Tecnologie per caricabatterie per veicoli elettrici

Le tecnologie di ricarica dei veicoli elettrici in Cina e negli Stati Uniti sono sostanzialmente simili. In entrambi i Paesi, cavi e spine sono la tecnologia di ricarica prevalentemente dominante per i veicoli elettrici. (La ricarica wireless e la sostituzione delle batterie hanno al massimo una presenza minore). Esistono differenze tra i due Paesi per quanto riguarda i livelli di ricarica, gli standard di ricarica e i protocolli di comunicazione. Queste somiglianze e differenze sono discusse di seguito.

A. Livelli di carica

Negli Stati Uniti, la maggior parte delle ricariche per veicoli elettrici avviene a 120 volt, utilizzando prese domestiche non modificate. Questa modalità è generalmente nota come ricarica di Livello 1 o "a mantenimento". Con la ricarica di Livello 1, una batteria da 30 kWh impiega circa 12 ore per passare dal 20% a una carica quasi completa. (In Cina non sono disponibili prese da 120 volt.)

Sia in Cina che negli Stati Uniti, la ricarica dei veicoli elettrici avviene in gran parte a 220 volt (Cina) o 240 volt (Stati Uniti). Negli Stati Uniti, questa tecnologia è nota come ricarica di Livello 2.

Tale ricarica può avvenire con prese non modificate o con apparecchiature di ricarica specializzate per veicoli elettrici e in genere consuma circa 6-7 kW di potenza. Con una ricarica a 220-240 volt, una batteria da 30 kWh impiega circa 6 ore per passare dal 20% a una carica quasi completa.

Infine, sia la Cina che gli Stati Uniti dispongono di reti di ricarica rapida a corrente continua in crescita, che utilizzano comunemente 24 kW, 50 kW, 100 kW o 120 kW di potenza. Alcune stazioni possono offrire 350 kW o persino 400 kW di potenza. Questi caricabatterie rapidi a corrente continua possono caricare la batteria di un veicolo dal 20% a quasi completamente in tempi che vanno da circa un'ora a soli 10 minuti.

Tabella 6:Livelli di ricarica più comuni negli Stati Uniti

Fonte: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

B. Standard di tariffazione

i. Cina

La Cina ha un unico standard nazionale per la ricarica rapida dei veicoli elettrici. Gli Stati Uniti ne hanno tre.

Lo standard cinese è noto come China GB/T. (Le inizialiGB(Sta per standard nazionale.)

Il China GB/T è stato rilasciato nel 2015 dopo diversi anni di sviluppo.124 Ora è obbligatorio per tutti i nuovi veicoli elettrici venduti in Cina. Le case automobilistiche internazionali, tra cui Tesla, Nissan e BMW, hanno adottato lo standard GB/T per i loro veicoli elettrici venduti in Cina. Il GB/T attualmente consente la ricarica rapida a un massimo di 237,5 kW di potenza (a 950 V e 250 ampere), sebbene molti

I caricabatterie rapidi CC cinesi offrono una ricarica da 50 kW. Un nuovo GB/T uscirà nel 2019 o nel 2020, che a quanto pare aggiornerà lo standard per includere la ricarica fino a 900 kW per i veicoli commerciali più grandi. Il GB/T è uno standard esclusivo per la Cina: i pochi veicoli elettrici cinesi esportati all'estero utilizzano altri standard.125

Nell'agosto 2018, il China Electricity Council (CEC) ha annunciato un memorandum d'intesa con la rete CHAdeMO, con sede in Giappone, per sviluppare congiuntamente la ricarica ultraveloce. L'obiettivo è la compatibilità tra GB/T e CHAdeMO per la ricarica rapida. Le due organizzazioni collaboreranno per estendere lo standard a paesi diversi da Cina e Giappone.126

ii. Stati Uniti

Negli Stati Uniti esistono tre standard di ricarica rapida CC per veicoli elettrici: CHAdeMO, CCS SAE Combo e Tesla.

