טכנולוגיות מטען חשמלי

טכנולוגיות טעינת רכבים חשמליים בסין ובארצות הברית דומות באופן כללי. בשתי המדינות, כבלים ותקעים הם הטכנולוגיה הדומיננטית באופן גורף לטעינת כלי רכב חשמליים. (טעינה אלחוטית והחלפת סוללות הן בעלות נוכחות מינורית לכל היותר.) ישנם הבדלים בין שתי המדינות מבחינת רמות טעינה, סטנדרטים של טעינה ופרוטוקולי תקשורת. קווי דמיון והבדלים אלה יידונו להלן.

א. רמות טעינה

בארצות הברית, טעינה רבה של רכבים חשמליים מתבצעת במתח של 120 וולט באמצעות שקעי קיר ביתיים שאינם משופרים. זה ידוע בדרך כלל כטעינה ברמה 1 או טעינה "טפטוף". עם טעינה ברמה 1, סוללה טיפוסית של 30 קוט"ש לוקחת כ-12 שעות לעבור מ-20% לטעינה כמעט מלאה. (אין שקעי 120 וולט בסין.)

גם בסין וגם בארצות הברית, טעינת רכבים חשמליים נפוצה מתבצעת במתח של 220 וולט (סין) או 240 וולט (ארצות הברית). בארצות הברית, זה ידוע כטעינה ברמה 2.

טעינה כזו עשויה להתבצע באמצעות שקעים לא משופרים או ציוד טעינה מיוחד לרכב חשמלי, ובדרך כלל נדרשת כ-6-7 קילוואט של חשמל. בעת טעינה במתח של 220-240 וולט, סוללה טיפוסית של 30 קילוואט-שעה לוקחת כ-6 שעות לעבור מטעינה של 20% לטעינה כמעט מלאה.

לבסוף, גם בסין וגם בארצות הברית יש רשתות הולכות וגדלות של מטענים מהירים בזרם ישר, המשתמשים בדרך כלל בהספק של 24 קילוואט, 50 קילוואט, 100 קילוואט או 120 קילוואט. תחנות מסוימות עשויות להציע הספק של 350 קילוואט או אפילו 400 קילוואט. מטענים מהירים אלה בזרם ישר יכולים להטעין את סוללת הרכב מ-20% לטעינה כמעט מלאה בזמנים הנעים בין שעה ל-10 דקות בלבד.

טבלה 6:רמות הטעינה הנפוצות ביותר בארה"ב

מקור: משרד האנרגיה של ארה"ב

ב. תקני טעינה

א. סין

לסין יש תקן טעינה מהירה אחד ארצי לרכבים חשמליים. לארה"ב יש שלושה תקנים לטעינה מהירה לרכבים חשמליים.

התקן הסיני ידוע בשם China GB/T. (ראשי התיבותGBמייצג תקן לאומי.)

תקן GB/T של סין שוחרר בשנת 2015 לאחר מספר שנות פיתוח.124 כיום הוא חובה עבור כל כלי הרכב החשמליים החדשים הנמכרים בסין. יצרניות רכב בינלאומיות, כולל טסלה, ניסאן ו-BMW, ​​אימצו את תקן GB/T עבור כלי הרכב החשמליים שלהן הנמכרים בסין. GB/T מאפשר כיום טעינה מהירה בהספק מקסימלי של 237.5 קילוואט (ב-950 וולט ו-250 אמפר), אם כי רבים...

מטעני זרם ישר סיניים מהירים מציעים טעינה של 50 קילוואט. תקן GB/T חדש ייצא ב-2019 או 2020, אשר לפי הדיווחים ישדרג את התקן כך שיכלול טעינה של עד 900 קילוואט עבור כלי רכב מסחריים גדולים יותר. GB/T הוא תקן סיני בלבד: כלי הרכב החשמליים המעטים מתוצרת סין המיוצאים לחו"ל משתמשים בתקנים אחרים.125

באוגוסט 2018, מועצת החשמל של סין (CEC) הודיעה על מזכר הבנות עם רשת CHAdeMO, שבסיסה ביפן, לפיתוח משותף של טעינה אולטרה-מהירה. המטרה היא תאימות בין GB/T ו-CHAdeMO לטעינה מהירה. שני הארגונים ישתפו פעולה כדי להרחיב את התקן למדינות מעבר לסין ויפן.126

ב. ארצות הברית

בארצות הברית, ישנם שלושה סטנדרטים לטעינה מהירה של רכבים חשמליים (EV): CHAdeMO, CCS SAE Combo ו-Tesla.

