Tecnologie per caricabatterie EV

Le tecnologie di ricarica dei veicoli elettrici in Cina e negli Stati Uniti sono sostanzialmente simili. In entrambi i paesi, cavi e spine rappresentano la tecnologia predominante per la ricarica dei veicoli elettrici. (La ricarica wireless e la sostituzione della batteria 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, gran parte della ricarica dei veicoli elettrici avviene a 120 volt utilizzando prese domestiche non modificate. Questo è generalmente noto come carica di livello 1 o “trickle”. Con la ricarica di livello 1, una tipica batteria da 30 kWh impiega circa 12 ore per passare dal 20% a una carica quasi completa. (Non ci sono prese da 120 volt in Cina.)

Sia in Cina che negli Stati Uniti, gran parte della ricarica dei veicoli elettrici avviene a 220 volt (Cina) o 240 volt (Stati Uniti). Negli Stati Uniti, questo è noto come ricarica di livello 2.

Tale ricarica può avvenire con prese non modificate o apparecchiature specializzate per la ricarica di veicoli elettrici e in genere utilizza circa 6-7 kW di potenza. Quando si carica a 220–240 volt, una tipica 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 in crescita di caricabatterie rapidi CC, che utilizzano comunemente 24 kW, 50 kW, 100 kW o 120 kW di potenza. Alcune stazioni possono offrire 350 kW o addirittura 400 kW di potenza. Questi caricabatterie rapidi CC possono caricare la batteria di un veicolo dal 20% fino a una carica quasi completa in tempi che vanno da circa un'ora a un minimo di 10 minuti.

Tabella 6:Livelli di carica più comuni negli Stati Uniti

Fonte: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

B. Standard di tariffazione

io. Cina

La Cina ha uno standard di ricarica rapida per i veicoli elettrici a livello nazionale. Gli Stati Uniti hanno tre standard di ricarica rapida per i veicoli elettrici.

Lo standard cinese è noto come China GB/T. (Le inizialiGBrappresentano lo standard nazionale.)

China GB/T è stata rilasciata nel 2015 dopo diversi anni di sviluppo.124 Ora è obbligatoria 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. GB/T attualmente consente la ricarica rapida con un massimo di 237,5 kW di potenza (a 950 V e 250 A), sebbene molti

I caricabatterie rapidi CC cinesi offrono una ricarica da 50 kW. Nel 2019 o nel 2020 verrà rilasciato un nuovo GB/T, che aggiornerà lo standard per includere la ricarica fino a 900 kW per i veicoli commerciali più grandi. GB/T è uno standard esclusivo della Cina: i pochi veicoli elettrici fabbricati in Cina ed 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 espandere lo standard a paesi oltre Cina e Giappone.126

ii. Stati Uniti

Negli Stati Uniti esistono tre standard di ricarica dei veicoli elettrici per la ricarica rapida CC: 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 esserloRICARICA VEICOLI ELETTRICI IN CINA E NEGLI STATI UNITI

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in parte grazie all'impegno tempestivo di Nissan di implementare l'infrastruttura di ricarica rapida CHAdeMO presso i concessionari e altri luoghi urbani.128 A gennaio 2019, c'erano oltre 2.900 dispositivi di ricarica rapida CHAdeMO negli Stati Uniti (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 rispetto alla tariffa di ricarica iniziale di 70

kW offrirà 150 kW.130 Nel 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. Sarà disponibile una tariffazione più elevata per soddisfare le esigenze dei veicoli commerciali di grandi dimensioni 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 produttori automobilistici europei e statunitensi. La parolacombinatoindica che la spina contiene sia la ricarica CA (fino a 43 kW) che la ricarica CC.132 In

In Germania, è stata costituita la coalizione Charging Interface Initiative (CharIN) per sostenere l’adozione diffusa della CCS. A differenza di CHAdeMO, una presa CCS consente la ricarica CC e CA con un'unica porta, riducendo lo spazio e le aperture necessarie sulla carrozzeria del veicolo. Giaguaro,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA e Hyundai sostengono la CCS. Anche Tesla si è unita 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 di 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 Supercharger proprietaria negli Stati Uniti nel settembre 2012.134 Tesla

