Tecnologies de carregador de vehicles elèctrics

Les tecnologies de càrrega de vehicles elèctrics a la Xina i als Estats Units són força similars. En ambdós països, els cables i els endolls són la tecnologia dominant per carregar vehicles elèctrics. (La càrrega sense fil i el canvi de bateries tenen com a molt una presència menor.) Hi ha diferències entre els dos països pel que fa als nivells de càrrega, els estàndards de càrrega i els protocols de comunicació. Aquestes similituds i diferències es discuteixen a continuació.

A. Nivells de càrrega

Als Estats Units, una gran part de la càrrega de vehicles elèctrics es realitza a 120 volts mitjançant endolls de paret domèstics sense modificar. Això es coneix generalment com a càrrega de Nivell 1 o "de degoteig". Amb la càrrega de Nivell 1, una bateria típica de 30 kWh triga aproximadament 12 hores a passar del 20% a una càrrega gairebé completa. (No hi ha endolls de 120 volts a la Xina.)

Tant a la Xina com als Estats Units, una gran part de la càrrega de vehicles elèctrics es fa a 220 volts (Xina) o 240 volts (Estats Units). Als Estats Units, això es coneix com a càrrega de nivell 2.

Aquesta càrrega es pot dur a terme amb endolls sense modificar o equips de càrrega especialitzats per a vehicles elèctrics i normalment utilitza uns 6-7 kW de potència. Quan es carrega a 220-240 volts, una bateria típica de 30 kWh triga aproximadament 6 hores a passar del 20% a una càrrega gairebé completa.

Finalment, tant la Xina com els Estats Units tenen xarxes creixents de carregadors ràpids de corrent continu, que solen utilitzar 24 kW, 50 kW, 100 kW o 120 kW de potència. Algunes estacions poden oferir 350 kW o fins i tot 400 kW de potència. Aquests carregadors ràpids de corrent continu poden carregar la bateria d'un vehicle des d'un 20% fins a una càrrega gairebé completa en temps que van des d'aproximadament una hora fins a tan sols 10 minuts.

Taula 6:Nivells de càrrega més comuns als EUA

Font: Departament d'Energia dels EUA

B. Estàndards de càrrega

i. Xina

La Xina té un estàndard nacional de càrrega ràpida per a vehicles elèctrics. Els EUA en tenen tres.

L'estàndard xinès es coneix com a Xina GB/T. (Les inicialsGBrepresenta l'estàndard nacional.)

L'estàndard GB/T de la Xina es va llançar el 2015 després de diversos anys de desenvolupament.124 Ara és obligatori per a tots els vehicles elèctrics nous venuts a la Xina. Els fabricants d'automòbils internacionals, com ara Tesla, Nissan i BMW, han adoptat l'estàndard GB/T per als seus vehicles elèctrics venuts a la Xina. Actualment, GB/T permet la càrrega ràpida a un màxim de 237,5 kW de potència (a 950 V i 250 amperes), tot i que molts

Els carregadors ràpids de CC xinesos ofereixen una càrrega de 50 kW. El 2019 o el 2020 es llançarà un nou GB/T, que sembla que actualitzarà l'estàndard per incloure la càrrega de fins a 900 kW per a vehicles comercials més grans. GB/T és un estàndard només per a la Xina: els pocs vehicles elèctrics fabricats a la Xina que s'exporten a l'estranger utilitzen altres estàndards.125

L'agost de 2018, el Consell d'Electricitat de la Xina (CEC) va anunciar un memoràndum d'entesa amb la xarxa CHAdeMO, amb seu al Japó, per desenvolupar conjuntament la càrrega ultraràpida. L'objectiu és la compatibilitat entre GB/T i CHAdeMO per a la càrrega ràpida. Les dues organitzacions s'associaran per ampliar l'estàndard a països més enllà de la Xina i el Japó.126

ii. Estats Units

Als Estats Units, hi ha tres estàndards de càrrega ràpida de corrent continu per a vehicles elèctrics: CHAdeMO, CCS SAE Combo i Tesla.

CHAdeMO va ser el primer estàndard de càrrega ràpida per a vehicles elèctrics, que data del 2011. Va ser desenvolupat per Tòquio.

