تقنيات شاحن السيارات الكهربائية

تتشابه تقنيات شحن المركبات الكهربائية في الصين والولايات المتحدة بشكل عام. ففي كلا البلدين، تُعدّ الأسلاك والمقابس التقنية السائدة لشحن المركبات الكهربائية. (يُعد الشحن اللاسلكي وتبديل البطاريات أقل استخدامًا). هناك اختلافات بين البلدين فيما يتعلق بمستويات الشحن ومعايير الشحن وبروتوكولات الاتصال. سيتم مناقشة أوجه التشابه والاختلاف هذه أدناه.

أ. مستويات الشحن

في الولايات المتحدة، يتم شحن جزء كبير من السيارات الكهربائية بجهد 120 فولت باستخدام مقابس كهربائية منزلية غير معدلة. يُعرف هذا عادةً بالشحن بالمستوى 1 أو "الشحن المتقطع". باستخدام هذا الشحن، تستغرق بطارية نموذجية بسعة 30 كيلوواط/ساعة حوالي 12 ساعة للانتقال من 20% إلى شحن كامل تقريبًا. (لا توجد مقابس كهربائية بجهد 120 فولت في الصين).

في كلٍّ من الصين والولايات المتحدة، يتم شحن جزء كبير من المركبات الكهربائية بجهد ٢٢٠ فولت (في الصين) أو ٢٤٠ فولت (في الولايات المتحدة). ويُعرف هذا في الولايات المتحدة بالشحن من المستوى الثاني.

يمكن إجراء هذا الشحن باستخدام منافذ كهربائية غير معدلة أو معدات شحن متخصصة للسيارات الكهربائية، ويستهلك عادةً حوالي 6-7 كيلوواط من الطاقة. عند الشحن بجهد 220-240 فولت، تستغرق بطارية 30 كيلوواط/ساعة نموذجية حوالي 6 ساعات للانتقال من 20% إلى شحن كامل تقريبًا.

أخيرًا، تمتلك كل من الصين والولايات المتحدة شبكات متنامية من شواحن التيار المستمر السريعة، والتي تستخدم عادةً 24 كيلوواط، 50 كيلوواط، 100 كيلوواط، أو 120 كيلوواط من الطاقة. قد توفر بعض المحطات 350 كيلوواط أو حتى 400 كيلوواط من الطاقة. تستطيع هذه الشواحن السريعة شحن بطارية السيارة من 20% إلى ما يقارب الشحن الكامل في أوقات تتراوح بين ساعة تقريبًا وعشر دقائق فقط.

الجدول 6:مستويات الشحن الأكثر شيوعًا في الولايات المتحدة

المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية

ب. معايير الشحن

أ. الصين

لدى الصين معيار وطني واحد لشحن السيارات الكهربائية السريع. أما الولايات المتحدة، فلديها ثلاثة معايير.

المعيار الصيني معروف باسم China GB/T. (الأحرف الأولىGB(يمثل المعيار الوطني.)

أُطلق معيار GB/T الصيني عام ٢٠١٥ بعد عدة سنوات من التطوير. ١٢٤ وهو الآن إلزامي لجميع السيارات الكهربائية الجديدة المباعة في الصين. وقد اعتمدت شركات صناعة السيارات العالمية، بما في ذلك تسلا ونيسان وبي إم دبليو، معيار GB/T لسياراتها الكهربائية المباعة في الصين. يسمح GB/T حاليًا بالشحن السريع بقدرة قصوى تبلغ ٢٣٧.٥ كيلوواط (٩٥٠ فولت و٢٥٠ أمبير)، على الرغم من أن العديد منها...

توفر شواحن التيار المستمر السريعة الصينية شحنًا بقدرة 50 كيلوواط. سيتم إطلاق معيار GB/T جديد في عامي 2019 و2020، والذي يُقال إنه سيُحسّن المعيار ليشمل شحنًا يصل إلى 900 كيلوواط للمركبات التجارية الأكبر حجمًا. معيار GB/T هو معيار صيني حصري: فالسيارات الكهربائية الصينية القليلة المُصدّرة للخارج تستخدم معايير أخرى.