CHAdeMO היה הסטנדרט הראשון לטעינה מהירה של רכבים חשמליים, משנת 2011. הוא פותח על ידי טוקיו.

חברת החשמל (Electric Power Company) מייצגת את "Charge to Move" (משחק מילים ביפנית).127 CHAdeMO משמש כיום בארצות הברית בניסאן ליף ובמיצובישי אאוטלנדר PHEV, שהם בין כלי הרכב החשמליים הנמכרים ביותר. הצלחת הליף בארצות הברית עשויה להיותטעינת רכבים חשמליים בסין ובארצות הברית

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | פברואר 2019 |

בין היתר הודות למחויבותה המוקדמת של ניסאן לפרוס תשתית טעינה מהירה של CHAdeMO בסוכנויות ובמיקומים עירוניים אחרים.128 נכון לינואר 2019, היו מעל 2,900 עמדות טעינה מהירות של CHAdeMO בארצות הברית (כמו גם יותר מ-7,400 ביפן ו-7,900 באירופה).129

בשנת 2016, CHAdeMO הודיעה כי תשדרג את הסטנדרט שלה משיעור הטעינה ההתחלתי של 70

קילוואט תציע 150 קילוואט.130 ביוני 2018 הכריזה CHAdeMO על הצגת יכולת טעינה של 400 קילוואט, באמצעות כבלים מקוררים בנוזל בהספק של 1,000 וולט ו-400 אמפר. טעינה גבוהה יותר תהיה זמינה כדי לענות על הצרכים של כלי רכב מסחריים גדולים כמו משאיות ואוטובוסים.131

תקן טעינה שני בארצות הברית ידוע בשם CCS או SAE Combo. הוא יצא לאור בשנת 2011 על ידי קבוצת יצרני רכב אירופאים ואמריקאיים. המילהקומבומציין שהתקע מכיל גם טעינה AC (עד 43 קילוואט) וגם טעינה DC. 132 אינץ'

בגרמניה, הוקמה קואליציית יוזמת ממשק הטעינה (CharIN) כדי לקדם אימוץ נרחב של טעינת CCS. בניגוד ל-CHAdeMO, תקע CCS מאפשר טעינה של זרם ישר (DC) וזרם חילופין (AC) עם יציאה אחת, מה שמפחית את השטח והפתחים הנדרשים בגוף הרכב. יגואר,

פולקסווגן, ג'נרל מוטורס, BMW, דיימלר, פורד, FCA ויונדאי תומכות ב-CCS. טסלה הצטרפה גם היא לקואליציה ובנובמבר 2018 הודיעה כי כלי הרכב שלה באירופה יצוידו בשקעי טעינה של CCS.133 שברולט בולט ו-BMW i3 הם בין כלי הרכב החשמליים הפופולריים בארצות הברית המשתמשים בטעינת CCS. בעוד שמטעני CCS מהירים נוכחיים מציעים טעינה של כ-50 קילוואט, תוכנית Electrify America כוללת טעינה מהירה של 350 קילוואט, שיכולה לאפשר טעינה כמעט מלאה תוך 10 דקות בלבד.

תקן הטעינה השלישי בארצות הברית מופעל על ידי טסלה, אשר השיקה רשת Supercharger קניינית משלה בארצות הברית בספטמבר 2012.134 טסלה

מגדשי-על פועלים בדרך כלל במתח של 480 וולט ומציעים טעינה בהספק מקסימלי של 120 קילוואט.