Electric Power Company i significa "Carregar per moure's" (un joc de paraules en japonès).127 CHAdeMO s'utilitza actualment als Estats Units al Nissan Leaf i al Mitsubishi Outlander PHEV, que es troben entre els vehicles elèctrics més venuts. L'èxit del Leaf als Estats Units pot ser degut aCÀRREGA DE VEHICLES ELÈCTRICS A LA XINA I ELS ESTATS UNITS

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | FEBRER 2019 |

en part a causa del compromís inicial de Nissan de desplegar la infraestructura de càrrega ràpida CHAdeMO als concessionaris i altres llocs urbans.128 A gener de 2019, hi havia més de 2.900 carregadors ràpids CHAdeMO als Estats Units (així com més de 7.400 al Japó i 7.900 a Europa).129

El 2016, CHAdeMO va anunciar que actualitzaria el seu estàndard des de la seva tarifa de càrrega inicial de 70

kW per oferir 150 kW.130 El juny de 2018, CHAdeMO va anunciar la introducció d'una capacitat de càrrega de 400 kW, utilitzant cables refrigerats per líquid de 1.000 V i 400 amperes. La càrrega més alta estarà disponible per satisfer les necessitats dels vehicles comercials grans, com ara camions i autobusos.131

Un segon estàndard de càrrega als Estats Units es coneix com a CCS o SAE Combo. Va ser llançat el 2011 per un grup de fabricants d'automòbils europeus i nord-americans. La paraulacombinacióindica que l'endoll conté tant càrrega de CA (fins a 43 kW) com càrrega de CC. 132 polzades

A Alemanya, es va formar la coalició Charging Interface Initiative (CharIN) per defensar l'adopció generalitzada del CCS. A diferència de CHAdeMO, un endoll CCS permet la càrrega de CC i CA amb un sol port, reduint l'espai i les obertures necessàries a la carrosseria del vehicle. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA i Hyundai donen suport al CCS. Tesla també s'ha unit a la coalició i el novembre de 2018 va anunciar que els seus vehicles a Europa vindrien equipats amb ports de càrrega CCS.133 El Chevrolet Bolt i el BMW i3 es troben entre els vehicles elèctrics populars als Estats Units que utilitzen la càrrega CCS. Mentre que els carregadors ràpids CCS actuals ofereixen una càrrega d'uns 50 kW, el programa Electrify America inclou una càrrega ràpida de 350 kW, que podria permetre una càrrega gairebé completa en tan sols 10 minuts.

El tercer estàndard de càrrega als Estats Units és operat per Tesla, que va llançar la seva pròpia xarxa de Superchargers als Estats Units el setembre de 2012.134 Tesla

Els supercarregadors solen funcionar a 480 volts i ofereixen càrrega a un màxim de 120 kW. Com a

El gener de 2019, el lloc web de Tesla enumerava 595 ubicacions de Supercharger als Estats Units, amb 420 ubicacions addicionals "properament".135 El maig de 2018, Tesla va suggerir que en el futur els seus Superchargers podrien assolir nivells de potència de fins a 350 kW.136

En la nostra recerca per a aquest informe, vam preguntar als entrevistats dels EUA si consideraven que la manca d'un únic estàndard nacional per a la càrrega ràpida de CC era un obstacle per a l'adopció de vehicles elèctrics. Pocs van respondre afirmativament. Els motius pels quals no es considera que hi hagi múltiples estàndards de càrrega ràpida de CC com un problema inclouen:

● La majoria de les càrregues de vehicles elèctrics es fan a casa i a la feina, amb carregadors de nivell 1 i 2.

● Gran part de la infraestructura de càrrega pública i laboral fins ara ha utilitzat carregadors de nivell 2.

● Hi ha adaptadors disponibles que permeten als propietaris de vehicles elèctrics utilitzar la majoria de carregadors ràpids de corrent continu, fins i tot si el vehicle elèctric i el carregador utilitzen estàndards de càrrega diferents. (La principal excepció, la xarxa de sobrecàrrega de Tesla, només està oberta als vehicles Tesla.) Cal destacar que hi ha algunes preocupacions sobre la seguretat dels adaptadors de càrrega ràpida.

● Com que l'endoll i el connector representen un petit percentatge del cost d'una estació de càrrega ràpida, això presenta poc repte tècnic o financer per als propietaris de les estacions i es podria comparar amb les mànegues per a gasolines de diferents octans en una estació de servei. Moltes estacions de càrrega públiques tenen diversos endolls connectats a un únic punt de càrrega, cosa que permet que qualsevol tipus de vehicle elèctric s'hi carregui. De fet, moltes jurisdiccions ho exigeixen o ho incentiven.CÀRREGA DE VEHICLES ELÈCTRICS A LA XINA I ELS ESTATS UNITS