في أغسطس 2018، أعلن مجلس الكهرباء الصيني (CEC) عن مذكرة تفاهم مع شبكة CHAdeMO، ومقرها اليابان، لتطوير تقنية شحن فائق السرعة بشكل مشترك. الهدف هو التوافق بين GB/T وCHAdeMO للشحن السريع. ستتعاون المنظمتان لتوسيع نطاق هذا المعيار ليشمل دولًا أخرى غير الصين واليابان.

ii. الولايات المتحدة

في الولايات المتحدة، هناك ثلاثة معايير لشحن السيارات الكهربائية للشحن السريع بالتيار المستمر: CHAdeMO، وCCS SAE Combo، وTesla.

كان CHAdeMO هو أول معيار للشحن السريع للسيارات الكهربائية، ويعود تاريخه إلى عام 2011. وقد تم تطويره بواسطة طوكيو

شركة الطاقة الكهربائية، وهي اختصار لعبارة "Charge to Move" (تورية يابانية). يُستخدم CHAdeMO حاليًا في الولايات المتحدة في سيارتي نيسان ليف وميتسوبيشي أوتلاندر PHEV، وهما من أكثر السيارات الكهربائية مبيعًا. قد يكون نجاح ليف في الولايات المتحدة...شحن المركبات الكهربائية في الصين والولايات المتحدة

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | فبراير 2019 |

ويرجع ذلك جزئيًا إلى التزام نيسان المبكر بطرح البنية التحتية للشحن السريع CHAdeMO في وكالات البيع وغيرها من المواقع الحضرية.128 اعتبارًا من يناير 2019، كان هناك أكثر من 2900 شاحن سريع CHAdeMO في الولايات المتحدة (بالإضافة إلى أكثر من 7400 في اليابان و7900 في أوروبا).129

في عام 2016، أعلنت CHAdeMO أنها ستقوم بترقية معيارها من معدل الشحن الأولي البالغ 70

كيلوواط لتقديم 150 كيلوواط.130 في يونيو 2018، أعلنت CHAdeMO عن طرح قدرة شحن بقدرة 400 كيلوواط، باستخدام كابلات مبردة بالسائل بجهد 1000 فولت و400 أمبير. ستتوفر قدرة الشحن الأعلى لتلبية احتياجات المركبات التجارية الكبيرة مثل الشاحنات والحافلات.131

معيار الشحن الثاني في الولايات المتحدة يُعرف باسم CCS أو SAE Combo. وقد أصدرته مجموعة من مصنعي السيارات الأوروبيين والأمريكيين عام ٢٠١١.مجموعةيشير إلى أن القابس يحتوي على شحن التيار المتردد (حتى 43 كيلو وات) وشحن التيار المستمر.132 في

في ألمانيا، تم تشكيل تحالف مبادرة واجهة الشحن (CharIN) للدعوة إلى اعتماد تقنية CCS على نطاق واسع. على عكس CHAdeMO، يتيح قابس CCS الشحن بالتيار المستمر والتيار المتردد من خلال منفذ واحد، مما يقلل المساحة والفتحات المطلوبة في هيكل السيارة. جاكوار،

تدعم شركات فولكس فاجن، وجنرال موتورز، وبي إم دبليو، ودايملر، وفورد، وفيات كرايسلر، وهيونداي نظام شحن السيارات الهجينة (CCS). كما انضمت تيسلا إلى التحالف، وأعلنت في نوفمبر 2018 أن سياراتها في أوروبا ستُزود بمنافذ شحن CCS. 133 تُعد شيفروليه بولت وبي إم دبليو i3 من بين السيارات الكهربائية الشائعة في الولايات المتحدة التي تستخدم نظام شحن CCS. بينما توفر شواحن CCS السريعة الحالية شحنًا بقوة 50 كيلوواط تقريبًا، يتضمن برنامج Electrify America شحنًا سريعًا بقوة 350 كيلوواط، مما يتيح شحنًا شبه كامل في غضون 10 دقائق فقط.

يتم تشغيل معيار الشحن الثالث في الولايات المتحدة بواسطة شركة Tesla، التي أطلقت شبكة Supercharger الخاصة بها في الولايات المتحدة في سبتمبر 2012.134 Tesla

تعمل الشواحن الفائقة عادةً بجهد 480 فولت وتوفر شحنًا بحد أقصى 120 كيلو وات.

