تقنيات شاحن السيارة الكهربائية

تتشابه تقنيات شحن السيارات الكهربائية في الصين والولايات المتحدة إلى حد كبير. وفي كلا البلدين، تعد الأسلاك والمقابس هي التكنولوجيا السائدة إلى حد كبير لشحن السيارات الكهربائية. (الشحن اللاسلكي وتبديل البطاريات لهما وجود طفيف على الأكثر). هناك اختلافات بين البلدين فيما يتعلق بمستويات الشحن ومعايير الشحن وبروتوكولات الاتصالات. وتناقش أدناه أوجه التشابه والاختلاف هذه.

أ. مستويات الشحن

في الولايات المتحدة، يتم شحن قدر كبير من المركبات الكهربائية بجهد 120 فولت باستخدام منافذ حائط منزلية غير معدلة. يُعرف هذا عمومًا باسم المستوى 1 أو الشحن "المتقطر". مع الشحن من المستوى الأول، تستغرق البطارية النموذجية بقدرة 30 كيلووات في الساعة حوالي 12 ساعة للانتقال من 20% إلى الشحن الكامل تقريبًا. (لا توجد منافذ 120 فولت في الصين.)

في كل من الصين والولايات المتحدة، يتم شحن قدر كبير من المركبات الكهربائية بجهد 220 فولت (الصين) أو 240 فولت (الولايات المتحدة). في الولايات المتحدة، يُعرف هذا بالشحن من المستوى الثاني.

قد يتم هذا الشحن باستخدام منافذ غير معدلة أو معدات شحن EV متخصصة ويستخدم عادةً حوالي 6-7 كيلو واط من الطاقة. عند الشحن بجهد 220-240 فولت، تستغرق البطارية النموذجية بقدرة 30 كيلووات في الساعة حوالي 6 ساعات لتنتقل من 20% إلى الشحن الكامل تقريبًا.

أخيرًا، تمتلك كل من الصين والولايات المتحدة شبكات متنامية من أجهزة الشحن السريع التي تعمل بالتيار المستمر، والتي تستخدم عادةً 24 كيلووات، أو 50 كيلووات، أو 100 كيلووات، أو 120 كيلووات من الطاقة. قد توفر بعض المحطات 350 كيلووات أو حتى 400 كيلووات من الطاقة. يمكن لشواحن التيار المستمر السريعة هذه أن تأخذ بطارية السيارة من 20% إلى شحن كامل تقريبًا في أوقات تتراوح من ساعة واحدة تقريبًا إلى أقل من 10 دقائق.

الجدول 6:مستويات الشحن الأكثر شيوعًا في الولايات المتحدة

المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية

ب. معايير الشحن

أنا. الصين

لدى الصين معيار واحد للشحن السريع للمركبات الكهربائية على مستوى البلاد. لدى الولايات المتحدة ثلاثة معايير للشحن السريع للمركبات الكهربائية.

يُعرف المعيار الصيني باسم China GB/T. (الأحرف الأولىGBالوقوف على المعيار الوطني.)

تم إطلاق GB/T الصيني في عام 2015 بعد عدة سنوات من التطوير.124 وهو الآن إلزامي لجميع السيارات الكهربائية الجديدة المباعة في الصين. اعتمدت شركات صناعة السيارات العالمية، بما في ذلك Tesla وNissan وBMW، معيار GB/T لسياراتها الكهربائية المباعة في الصين. يسمح GB/T حاليًا بالشحن السريع بحد أقصى 237.5 كيلووات من الخرج (عند 950 فولت و250 أمبير)، على الرغم من أن العديد من

توفر أجهزة الشحن السريعة الصينية DC شحنًا بقدرة 50 كيلووات. سيتم إصدار GB/T جديد في عام 2019 أو 2020، والذي يقال إنه سيعمل على ترقية المعيار ليشمل شحن ما يصل إلى 900 كيلووات للمركبات التجارية الأكبر حجمًا. GB/T هو معيار صيني فقط: عدد قليل من السيارات الكهربائية المصنوعة في الصين والمصدرة إلى الخارج تستخدم معايير أخرى.125