CHAdeMO è stato il primo standard di ricarica rapida per veicoli elettrici, risalente al 2011. È stato sviluppato da Tokyo

Electric Power Company e sta per "Charge to Move" (un gioco di parole in giapponese).127 CHAdeMO è attualmente utilizzato negli Stati Uniti nella Nissan Leaf e nella Mitsubishi Outlander PHEV, che sono tra i veicoli elettrici più venduti. Il successo della Leaf negli Stati Uniti potrebbe essereRICARICA DEI VEICOLI ELETTRICI IN CINA E NEGLI STATI UNITI

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in parte grazie all'impegno tempestivo di Nissan a implementare l'infrastruttura di ricarica rapida CHAdeMO presso le concessionarie e altre sedi urbane.128 A gennaio 2019, negli Stati Uniti erano presenti oltre 2.900 stazioni di ricarica rapida CHAdeMO (oltre a più di 7.400 in Giappone e 7.900 in Europa).129

Nel 2016, CHAdeMO ha annunciato che avrebbe aggiornato il suo standard dalla tariffa di ricarica iniziale del 70

kW per offrire 150 kW.130 A giugno 2018 CHAdeMO ha annunciato l'introduzione di una capacità di ricarica di 400 kW, utilizzando cavi raffreddati a liquido da 1.000 V e 400 A. La ricarica più elevata sarà disponibile per soddisfare le esigenze di grandi veicoli commerciali come camion e autobus.131

Un secondo standard di ricarica negli Stati Uniti è noto come CCS o SAE Combo. È stato rilasciato nel 2011 da un gruppo di case automobilistiche europee e statunitensi. Il terminecombinazioneindica che la spina contiene sia la ricarica CA (fino a 43 kW) che la ricarica CC.132 In

In Germania, la coalizione Charging Interface Initiative (CharIN) è stata creata per promuovere l'adozione diffusa della tecnologia CCS. A differenza di CHAdeMO, una presa CCS consente la ricarica in corrente continua e alternata con un'unica porta, riducendo lo spazio e le aperture necessarie sulla carrozzeria del veicolo. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA e Hyundai supportano il CCS. Anche Tesla ha aderito alla coalizione e nel novembre 2018 ha annunciato che i suoi veicoli in Europa sarebbero stati dotati di porte di ricarica CCS.133 La Chevrolet Bolt e la BMW i3 sono tra i veicoli elettrici più popolari negli Stati Uniti che utilizzano la ricarica CCS. Mentre gli attuali caricabatterie rapidi CCS offrono una ricarica a circa 50 kW, il programma Electrify America include una ricarica rapida da 350 kW, che potrebbe consentire una ricarica quasi completa in soli 10 minuti.

Il terzo standard di ricarica negli Stati Uniti è gestito da Tesla, che ha lanciato la propria rete proprietaria Supercharger negli Stati Uniti nel settembre 2012.134 Tesla

I Supercharger funzionano in genere a 480 volt e offrono una ricarica fino a un massimo di 120 kW.

A gennaio 2019, il sito web Tesla elencava 595 sedi di Supercharger negli Stati Uniti, con altre 420 sedi “in arrivo”.135 A maggio 2018, Tesla ha suggerito che in futuro i suoi Supercharger potrebbero raggiungere livelli di potenza fino a 350 kW.136

Nella nostra ricerca per questo rapporto, abbiamo chiesto agli intervistati statunitensi se considerassero la mancanza di un unico standard nazionale per la ricarica rapida in corrente continua un ostacolo all'adozione dei veicoli elettrici. Pochi hanno risposto affermativamente. I motivi per cui la presenza di più standard di ricarica rapida in corrente continua non è considerata un problema includono:

● La maggior parte delle ricariche dei veicoli elettrici avviene a casa e al lavoro, con caricabatterie di livello 1 e 2.

● Gran parte delle infrastrutture di ricarica pubbliche e sul posto di lavoro fino ad oggi hanno utilizzato caricabatterie di livello 2.

● Sono disponibili adattatori che consentono ai proprietari di veicoli elettrici di utilizzare la maggior parte dei caricabatterie rapidi CC, anche se il veicolo elettrico e il caricabatterie utilizzano standard di ricarica diversi. (L'eccezione principale, la rete di supercarica Tesla, è aperta solo ai veicoli Tesla.) In particolare, ci sono alcune preoccupazioni sulla sicurezza degli adattatori di ricarica rapida.

● Poiché la spina e il connettore rappresentano una piccola percentuale del costo di una stazione di ricarica rapida, questo non rappresenta una sfida tecnica o finanziaria per i proprietari delle stazioni e potrebbe essere paragonato ai tubi per i diversi ottani della benzina in una stazione di rifornimento. Molte stazioni di ricarica pubbliche dispongono di più spine collegate a un'unica colonnina di ricarica, consentendo a qualsiasi tipo di veicolo elettrico di ricaricarvi. In effetti, molte giurisdizioni lo richiedono o lo incentivano.RICARICA DEI VEICOLI ELETTRICI IN CINA E NEGLI STATI UNITI