في يناير 2019، أدرج موقع Tesla على الويب 595 موقعًا لشواحن Superchargers في الولايات المتحدة، مع 420 موقعًا إضافيًا "قريبًا".135 في مايو 2018، اقترحت Tesla أنه في المستقبل قد تصل شواحنها الفائقة إلى مستويات طاقة تصل إلى 350 كيلو وات.136

في بحثنا لهذا التقرير، سألنا المشاركين في المقابلات الأمريكية عما إذا كانوا يعتبرون عدم وجود معيار وطني واحد للشحن السريع بالتيار المستمر عائقًا أمام تبني السيارات الكهربائية. أجاب عدد قليل منهم بالإيجاب. من بين أسباب عدم اعتبار تعدد معايير الشحن السريع بالتيار المستمر مشكلةً:

● تتم معظم عمليات شحن السيارات الكهربائية في المنزل والعمل، باستخدام شواحن المستوى 1 و2.

● حتى الآن، استخدمت معظم البنية التحتية للشحن في الأماكن العامة وأماكن العمل شواحن المستوى 2.

تتوفر محولات تسمح لمالكي السيارات الكهربائية باستخدام معظم شواحن التيار المستمر السريعة، حتى لو كانت السيارة الكهربائية والشاحن يستخدمان معايير شحن مختلفة. (الاستثناء الرئيسي، شبكة الشحن الفائق من تسلا، متاحة فقط لسيارات تسلا). تجدر الإشارة إلى وجود بعض المخاوف بشأن سلامة محولات الشحن السريع.

● بما أن تكلفة القابس والموصل تمثلان نسبة ضئيلة من تكلفة محطة الشحن السريع، فإن هذا لا يُمثل تحديًا فنيًا أو ماليًا يُذكر لأصحاب المحطات، ويمكن مقارنته بخراطيم البنزين ذات الأوكتان المختلفة في محطات الوقود. تحتوي العديد من محطات الشحن العامة على عدة قابسات متصلة بعمود شحن واحد، مما يسمح لأي نوع من المركبات الكهربائية بالشحن هناك. في الواقع، تُلزم العديد من الولايات القضائية أو تُشجع على ذلك.شحن المركبات الكهربائية في الصين والولايات المتحدة

38 | مركز سياسة الطاقة العالمية | كولومبيا سيبا

صرحت بعض شركات صناعة السيارات بأن شبكة الشحن الحصرية تُمثل استراتيجية تنافسية. وصرح كلاس براكلو، رئيس قسم التنقل الكهربائي في بي إم دبليو ورئيس مجلس إدارة شركة CharIN، في عام ٢٠١٨ قائلاً: "لقد أسسنا شركة CharIN لنعزز مكانتنا الريادية". ١٣٧ ويعتبر العديد من مالكي ومستثمري سيارات تيسلا شبكة الشواحن الفائقة الخاصة بها ميزة تنافسية، على الرغم من أن تيسلا لا تزال تُعرب عن استعدادها للسماح لطرازات السيارات الأخرى باستخدام شبكتها شريطة أن تُساهم في تمويل يتناسب مع الاستخدام. ١٣٨ كما تُشارك تيسلا في CharIN للترويج لتقنية CCS. في نوفمبر ٢٠١٨، أعلنت الشركة أن سيارات موديل ٣ المُباعة في أوروبا ستكون مُجهزة بمنافذ CCS. كما يُمكن لمالكي تيسلا شراء مُحولات للوصول إلى شواحن CHAdeMO السريعة. ١٣٩

ج. بروتوكولات اتصال الشحن تعد بروتوكولات اتصال الشحن ضرورية لتحسين الشحن لتلبية احتياجات المستخدم (لاكتشاف حالة الشحن وجهد البطارية والسلامة) وللشبكة (بما في ذلك

تستخدم كلٌّ من شركة China GB/T وشركة CHAdeMO بروتوكول اتصال يُعرف باسم CAN، بينما تعمل شركة CCS باستخدام بروتوكول PLC. وتزداد شعبية بروتوكولات الاتصالات المفتوحة، مثل بروتوكول نقطة الشحن المفتوحة (OCPP) الذي طورته شركة Open Charging Alliance، في الولايات المتحدة وأوروبا.