في أغسطس 2018، أعلن مجلس الكهرباء الصيني (CEC) عن مذكرة تفاهم مع شبكة CHAdeMO، ومقرها اليابان، لتطوير الشحن فائق السرعة بشكل مشترك. الهدف هو التوافق بين GB/T وCHAdeMO للشحن السريع. وستعمل المنظمتان على توسيع نطاق المعيار ليشمل بلدانًا خارج الصين واليابان.126

ثانيا. 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 للمركبات الكهربائية، ويرجع تاريخه إلى عام 2011. وقد تم تطويره بواسطة طوكيو

شركة الطاقة الكهربائية وترمز إلى "Charge to Move" (تورية باللغة اليابانية). 127 يُستخدم CHAdeMO حاليًا في الولايات المتحدة في نيسان ليف وميتسوبيشي أوتلاندر PHEV، وهما من بين السيارات الكهربائية الأكثر مبيعًا. قد يكون نجاح الورقة في الولايات المتحدة كذلكشحن السيارات الكهربائية في الصين والولايات المتحدة

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | فبراير 2019 |

ويرجع ذلك جزئيًا إلى التزام نيسان المبكر بطرح البنية التحتية للشحن السريع CHAdeMO في الوكلاء والمواقع الحضرية الأخرى.128 اعتبارًا من يناير 2019، كان هناك أكثر من 2900 شاحن CHAdeMO السريع 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

كيلووات لتقديم 150 كيلووات.130 في يونيو 2018، أعلنت CHAdeMO عن تقديم قدرة شحن تبلغ 400 كيلووات، باستخدام كابلات مبردة بالسوائل بقدرة 1000 فولت و400 أمبير. وسيكون الشحن الأعلى متاحًا لتلبية احتياجات المركبات التجارية الكبيرة مثل الشاحنات والحافلات

يُعرف معيار الشحن الثاني في الولايات المتحدة باسم CCS أو SAE Combo. تم إصداره في عام 2011 من قبل مجموعة من شركات صناعة السيارات الأوروبية والأمريكية. الكلمةالتحرير والسرديشير إلى أن القابس يحتوي على كلاً من الشحن بالتيار المتردد (بقدرة تصل إلى 43 كيلووات) والشحن بالتيار المستمر.132 بوصة

في ألمانيا، تم تشكيل تحالف مبادرة واجهة الشحن (CharIN) للدعوة إلى اعتماد تكنولوجيا احتجاز وتخزين الكربون على نطاق واسع. على عكس CHAdeMO، يتيح قابس CCS إمكانية الشحن بالتيار المستمر والتيار المتردد بمنفذ واحد، مما يقلل المساحة والفتحات المطلوبة على جسم السيارة. جاكوار,

فولكس فاجن، جنرال موتورز، بي إم دبليو، دايملر، فورد، FCA وهيونداي تدعم CCS. انضمت Tesla أيضًا إلى التحالف وأعلنت في نوفمبر 2018 أن سياراتها في أوروبا ستكون مجهزة بمنافذ شحن CCS.133 تعد شيفروليه بولت وبي إم دبليو i3 من بين السيارات الكهربائية الشهيرة في الولايات المتحدة التي تستخدم شحن CCS. في حين أن أجهزة الشحن السريعة CCS الحالية توفر الشحن بحوالي 50 كيلووات، فإن برنامج Electrify America يتضمن شحنًا سريعًا بقدرة 350 كيلووات، والذي يمكن أن يتيح الشحن الكامل تقريبًا في أقل من 10 دقائق.