I compressori funzionano tipicamente a 480 volt e offrono la ricarica a un massimo di 120 kW. COME

di gennaio 2019, il sito web di Tesla elencava 595 sedi di Supercharger negli Stati Uniti, con altre 420 sedi “in arrivo”.135 Nel 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 DC un ostacolo all’adozione dei veicoli elettrici. Pochi hanno risposto affermativamente. I motivi per cui più standard di ricarica rapida CC non sono considerati un problema includono:

● La maggior parte della ricarica 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 sovralimentazione 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, ciò presenta poche sfide tecniche o finanziarie per i proprietari della stazione e potrebbe essere paragonato ai tubi per benzine a diverso numero di ottani in una stazione di rifornimento. Molte stazioni di ricarica pubbliche hanno più prese collegate a un singolo punto di ricarica, consentendo la ricarica di qualsiasi tipo di veicolo elettrico. In effetti, molte giurisdizioni lo richiedono o lo incentivano.RICARICA 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 della mobilità elettrica presso BMW e presidente di CharIN, ha dichiarato nel 2018: “Abbiamo fondato CharIN per costruire una posizione di potere”.137 Molti proprietari e investitori di Tesla considerano la sua rete proprietaria di compressori un punto di forza, sebbene Tesla continui a esprimere disponibilità a consentire ad altri modelli di auto di utilizzare la sua rete a condizione che contribuiscano a un finanziamento proporzionale all'utilizzo.138 Tesla fa anche parte del CharIN che promuove la CCS. Nel novembre 2018, ha annunciato che le auto 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 per le esigenze dell'utente (rilevare lo stato di carica, la tensione della batteria e la sicurezza) e per la rete (compresi

capacità della rete di distribuzione, tariffazione in base al tempo di utilizzo e misure di risposta alla domanda).140 China GB/T e CHAdeMO utilizzano un protocollo di comunicazione noto come CAN, mentre CCS funziona con il protocollo PLC. I protocolli di comunicazione aperti, come l'Open Charge Point Protocol (OCPP) sviluppato dalla 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 verso protocolli e software di comunicazione aperti come una priorità politica. In particolare, alcuni progetti di ricarica pubblica che hanno ricevuto finanziamenti ai sensi dell'American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) sono stati citati per aver scelto fornitori con piattaforme proprietarie che successivamente hanno incontrato difficoltà finanziarie, lasciando apparecchiature rotte che richiedevano la sostituzione.141 ​​La maggior parte delle città, dei servizi pubblici e dei sistemi di ricarica le reti contattate per questo studio hanno espresso sostegno per i protocolli di comunicazione aperti e gli 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 7 kW montato a parete 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 negli Stati Uniti. entrambi i paesi. I costi variano ampiamente. Un esperto cinese intervistato per questo rapporto ha stimato che l’installazione di una stazione di ricarica rapida CC da 50 kW in Cina costa tipicamente tra 45.000 e 60.000 RMB, mentre la stazione di ricarica stessa rappresenta circa 25.000 – 35.000 RMB e il cablaggio, le infrastrutture sotterranee e la contabilità della manodopera. per il resto.145 Negli Stati Uniti, la ricarica rapida DC può costare decine di migliaia di dollari per posta. Le principali variabili che influiscono sul costo di installazione delle apparecchiature di ricarica rapida CC includono la necessità di scavi, aggiornamenti dei trasformatori, circuiti e quadri elettrici nuovi o aggiornati e aggiornamenti estetici. La segnaletica, i permessi e l'accesso per i disabili costituiscono ulteriori considerazioni.146

E. Ricarica wireless

La ricarica wireless offre diversi vantaggi, tra cui estetica, risparmio di tempo e facilità d’uso.