בינואר 2019, אתר האינטרנט של טסלה מנה 595 מיקומי מגדשי-על בארצות הברית, עם 420 מיקומים נוספים "בקרוב".135 במאי 2018, טסלה הציעה שבעתיד מגדשי-העל שלה עשויים להגיע להספק של עד 350 קילוואט.136

במחקר שלנו עבור דוח זה, שאלנו מרואיינים אמריקאים האם הם רואים בהיעדר תקן לאומי יחיד לטעינה מהירה בזרם ישר (DC) מכשול לאימוץ רכבים חשמליים. מעטים ענו בחיוב. הסיבות לכך שסטנדרטים מרובים של טעינה מהירה בזרם ישר אינם נחשבים לבעיה כוללות:

● רוב טעינת הרכבים החשמליים מתבצעת בבית ובעבודה, עם מטענים ברמה 1 ו-2.

● חלק ניכר מתשתיות הטעינה הציבוריות ובמקומות העבודה עד כה השתמשו במטענים ברמה 2.

● קיימים מתאמים המאפשרים לבעלי רכבים חשמליים להשתמש ברוב מטעני הזרם ישר (DC), גם אם הרכב החשמלי והמטען משתמשים בתקני טעינה שונים. (החריג העיקרי, רשת טעינת-העל של טסלה, פתוחה רק לרכבי טסלה.) ראוי לציין כי קיימות חששות לגבי בטיחותם של מתאמי טעינה מהירה.

● מכיוון שהתקע והמחבר מייצגים אחוז קטן מעלות תחנת טעינה מהירה, הדבר אינו מהווה אתגר טכני או כלכלי רב לבעלי התחנות וניתן להשוות אותו לצינורות לבנזין בדרגות אוקטן שונות בתחנת תדלוק. תחנות טעינה ציבוריות רבות כוללות מספר תקעים המחוברים לעמוד טעינה יחיד, המאפשר טעינה של כל סוג של רכב חשמלי שם. ואכן, תחומי שיפוט רבים דורשים או מתמריצים זאת.טעינת רכבים חשמליים בסין ובארצות הברית

38 | המרכז למדיניות אנרגיה עולמית | קולומביה SIPA

חלק מיצרני הרכב אמרו שרשת טעינה בלעדית מייצגת אסטרטגיה תחרותית. קלאס ברקלו, ראש תחום הניידות החשמלית ב-BMW ויו"ר CharIN, הצהיר בשנת 2018: "ייסדנו את CharIN כדי לבנות עמדה של כוח".137 בעלי טסלה ומשקיעים רבים רואים ברשת מגדשי העל הקניינית שלה נקודת מכירה, אם כי טסלה ממשיכה להביע נכונות לאפשר לדגמי מכוניות אחרים להשתמש ברשת שלה בתנאי שהם יתרום מימון באופן יחסי לשימוש.138 טסלה גם היא חלק מ-CharIN המקדמת CCS. בנובמבר 2018, היא הודיעה שמכוניות דגם 3 הנמכרות באירופה יגיעו מצוידות ביציאות CCS. בעלי טסלה יכולים גם לרכוש מתאמים כדי לגשת למטענים מהירים של CHAdeMO.139

ג. פרוטוקולי תקשורת טעינה פרוטוקולי תקשורת טעינה נחוצים כדי לייעל את הטעינה עבור צרכי המשתמש (לזיהוי מצב טעינה, מתח סוללה ובטיחות) ועבור רשת החשמל (כולל

קיבולת רשת ההפצה, תמחור זמן שימוש ומדדי תגובת ביקוש).140 סין GB/T ו-CHAdeMO משתמשים בפרוטוקול תקשורת המכונה CAN, בעוד ש-CCS עובד עם פרוטוקול PLC. פרוטוקולי תקשורת פתוחים, כגון Open Charge Point Protocol (OCPP) שפותח על ידי Open Charging Alliance, הופכים פופולריים יותר ויותר בארצות הברית ובאירופה.