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 الشحن بحد أقصى 120 كيلووات. مثل

في يناير 2019، أدرج موقع Tesla الإلكتروني 595 موقعًا للشواحن الفائقة في الولايات المتحدة، مع 420 موقعًا إضافيًا "قريبًا". وفي مايو 2018، اقترحت Tesla أن شواحنها الفائقة قد تصل في المستقبل إلى مستويات طاقة تصل إلى 350 كيلووات.136

في بحثنا لهذا التقرير، سألنا الأشخاص الذين أجريت معهم مقابلات في الولايات المتحدة عما إذا كانوا يعتبرون عدم وجود معيار وطني واحد للشحن السريع بالتيار المستمر عائقًا أمام اعتماد السيارات الكهربائية. قليلون أجابوا بالإيجاب. تشمل الأسباب التي تجعل معايير الشحن السريع المتعددة DC مشكلة ما يلي:

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

● لقد استخدمت الكثير من البنية التحتية للشحن العامة وفي أماكن العمل حتى الآن أجهزة شحن من المستوى 2.

● تتوفر محولات تسمح لأصحاب المركبات الكهربائية باستخدام معظم أجهزة الشحن السريعة التي تعمل بالتيار المستمر، حتى إذا كانت السيارة الكهربائية والشاحن يستخدمان معايير شحن مختلفة. (الاستثناء الرئيسي، شبكة تسلا للشحن الفائق، مفتوح فقط لمركبات تسلا.) والجدير بالذكر أن هناك بعض المخاوف بشأن سلامة محولات الشحن السريع.

● بما أن القابس والموصل يمثلان نسبة صغيرة من تكلفة محطة الشحن السريع، فإن هذا لا يمثل تحديًا فنيًا أو ماليًا كبيرًا لأصحاب المحطات ويمكن مقارنته بخراطيم البنزين ذات الأوكتان المختلفة في محطة التزويد بالوقود. تحتوي العديد من محطات الشحن العامة على مقابس متعددة متصلة بعمود شحن واحد، مما يسمح بشحن أي نوع من المركبات الكهربائية هناك. وفي الواقع، تتطلب العديد من الولايات القضائية هذا الأمر أو تحفزه.شحن السيارات الكهربائية في الصين والولايات المتحدة

38 | مركز سياسة الطاقة العالمية | كولومبيا سيبا

قالت بعض شركات صناعة السيارات إن شبكة الشحن الحصرية تمثل استراتيجية تنافسية. صرح كلاس براكلو، رئيس قسم التنقل الكهربائي في شركة BMW ورئيس مجلس إدارة CharIN، في عام 2018، "لقد قمنا بتأسيس CharIN لبناء مركز قوة." الرغبة في السماح لنماذج السيارات الأخرى باستخدام شبكتها بشرط أن تساهم في التمويل بما يتناسب مع الاستخدام.138 تعد Tesla أيضًا جزءًا من CharIN الذي يروج لـ CCS. في نوفمبر 2018، أعلنت أن سيارات الطراز 3 المباعة في أوروبا ستكون مجهزة بمنافذ CCS. يمكن لمالكي Tesla أيضًا شراء محولات للوصول إلى أجهزة الشحن السريعة CHAdeMO.139

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

سعة شبكة التوزيع، وتسعير وقت الاستخدام، وتدابير الاستجابة للطلب).140 تستخدم GB/T وCHAdeMO في الصين بروتوكول اتصال يعرف باسم CAN، في حين تعمل CCS مع بروتوكول PLC. أصبحت بروتوكولات الاتصالات المفتوحة، مثل بروتوكول نقطة الشحن المفتوحة (OCPP) الذي طوره تحالف الشحن المفتوح، ذات شعبية متزايدة في الولايات المتحدة وأوروبا.

في بحثنا لهذا التقرير، أشار العديد من الأشخاص الذين أجريت معهم مقابلات في الولايات المتحدة إلى التحرك نحو بروتوكولات وبرامج الاتصالات المفتوحة كأولوية سياسية. على وجه الخصوص، تم الاستشهاد ببعض مشاريع الشحن العامة التي تلقت تمويلًا بموجب قانون التعافي وإعادة الاستثمار الأمريكي (ARRA) على أنها اختارت البائعين الذين لديهم منصات ملكية واجهت لاحقًا صعوبات مالية، مما أدى إلى ترك المعدات المعطلة التي تتطلب الاستبدال.141 معظم المدن والمرافق ومحطات الشحن أعربت الشبكات التي تم الاتصال بها لهذه الدراسة عن دعمها لبروتوكولات الاتصالات المفتوحة والحوافز لتمكين مضيفي الشبكة من فرض رسوم على تبديل مقدمي الخدمة بسلاسة.142