في بحثنا لهذا التقرير، أشار العديد من المشاركين الأمريكيين الذين أجريت معهم مقابلات إلى التوجه نحو بروتوكولات الاتصالات المفتوحة والبرمجيات كأولوية سياسية. وعلى وجه الخصوص، ذُكر أن بعض مشاريع الشحن العامة التي حصلت على تمويل بموجب قانون الإنعاش وإعادة الاستثمار الأمريكي (ARRA) اختارت موردين ذوي منصات خاصة، لكنهم واجهوا صعوبات مالية لاحقًا، مما أدى إلى تعطل المعدات وتطلب استبدالها.141 أعربت معظم المدن وشركات المرافق وشبكات الشحن التي تم التواصل معها لهذه الدراسة عن دعمها لبروتوكولات الاتصالات المفتوحة والحوافز التي تُمكّن مستضيفي شبكات الشحن من تبديل مقدمي الخدمة بسلاسة.142

د. التكاليف

شواحن المنازل أرخص في الصين منها في الولايات المتحدة. في الصين، يُباع شاحن منزلي نموذجي مثبت على الحائط بقوة 7 كيلو وات عبر الإنترنت بسعر يتراوح بين 1200 و1800 يوان صيني.143 يتطلب التركيب تكلفة إضافية. (تأتي معظم مشتريات السيارات الكهربائية الخاصة مع شاحن وتركيب متضمنين). في الولايات المتحدة، تتراوح تكلفة شواحن المنازل من المستوى 2 بين 450 و600 دولار أمريكي، بالإضافة إلى متوسط ​​يبلغ حوالي 500 دولار أمريكي للتركيب.144 تُعد معدات الشحن السريع بالتيار المستمر أغلى بكثير في كلا البلدين. وتختلف التكاليف على نطاق واسع. وقد قدر أحد الخبراء الصينيين الذين تمت مقابلتهم من أجل هذا التقرير أن تركيب محطة شحن سريع بالتيار المستمر بقدرة 50 كيلو وات في الصين يكلف عادةً ما بين 45000 و60000 يوان صيني، حيث تمثل محطة الشحن نفسها ما يقرب من 25000 - 35000 يوان صيني، بينما تمثل الكابلات والبنية التحتية تحت الأرض والعمالة الباقي.145 في الولايات المتحدة، يمكن أن يكلف الشحن السريع بالتيار المستمر عشرات الآلاف من الدولارات لكل محطة. تشمل العوامل الرئيسية المؤثرة على تكلفة تركيب معدات الشحن السريع بالتيار المستمر الحاجة إلى حفر الخنادق، وتحديث المحولات، وتركيب دوائر ولوحات كهربائية جديدة أو مُحسّنة، وتحسين المظهر الجمالي. كما تُعدّ اللافتات والتصاريح وتسهيلات الوصول لذوي الاحتياجات الخاصة من الاعتبارات الإضافية.

هـ. الشحن اللاسلكي

يوفر الشحن اللاسلكي العديد من المزايا، بما في ذلك الجمالية وتوفير الوقت وسهولة الاستخدام.

كانت متوفرة في التسعينيات لسيارة EV1 (سيارة كهربائية مبكرة) ولكنها نادرة اليوم.147 تتراوح تكلفة أنظمة شحن السيارات الكهربائية اللاسلكية المقدمة عبر الإنترنت من 1260 دولارًا إلى حوالي 3000 دولار.148 يحمل شحن السيارات الكهربائية اللاسلكي عقوبة كفاءة، حيث توفر الأنظمة الحالية كفاءة شحن تبلغ حوالي 85٪.149 توفر منتجات الشحن اللاسلكي الحالية نقل طاقة يتراوح بين 3 و 22 كيلو واط؛ تشحن الشواحن اللاسلكية المتوفرة للعديد من طرازات السيارات الكهربائية من Plugless إما بقدرة 3.6 كيلو واط أو 7.2 كيلو واط، أي ما يعادل الشحن من المستوى 2.150 في حين أن العديد من مستخدمي السيارات الكهربائية يعتبرون الشحن اللاسلكي لا يستحق التكلفة الإضافية،151 توقع بعض المحللين أن تنتشر التكنولوجيا قريبًا، وأعلنت العديد من شركات صناعة السيارات أنها ستقدم الشحن اللاسلكي كخيار في السيارات الكهربائية المستقبلية. قد يكون الشحن اللاسلكي جذابًا لبعض المركبات ذات المسارات المحددة، مثل الحافلات العامة، وقد تم اقتراحه أيضًا لممرات الطرق السريعة الكهربائية المستقبلية، على الرغم من أن التكلفة العالية وكفاءة الشحن المنخفضة وسرعات الشحن البطيئة ستكون عيوبًا.152

و. تبديل البطارية

بفضل تقنية تبديل البطاريات، يُمكن للسيارات الكهربائية استبدال بطارياتها المستنفدة بأخرى مشحونة بالكامل. سيُقلل هذا بشكل كبير الوقت اللازم لإعادة شحن السيارة الكهربائية، مع فوائد مُحتملة كبيرة للسائقين.