במחקר שלנו עבור דוח זה, מספר מרואיינים אמריקאים ציינו את המעבר לעבר פרוטוקולי ותוכנה פתוחים לתקשורת כעדיפות מדיניות. בפרט, כמה פרויקטים של טעינה ציבורית שקיבלו מימון במסגרת חוק ההתאוששות וההשקעה מחדש האמריקאי (ARRA) צוטטו ככאלה שבחרו ספקים עם פלטפורמות קנייניות, אשר לאחר מכן חוו קשיים כלכליים, והותירו ציוד מקולקל שדרש החלפה.141 רוב הערים, שירותי החשמל ורשתות הטעינה שפנו אליהם לצורך מחקר זה הביעו תמיכה בפרוטוקולי תקשורת פתוחים ותמריצים כדי לאפשר למארחי רשתות טעינה לעבור בצורה חלקה לספקים.142

ד. עלויות

מטענים ביתיים זולים יותר בסין מאשר בארצות הברית. בסין, מטען ביתי טיפוסי של 7 קילוואט המותקן על הקיר נמכר באינטרנט במחיר של בין 1,200 ל-1,800 יואן סיני.143 ההתקנה דורשת עלות נוספת. (רוב רכישות הרכבים החשמליים הפרטיים כוללות מטען והתקנה.) בארצות הברית, מטענים ביתיים ברמה 2 עולים בטווח של 450-600 דולר, בתוספת ממוצע של כ-500 דולר להתקנה.144 ציוד טעינה מהירה DC ​​יקר משמעותית בשתי המדינות. העלויות משתנות במידה רבה. מומחה סיני אחד שרואיין עבור דוח זה העריך כי התקנת עמוד טעינה מהירה של 50 קילוואט DC בסין עולה בדרך כלל בין 45,000 ל-60,000 יואן סיני, כאשר עמוד הטעינה עצמו מהווה כ-25,000 - 35,000 יואן סיני וכבלים, תשתית תת קרקעית ועבודה מהווים את היתרה.145 בארצות הברית, טעינה מהירה של DC יכולה לעלות עשרות אלפי דולרים לעמוד. משתנים עיקריים המשפיעים על עלות התקנת ציוד טעינה מהירה של זרם ישר כוללים את הצורך בחפירת תעלות, שדרוגי שנאים, מעגלים ולוחות חשמל חדשים או משודרגים ושדרוגים אסתטיים. שילוט, היתרים וגישה לנכים הם שיקולים נוספים.146

ה. טעינה אלחוטית

טעינה אלחוטית מציעה מספר יתרונות, כולל אסתטיקה, חיסכון בזמן וקלות שימוש.

היא הייתה זמינה בשנות ה-90 עבור ה-EV1 (מכונית חשמלית מוקדמת) אך כיום היא נדירה.147 מערכות טעינה אלחוטיות לרכבים חשמליים המוצעות באינטרנט נעות בין 1,260 דולר לכ-3,000 דולר.148 טעינה אלחוטית לרכבים חשמליים כרוכה ביעילות נמוכה, כאשר המערכות הנוכחיות מציעות יעילות טעינה של כ-85%.149 מוצרי טעינה אלחוטית נוכחיים מציעים העברת חשמל של 3-22 קילוואט; מטענים אלחוטיים זמינים עבור מספר דגמי רכבים חשמליים החל מ-Packless טעינה בהספק של 3.6 קילוואט או 7.2 קילוואט, שווה ערך לטעינה ברמה 2.150 בעוד שמשתמשים רבים ברכבים חשמליים סבורים שטעינה אלחוטית אינה שווה את העלות הנוספת,151 חלק מהאנליסטים חזו שהטכנולוגיה תהיה נפוצה בקרוב, וכמה יצרניות רכב הודיעו כי יציעו טעינה אלחוטית כאופציה ברכבים חשמליים עתידיים. טעינה אלחוטית עשויה להיות אטרקטיבית עבור כלי רכב מסוימים עם מסלולים מוגדרים, כגון אוטובוסים ציבוריים, והיא הוצעה גם עבור נתיבי כבישים חשמליים עתידיים, אם כי עלות גבוהה, יעילות טעינה נמוכה ומהירויות טעינה איטיות יהיו חסרונות.152

ו. החלפת סוללה

בעזרת טכנולוגיית החלפת סוללות, כלי רכב חשמליים יוכלו להחליף את הסוללות המרוקנות שלהם באחרות טעונות במלואן. זה יקצר באופן דרמטי את הזמן הנדרש לטעינת רכב חשמלי, עם יתרונות פוטנציאליים משמעותיים לנהגים.