38 | CENTRE DE POLÍTICA ENERGÈTICA GLOBAL | COLUMBIA SIPA

Alguns fabricants d'automòbils han dit que una xarxa de càrrega exclusiva representa una estratègia competitiva. Claas Bracklo, cap d'electromobilitat a BMW i president de CharIN, va declarar el 2018: "Hem fundat CharIN per construir una posició de poder".137 Molts propietaris i inversors de Tesla consideren la seva xarxa de supercarregadors propietària un punt de venda, tot i que Tesla continua expressant la seva voluntat de permetre que altres models de cotxes utilitzin la seva xarxa sempre que contribueixin amb un finançament proporcional a l'ús.138 Tesla també forma part de CharIN que promou el CCS. El novembre de 2018, va anunciar que els cotxes Model 3 venuts a Europa vindrien equipats amb ports CCS. Els propietaris de Tesla també poden comprar adaptadors per accedir als carregadors ràpids CHAdeMO.139

C. Protocols de comunicació de càrrega Els protocols de comunicació de càrrega són necessaris per optimitzar la càrrega per a les necessitats de l'usuari (per detectar l'estat de càrrega, el voltatge de la bateria i la seguretat) i per a la xarxa (inclosa

capacitat de la xarxa de distribució, preus en funció del temps d'ús i mesures de resposta a la demanda).140 Xina GB/T i CHAdeMO utilitzen un protocol de comunicació conegut com a CAN, mentre que CCS funciona amb el protocol PLC. Els protocols de comunicació oberts, com ara l'Open Charge Point Protocol (OCPP) desenvolupat per l'Open Charging Alliance, són cada cop més populars als Estats Units i Europa.

En la nostra recerca per a aquest informe, diversos entrevistats dels EUA van citar el canvi cap a protocols de comunicacions oberts i programari com una prioritat política. En particular, alguns projectes de càrrega pública que van rebre finançament en virtut de la Llei de Recuperació i Reinversió Americana (ARRA) van ser citats per haver triat proveïdors amb plataformes propietàries que posteriorment van experimentar dificultats financeres, deixant equips trencats que van requerir ser substituïts.141 La majoria de ciutats, serveis públics i xarxes de càrrega contactades per a aquest estudi van expressar el seu suport als protocols de comunicacions oberts i als incentius per permetre que els amfitrions de les xarxes de càrrega canviïn de proveïdor sense problemes.142

D. Costos

Els carregadors domèstics són més barats a la Xina que als Estats Units. A la Xina, un carregador domèstic típic de 7 kW muntat a la paret es ven en línia per entre 1.200 i 1.800 RMB.143 La instal·lació requereix un cost addicional. (La majoria de les compres de vehicles elèctrics privats inclouen el carregador i la instal·lació.) Als Estats Units, els carregadors domèstics de nivell 2 costen entre 450 i 600 dòlars, més una mitjana d'uns 500 dòlars per a la instal·lació.144 Els equips de càrrega ràpida de CC són significativament més cars en ambdós països. Els costos varien molt. Un expert xinès entrevistat per a aquest informe va estimar que la instal·lació d'un punt de càrrega ràpida de CC de 50 kW a la Xina sol costar entre 45.000 i 60.000 RMB, amb el punt de càrrega en si representant aproximadament entre 25.000 i 35.000 RMB i el cablejat, la infraestructura subterrània i la mà d'obra representant la resta.145 Als Estats Units, la càrrega ràpida de CC pot costar desenes de milers de dòlars per punt. Les principals variables que afecten el cost d'instal·lar equips de càrrega ràpida de corrent continu inclouen la necessitat d'excavar rases, actualitzacions de transformadors, circuits i panells elèctrics nous o actualitzats i millores estètiques. La senyalització, els permisos i l'accés per a persones amb discapacitat són consideracions addicionals.146

E. Càrrega sense fil

La càrrega sense fil ofereix diversos avantatges, com ara l'estètica, l'estalvi de temps i la facilitat d'ús.