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Alcune case automobilistiche hanno affermato che una rete di ricarica esclusiva rappresenta una strategia competitiva. Claas Bracklo, responsabile dell'elettromobilità presso BMW e presidente di CharIN, ha dichiarato nel 2018: "Abbiamo fondato CharIN per costruire una posizione di potere". 137 Molti proprietari e investitori Tesla considerano la sua rete di supercharger proprietaria un punto di forza, sebbene Tesla continui a esprimere la volontà di consentire ad altri modelli di auto di utilizzare la sua rete a condizione che contribuiscano con un finanziamento proporzionale all'utilizzo. 138 Tesla fa anche parte di CharIN che promuove il CCS. Nel novembre 2018, ha annunciato che le Model 3 vendute in Europa sarebbero state dotate di porte CCS. I proprietari di Tesla possono anche acquistare adattatori per accedere ai caricabatterie rapidi CHAdeMO. 139

C. Protocolli di comunicazione di ricarica I protocolli di comunicazione di ricarica sono necessari per ottimizzare la ricarica in base alle esigenze dell'utente (per rilevare lo stato di carica, la tensione della batteria e la sicurezza) e per la rete (inclusi

capacità della rete di distribuzione, tariffazione oraria e misure di risposta alla domanda).140 China GB/T e CHAdeMO utilizzano un protocollo di comunicazione noto come CAN, mentre CCS utilizza il protocollo PLC. I protocolli di comunicazione aperti, come l'Open Charge Point Protocol (OCPP) sviluppato dall'Open Charging Alliance, stanno diventando sempre più popolari negli Stati Uniti e in Europa.

Nella nostra ricerca per questo rapporto, diversi intervistati statunitensi hanno citato il passaggio a protocolli di comunicazione e software aperti come priorità politica. In particolare, alcuni progetti di ricarica pubblica finanziati nell'ambito dell'American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) sono stati citati per aver scelto fornitori con piattaforme proprietarie che hanno successivamente incontrato difficoltà finanziarie, lasciando apparecchiature rotte che hanno richiesto la sostituzione.141 ​​La maggior parte delle città, delle utility e delle reti di ricarica contattate per questo studio ha espresso sostegno a protocolli di comunicazione aperti e incentivi per consentire agli host delle reti di ricarica di cambiare fornitore senza problemi.142

D. Costi

I caricabatterie domestici sono più economici in Cina che negli Stati Uniti. In Cina, un tipico caricabatterie domestico da parete da 7 kW viene venduto online a un prezzo compreso tra 1.200 e 1.800 RMB.143 L'installazione richiede costi aggiuntivi. (La maggior parte degli acquisti privati ​​di veicoli elettrici include caricabatterie e installazione). Negli Stati Uniti, i caricabatterie domestici di Livello 2 costano tra i 450 e i 600 dollari, più una media di circa 500 dollari per l'installazione.144 Le apparecchiature di ricarica rapida CC sono significativamente più costose in entrambi i paesi. I costi variano notevolmente. Un esperto cinese intervistato per questo rapporto ha stimato che l'installazione di una colonnina di ricarica rapida CC da 50 kW in Cina costa in genere tra i 45.000 e i 60.000 RMB, con la colonnina di ricarica stessa che rappresenta circa 25.000-35.000 RMB e il cablaggio, l'infrastruttura sotterranea e la manodopera che rappresentano la parte restante.145 Negli Stati Uniti, la ricarica rapida CC può costare decine di migliaia di dollari a colonnina. Le principali variabili che incidono sul costo di installazione delle apparecchiature di ricarica rapida in corrente continua includono la necessità di scavi, aggiornamenti dei trasformatori, circuiti e quadri elettrici nuovi o aggiornati e migliorie estetiche. Ulteriori considerazioni riguardano la segnaletica, i permessi e l'accesso per disabili.146

E. Ricarica wireless

La ricarica wireless offre numerosi vantaggi, tra cui l'estetica, il risparmio di tempo e la facilità d'uso.

Era disponibile negli anni '90 per l'EV1 (una delle prime auto elettriche), ma oggi è raro.147 I sistemi di ricarica wireless per veicoli elettrici offerti online hanno un costo compreso tra 1.260 e circa 3.000 dollari.148 La ricarica wireless per veicoli elettrici comporta una riduzione dell'efficienza, con i sistemi attuali che offrono un'efficienza di ricarica di circa l'85%.149 Gli attuali prodotti di ricarica wireless offrono un trasferimento di potenza di 3-22 kW; i caricabatterie wireless disponibili per diversi modelli di veicoli elettrici, dalla ricarica Plugless a 3,6 kW o 7,2 kW, equivalenti alla ricarica di Livello 2.150 Mentre molti utenti di veicoli elettrici ritengono che la ricarica wireless non valga il costo aggiuntivo,151 alcuni analisti hanno previsto che la tecnologia sarà presto diffusa e diverse case automobilistiche hanno annunciato che offriranno la ricarica wireless come opzione sui futuri veicoli elettrici. La ricarica wireless potrebbe essere interessante per alcuni veicoli con percorsi definiti, come gli autobus pubblici, ed è stata proposta anche per le future corsie delle autostrade elettriche, sebbene costi elevati, bassa efficienza di ricarica e velocità di ricarica lente rappresentino degli svantaggi.152