Era disponibile negli anni '90 per l'EV1 (una delle prime auto elettriche), ma oggi è rara.147 I sistemi di ricarica wireless per veicoli elettrici offerti online variano da $ 1.260 a circa $ 3.000.148 La ricarica wireless per veicoli elettrici comporta una penalità in termini di 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; caricabatterie wireless disponibili per diversi modelli di veicoli elettrici con ricarica Plugless a 3,6 kW o 7,2 kW, equivalenti alla ricarica di livello 2.150 Sebbene molti utenti di veicoli elettrici ritengano 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 autostradali elettriche, anche se i costi elevati, la bassa efficienza di ricarica e la bassa velocità di ricarica rappresenterebbero degli svantaggi.152

F. Sostituzione della batteria

Con la tecnologia di scambio della batteria, 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 i conducenti.

Diverse città e aziende cinesi stanno attualmente sperimentando lo scambio di batterie, con particolare attenzione alle flotte di veicoli elettrici ad alto utilizzo, come i taxi. La città di Hangzhou ha implementato lo scambio di batterie per la sua flotta di taxi, che utilizza veicoli elettrici Zotye prodotti localmente.155 Pechino ha costruito diverse stazioni di scambio di batterie con il sostegno della casa automobilistica locale BAIC. Alla fine del 2017, BAIC ha annunciato un piano per costruire 3.000 stazioni di scambio a livello nazionale entro il 2021.156 La startup cinese di veicoli elettrici NIO prevede di adottare la tecnologia di scambio delle batterie per alcuni dei suoi veicoli e ha annunciato che avrebbe costruito 1.100 stazioni di scambio in Cina.157 Diverse città in Cina: tra cui Hangzhou e Qingdao, hanno utilizzato anche lo scambio di batterie per gli autobus.158

Negli Stati Uniti, il dibattito sullo scambio di batterie si è affievolito in seguito al fallimento, nel 2013, della startup israeliana Project Better Place, che aveva pianificato una rete di stazioni di scambio per le autovetture.153 Nel 2015, Tesla ha abbandonato il suo progetto di stazioni di scambio dopo averne costruito solo una. impianto dimostrativo, accusando la mancanza di interesse dei consumatori. Sono pochi, se non nessuno, gli esperimenti in corso rispetto allo scambio di batterie negli Stati Uniti oggi.154 Il calo dei costi delle batterie, e forse in misura minore, l’implementazione di infrastrutture di ricarica rapida CC, hanno probabilmente ridotto l’attrattiva dello scambio di batterie negli Stati Uniti. Stati Uniti.

Sebbene la sostituzione della batteria offra numerosi vantaggi, presenta anche notevoli inconvenienti. Una batteria per veicoli elettrici è pesante e solitamente è posizionata 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 un 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 della batteria dello skateboard, comune nei veicoli elettrici di oggi, migliora la sicurezza abbassando il baricentro del veicolo e migliorando la protezione dagli urti nella parte anteriore e posteriore. Le batterie rimovibili situate nel bagagliaio o altrove non avrebbero questo vantaggio. Poiché la maggior parte dei proprietari di veicoli effettua la ricarica principalmente a casa oRICARICA VEICOLI ELETTRICI IN CINA E NEGLI STATI UNITIsul lavoro, lo scambio delle batterie non risolverebbe necessariamente i problemi dell’infrastruttura di ricarica, ma aiuterebbe solo ad affrontare la ricarica pubblica e l’autonomia. E poiché la maggior parte delle case automobilistiche non è disposta a standardizzare i pacchi batteria o i progetti – le automobili sono progettate attorno alle batterie e ai motori, rendendolo un valore proprietario chiave160 – lo scambio di batterie potrebbe richiedere una rete di stazioni di scambio separata per ciascuna casa automobilistica o apparecchiature di scambio separate per diversi modelli e modelli. dimensioni dei veicoli. Sebbene siano stati proposti camion mobili per la sostituzione delle batterie,161 questo modello di business deve ancora essere implementato.