajoneuvoissaan ja ilmoitti rakentavansa 1 100 akkujen vaihtoasemaa Kiinaan.157 Useat Kiinan kaupungit – mukaan lukien Hangzhou ja Qingdao – ovat myös käyttäneet akkujen vaihtoa linja-autoissa.158

Yhdysvalloissa keskustelu akkujen vaihdosta hiipui israelilaisen akkujenvaihtoon erikoistuneen startup-yrityksen Project Better Placen mentyä konkurssiin vuonna 2013. Yritys oli suunnitellut henkilöautojen akkujenvaihtoasemien verkostoa.153 Vuonna 2015 Tesla hylkäsi vaihtoasemasuunnitelmansa rakennettuaan vain yhden demonstraatiolaitoksen syyttäen kuluttajien kiinnostuksen puutetta. Yhdysvalloissa on tällä hetkellä käynnissä vain vähän, jos lainkaan, akkujenvaihtoon liittyviä kokeiluja.154 Akkujen kustannusten lasku ja ehkä vähäisemmässä määrin tasavirtapikalatausinfrastruktuurin käyttöönotto ovat todennäköisesti vähentäneet akkujenvaihdon houkuttelevuutta Yhdysvalloissa.

Vaikka akun vaihtaminen tarjoaa useita etuja, sillä on myös huomattavia haittoja. Sähköauton akku on painava ja sijaitsee tyypillisesti ajoneuvon pohjalla muodostaen kiinteän rakenneosan, jonka suunnittelutoleranssit ovat minimaaliset linjaukselle ja sähköliitännöille. Nykypäivän akut vaativat yleensä jäähdytystä, ja jäähdytysjärjestelmien kytkeminen ja irrottaminen on vaikeaa.159 Kokonsa ja painonsa vuoksi akkujärjestelmien on sovittava täydellisesti, jotta ne eivät kolinaa, vähentävät kulumista ja pitävät ajoneuvon keskellä. Nykypäivän sähköautoissa yleinen rullalautamaisen akun arkkitehtuuri parantaa turvallisuutta laskemalla ajoneuvon painopistettä ja parantamalla törmäyssuojaa edessä ja takana. Tavaratilassa tai muualla sijaitsevilla irrotettavilla akuilla ei olisi tätä etua. Koska useimmat ajoneuvojen omistajat lataavat autojaan pääasiassa kotona tai...SÄHKÖAJONEUVOJEN LATAUS KIINASSA JA YHDYSVALLOISSATyöpaikalla akkujen vaihto ei välttämättä ratkaisisi latausinfrastruktuuriongelmia – se auttaisi vain julkisen latauksen ja toimintasäteen ratkaisemisessa. Ja koska useimmat autonvalmistajat eivät ole halukkaita standardoimaan akkupaketteja tai malleja – autot suunnitellaan niiden akkujen ja moottoreiden ympärille, mikä tekee tästä keskeisen omistusoikeuden arvon160 – akkujen vaihto saattaa vaatia erillisen vaihtoasemaverkoston kullekin autoyritykselle tai erilliset vaihtolaitteet eri ajoneuvomalleille ja -kokoisille ajoneuvoille. Vaikka liikkuvia akkujenvaihtoautoja on ehdotettu,161 tätä liiketoimintamallia ei ole vielä toteutettu.