F. Sostituzione della batteria

Grazie alla tecnologia di sostituzione delle batterie, i veicoli elettrici potrebbero sostituire le batterie scariche con altre completamente cariche. Ciò ridurrebbe drasticamente il tempo necessario per ricaricare un veicolo elettrico, con potenziali vantaggi significativi per gli automobilisti.

Diverse città e aziende cinesi stanno attualmente sperimentando la sostituzione delle batterie, concentrandosi sui veicoli elettrici ad alto utilizzo, come i taxi. La città di Hangzhou ha implementato la sostituzione delle batterie per la sua flotta di taxi, che utilizza veicoli elettrici Zotye di produzione locale.155 Pechino ha costruito diverse stazioni di sostituzione delle batterie in un'iniziativa supportata dalla casa automobilistica locale BAIC. Alla fine del 2017, BAIC ha annunciato un piano per costruire 3.000 stazioni di sostituzione in tutto il paese entro il 2021.156 La startup cinese di veicoli elettrici NIO prevede di adottare la tecnologia di sostituzione delle batterie per alcuni dei suoi veicoli e ha annunciato che avrebbe costruito 1.100 stazioni di sostituzione in Cina.157 Diverse città cinesi, tra cui Hangzhou e Qingdao, hanno utilizzato anche la sostituzione delle batterie per gli autobus.158

Negli Stati Uniti, il dibattito sulla sostituzione delle batterie si è attenuato in seguito al fallimento nel 2013 della startup israeliana Project Better Place, specializzata in sostituzione delle batterie, che aveva progettato una rete di stazioni di sostituzione per autovetture.153 Nel 2015, Tesla ha abbandonato i suoi progetti di stazioni di sostituzione dopo aver costruito una sola struttura dimostrativa, attribuendo la causa alla mancanza di interesse da parte dei consumatori. Oggi negli Stati Uniti sono in corso pochi, se non nessuno, esperimenti sulla sostituzione delle batterie.154 Il calo dei costi delle batterie e, forse in misura minore, l'implementazione di infrastrutture di ricarica rapida a corrente continua hanno probabilmente ridotto l'attrattiva della sostituzione delle batterie negli Stati Uniti.

Sebbene la sostituzione delle batterie offra diversi vantaggi, presenta anche notevoli svantaggi. La batteria di un veicolo elettrico è pesante e in genere si trova nella parte inferiore del veicolo, formando un componente strutturale integrale con tolleranze ingegneristiche minime per l'allineamento e i collegamenti elettrici. Le batterie odierne richiedono solitamente raffreddamento e collegare e scollegare i sistemi di raffreddamento è difficile.159 Date le loro dimensioni e il loro peso, i sistemi di batterie devono adattarsi perfettamente per evitare vibrazioni, ridurre l'usura e mantenere il veicolo centrato. L'architettura delle batterie da skateboard, comune nei veicoli elettrici odierni, migliora la sicurezza abbassando il baricentro del veicolo e migliorando la protezione dagli urti nella parte anteriore e posteriore. Le batterie rimovibili posizionate nel bagagliaio o altrove non avrebbero questo vantaggio. Poiché la maggior parte dei proprietari di veicoli ricarica principalmente a casa oRICARICA DEI VEICOLI ELETTRICI IN CINA E NEGLI STATI UNITIIn pratica, la sostituzione delle batterie non risolverebbe necessariamente i problemi dell'infrastruttura di ricarica, ma contribuirebbe solo a migliorare la ricarica pubblica e l'autonomia. E poiché la maggior parte delle case automobilistiche non è disposta a standardizzare i pacchi batteria o i design – le auto sono progettate in base alle loro batterie e ai loro motori, rendendo questo un valore proprietario chiave160 – la sostituzione delle batterie potrebbe richiedere una rete di stazioni di sostituzione separata per ogni casa automobilistica o attrezzature di sostituzione separate per diversi modelli e dimensioni di veicoli. Sebbene siano stati proposti camion mobili per la sostituzione delle batterie,161 questo modello di business deve ancora essere implementato.