מספר ערים וחברות סיניות מתנסות כיום בהחלפת סוללות, בדגש על ציי רכבים חשמליים בעלי ניצול גבוה, כגון מוניות. העיר האנגג'ואו הטמיעה טכנולוגיית החלפת סוללות עבור צי המוניות שלה, המשתמש ברכבי Zotye EV מתוצרת מקומית.155 בייג'ינג בנתה מספר תחנות להחלפת סוללות במאמץ הנתמך על ידי יצרנית הרכב המקומית BAIC. בסוף 2017, BAIC הכריזה על תוכנית לבניית 3,000 תחנות החלפה ברחבי הארץ עד 2021.156 חברת הסטארט-אפ הסינית NIO מתכננת לאמץ טכנולוגיית החלפת סוללות עבור חלק מרכביה והודיעה כי תבנה 1,100 תחנות החלפה בסין.157 מספר ערים בסין - כולל האנגג'ואו וצ'ינגדאו - השתמשו גם בהחלפת סוללות עבור אוטובוסים.158

בארצות הברית, הדיון על החלפת סוללות דעך לאחר פשיטת הרגל של חברת הסטארט-אפ הישראלית להחלפת סוללות, Project Better Place, בשנת 2013, שתכננה רשת של תחנות החלפה למכוניות נוסעים.153 בשנת 2015, טסלה זנחה את תוכניות תחנת ההחלפה שלה לאחר שבנתה מתקן הדגמה אחד בלבד, והאשימה את חוסר העניין של הצרכנים. ישנם מעט ניסויים, אם בכלל, שנערכים כיום בארצות הברית בנוגע להחלפת סוללות.154 הירידה בעלויות הסוללות, ואולי במידה פחותה גם פריסת תשתית טעינה מהירה בזרם ישר (DC), ככל הנראה הפחיתו את האטרקטיביות של החלפת סוללות בארצות הברית.

בעוד שהחלפת סוללות מציעה מספר יתרונות, יש לה גם חסרונות בולטים. סוללת רכב חשמלי היא כבדה ובדרך כלל ממוקמת בתחתית הרכב, ויוצרת רכיב מבני אינטגרלי עם סבילות הנדסיות מינימליות ליישור וחיבורים חשמליים. סוללות של ימינו דורשות בדרך כלל קירור, וחיבור וניתוק של מערכות קירור קשה.159 בהתחשב בגודלן ומשקלן, מערכות הסוללה חייבות להתאים בצורה מושלמת כדי למנוע רעידות, להפחית בלאי ולשמור על הרכב במרכז. ארכיטקטורת סוללות סקייטבורד הנפוצה ברכבים חשמליים של ימינו משפרת את הבטיחות על ידי הורדת מרכז המשקל של הרכב ושיפור ההגנה מפני התנגשויות מלפנים ומאחור. סוללות נשלפות הממוקמות בתא המטען או במקום אחר יחסרו יתרון זה. מכיוון שרוב בעלי הרכבים טוענים בעיקר בבית או...טעינת רכבים חשמליים בסין ובארצות הבריתבעבודה, החלפת סוללות לא בהכרח תפתור את בעיות תשתית הטעינה - היא רק תעזור לטפל בטעינה הציבורית ובטווח הנסיעה. ומכיוון שרוב יצרניות הרכב אינן מוכנות לתקנן חבילות סוללות או עיצובים - מכוניות מתוכננות סביב הסוללות והמנועים שלהן, מה שהופך זאת לערך קנייני מרכזי160 - החלפת סוללות עשויה לדרוש רשת תחנות החלפה נפרדת עבור כל חברת רכב או ציוד החלפה נפרד עבור דגמים וגדלים שונים של כלי רכב. למרות שהוצעו משאיות ניידות להחלפת סוללות,161 מודל עסקי זה טרם יושם.