تُجري العديد من المدن والشركات الصينية حاليًا تجارب على استبدال البطاريات، مع التركيز على أساطيل المركبات الكهربائية عالية الاستخدام، مثل سيارات الأجرة. وقد نشرت مدينة هانغتشو تقنية استبدال البطاريات لأسطول سيارات الأجرة الخاص بها، والذي يستخدم سيارات زوتي الكهربائية محلية الصنع.155 وقد أنشأت بكين العديد من محطات استبدال البطاريات في إطار جهود تدعمها شركة صناعة السيارات المحلية بايك. في أواخر عام 2017، أعلنت بايك عن خطة لبناء 3000 محطة استبدال على مستوى البلاد بحلول عام 2021.156 وتخطط شركة نيو الصينية الناشئة في مجال المركبات الكهربائية لاعتماد تقنية استبدال البطاريات في بعض مركباتها، وأعلنت أنها ستبني 1100 محطة استبدال في الصين.157 كما استخدمت العديد من المدن في الصين، بما في ذلك هانغتشو وتشينغداو، تقنية استبدال البطاريات للحافلات.158

في الولايات المتحدة، تضاءل النقاش حول استبدال البطاريات بعد إفلاس شركة "مشروع بيتر بليس" الإسرائيلية الناشئة لاستبدال البطاريات عام ٢٠١٣، والتي كانت تخطط لإنشاء شبكة من محطات استبدال سيارات الركاب.١٥٣ في عام ٢٠١٥، تخلت شركة تيسلا عن خططها لإنشاء محطات استبدال بعد بناء منشأة تجريبية واحدة فقط، مُرجعةً ذلك إلى قلة اهتمام المستهلكين. لا توجد حاليًا سوى تجارب قليلة، إن وُجدت، فيما يتعلق باستبدال البطاريات في الولايات المتحدة.١٥٤ ومن المرجح أن انخفاض تكاليف البطاريات، وربما بدرجة أقل، نشر البنية التحتية للشحن السريع بالتيار المستمر، قد قلل من جاذبية استبدال البطاريات في الولايات المتحدة.

في حين أن استبدال البطارية يوفر العديد من المزايا، إلا أن له عيوبًا ملحوظة أيضًا. بطارية السيارة الكهربائية ثقيلة، وعادةً ما توجد في الجزء السفلي منها، وتشكل مكونًا هيكليًا متكاملًا مع الحد الأدنى من التسامح الهندسي للمحاذاة والتوصيلات الكهربائية. تتطلب بطاريات اليوم عادةً التبريد، ويصعب توصيل وفصل أنظمة التبريد.159 ونظرًا لحجمها ووزنها، يجب أن تتناسب أنظمة البطاريات تمامًا لتجنب الاهتزاز، وتقليل التآكل، والحفاظ على مركز السيارة. يحسن تصميم بطارية لوح التزلج الشائع في السيارات الكهربائية اليوم من السلامة عن طريق خفض مركز وزن السيارة وتحسين الحماية من الاصطدام في الأمام والخلف. ستفتقر البطاريات القابلة للإزالة الموجودة في صندوق السيارة أو في أي مكان آخر إلى هذه الميزة. نظرًا لأن معظم مالكي السيارات يشحنون بشكل أساسي في المنزل أوشحن المركبات الكهربائية في الصين والولايات المتحدةفي العمل، لن يحل تبديل البطاريات بالضرورة مشاكل البنية التحتية للشحن، بل سيساعد فقط في معالجة الشحن العام ومدى القيادة. ولأن معظم شركات صناعة السيارات لا ترغب في توحيد مجموعات البطاريات أو تصاميمها - فالسيارات مصممة بناءً على بطارياتها ومحركاتها، مما يجعل هذه القيمة ملكية أساسية160- فقد يتطلب تبديل البطاريات شبكة محطات تبديل منفصلة لكل شركة سيارات، أو معدات تبديل منفصلة لمختلف طرازات وأحجام السيارات. على الرغم من اقتراح شاحنات تبديل البطاريات المتنقلة161، إلا أن هذا النموذج التجاري لم يُطبق بعد.