Estava disponible a la dècada del 1990 per a l'EV1 (un dels primers cotxes elèctrics), però avui dia és rar.147 Els sistemes de càrrega sense fil per a vehicles elèctrics que s'ofereixen en línia tenen un cost que va des dels 1.260 $ fins als 3.000 $.148 La càrrega sense fil per a vehicles elèctrics comporta una penalització per eficiència, ja que els sistemes actuals ofereixen una eficiència de càrrega al voltant del 85 %.149 Els productes de càrrega sense fil actuals ofereixen una transferència de potència de 3 a 22 kW; els carregadors sense fil disponibles per a diversos models de vehicles elèctrics es carreguen des de Plugless a 3,6 kW o 7,2 kW, equivalent a la càrrega de nivell 2.150 Tot i que molts usuaris de vehicles elèctrics consideren que la càrrega sense fil no val la pena el cost addicional,151 alguns analistes han previst que la tecnologia aviat s'estengui, i diversos fabricants d'automòbils han anunciat que oferirien càrrega sense fil com a opció en els futurs vehicles elèctrics. La càrrega sense fil podria ser atractiva per a certs vehicles amb rutes definides, com ara els autobusos públics, i també s'ha proposat per a futures carreteres elèctriques, tot i que l'alt cost, la baixa eficiència de càrrega i les velocitats de càrrega lentes serien inconvenients.152

F. Canvi de bateria

Amb la tecnologia d'intercanvi de bateries, els vehicles elèctrics podrien intercanviar les seves bateries esgotades per altres que estiguin completament carregades. Això escurçaria dràsticament el temps necessari per recarregar un vehicle elèctric, amb importants beneficis potencials per als conductors.

Diverses ciutats i empreses xineses estan experimentant actualment amb l'intercanvi de bateries, centrant-se en flotes de vehicles elèctrics d'alta utilització, com ara els taxis. La ciutat de Hangzhou ha implementat l'intercanvi de bateries per a la seva flota de taxis, que utilitza vehicles elèctrics Zotye fabricats localment.155 Pequín ha construït diverses estacions d'intercanvi de bateries en un esforç recolzat pel fabricant d'automòbils local BAIC. A finals del 2017, BAIC va anunciar un pla per construir 3.000 estacions d'intercanvi a tot el país per al 2021.156 L'empresa xinesa de vehicles elèctrics NIO té previst adoptar la tecnologia d'intercanvi de bateries per a alguns dels seus vehicles i va anunciar que construiria 1.100 estacions d'intercanvi a la Xina.157 Diverses ciutats de la Xina, com ara Hangzhou i Qingdao, també han utilitzat l'intercanvi de bateries per als autobusos.158

Als Estats Units, el debat sobre l'intercanvi de bateries es va esvair després de la fallida el 2013 de l'empresa israeliana d'intercanvi de bateries Project Better Place, que havia planejat una xarxa d'estacions d'intercanvi per a turismes.153 El 2015, Tesla va abandonar els seus plans d'estacions d'intercanvi després de construir només una instal·lació de demostració, atribuint-la a la manca d'interès dels consumidors. Actualment, hi ha pocs o cap experiment en curs respecte a l'intercanvi de bateries als Estats Units.154 La disminució dels costos de les bateries, i potser en menor mesura el desplegament d'infraestructures de càrrega ràpida de corrent continu, probablement han reduït l'atractiu de l'intercanvi de bateries als Estats Units.

Tot i que l'intercanvi de bateries ofereix diversos avantatges, també té inconvenients notables. Una bateria de vehicle elèctric és pesada i normalment es troba a la part inferior del vehicle, formant un component estructural integral amb toleràncies d'enginyeria mínimes per a l'alineació i les connexions elèctriques. Les bateries actuals solen requerir refrigeració, i connectar i desconnectar els sistemes de refrigeració és difícil.159 Donada la seva mida i pes, els sistemes de bateries han d'encaixar perfectament per evitar vibracions, reduir el desgast i mantenir el vehicle centrat. L'arquitectura de bateries de monopatí, comuna als vehicles elèctrics actuals, millora la seguretat rebaixant el centre de pes del vehicle i millorant la protecció contra xocs a la part davantera i posterior. Les bateries extraïbles situades al maleter o en un altre lloc no tindrien aquest avantatge. Com que la majoria dels propietaris de vehicles carreguen principalment a casa oCÀRREGA DE VEHICLES ELÈCTRICS A LA XINA I ELS ESTATS UNITSa la feina, l'intercanvi de bateries no resoldria necessàriament els problemes d'infraestructura de càrrega, sinó que només ajudaria a abordar la càrrega pública i l'autonomia. I com que la majoria dels fabricants d'automòbils no estan disposats a estandarditzar els paquets o dissenys de bateries (els cotxes es dissenyen al voltant de les seves bateries i motors, cosa que converteix això en un valor propietari clau160), l'intercanvi de bateries podria requerir una xarxa d'estacions d'intercanvi separada per a cada empresa automobilística o equips d'intercanvi separats per a diferents models i mides de vehicles. Tot i que s'han proposat camions mòbils d'intercanvi de bateries,161 aquest model de negoci encara no s'ha implementat.