د. التكاليف

أجهزة الشحن المنزلية أرخص في الصين منها في الولايات المتحدة. في الصين، يُباع الشاحن المنزلي المثبت على الحائط بقدرة 7 كيلووات عبر الإنترنت بسعر يتراوح بين 1200 و1800.143 يوان صيني، ويتطلب التثبيت تكلفة إضافية. (تأتي معظم مشتريات السيارات الكهربائية الخاصة مع شاحن وتركيب.) في الولايات المتحدة، تتراوح تكلفة أجهزة الشحن المنزلية من المستوى 2 بين 450 دولارًا و600 دولار، بالإضافة إلى متوسط ​​500 دولار تقريبًا للتركيب.144 تعد معدات الشحن السريع التي تعمل بالتيار المستمر أكثر تكلفة بكثير في كلا البلدين. التكاليف تختلف على نطاق واسع. قدّر أحد الخبراء الصينيين الذين تمت مقابلتهم من أجل هذا التقرير أن تركيب عمود شحن سريع بقدرة 50 كيلووات بالتيار المستمر في الصين يكلف عادةً ما بين 45000 و60000 يوان صيني، حيث يمثل عمود الشحن نفسه ما يقرب من 25000 إلى 35000 يوان صيني والكابلات والبنية التحتية تحت الأرض وحسابات العمالة. بالنسبة للباقي.145 في الولايات المتحدة، يمكن أن يكلف الشحن السريع بالتيار المستمر عشرات الآلاف من الدولارات لكل مشاركة. تشمل المتغيرات الرئيسية التي تؤثر على تكلفة تركيب معدات الشحن السريع بالتيار المستمر الحاجة إلى حفر الخنادق وتحديث المحولات والدوائر الجديدة أو المطورة واللوحات الكهربائية والترقيات الجمالية. تعد اللافتات والتصاريح والوصول للمعاقين من الاعتبارات الإضافية.146

هـ. الشحن اللاسلكي

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

كان متاحًا في التسعينيات لسيارة EV1 (سيارة كهربائية مبكرة) ولكنه نادر اليوم. تتراوح تكلفة أنظمة الشحن اللاسلكي للمركبات الكهربائية المعروضة عبر الإنترنت من 1,260 دولارًا إلى حوالي 3,000 دولار. حوالي 85%.149 توفر منتجات الشحن اللاسلكي الحالية نقل طاقة يتراوح بين 3 إلى 22 كيلووات؛ تتوفر أجهزة شحن لاسلكية للعديد من طرز المركبات الكهربائية من خلال الشحن بدون توصيل بقدرة 3.6 كيلووات أو 7.2 كيلووات، أي ما يعادل الشحن من المستوى 2.150 بينما يعتبر العديد من مستخدمي المركبات الكهربائية أن الشحن اللاسلكي لا يستحق التكلفة الإضافية،151 توقع بعض المحللين أن التكنولوجيا ستنتشر على نطاق واسع قريبًا، وأعلنت العديد من شركات صناعة السيارات أنها ستوفر الشحن اللاسلكي كخيار في السيارات الكهربائية المستقبلية. يمكن أن يكون الشحن اللاسلكي جذابًا لبعض المركبات ذات الطرق المحددة، مثل الحافلات العامة، كما تم اقتراحه أيضًا لخطوط الطرق السريعة الكهربائية في المستقبل، على الرغم من أن التكلفة العالية، وانخفاض كفاءة الشحن، وسرعات الشحن البطيئة ستكون من العيوب.152

واو - تبديل البطارية

بفضل تقنية تبديل البطاريات، يمكن للسيارات الكهربائية استبدال بطارياتها المستنفدة ببطاريات أخرى مشحونة بالكامل. وهذا من شأنه أن يقلل بشكل كبير من الوقت اللازم لإعادة شحن السيارة الكهربائية، مع فوائد محتملة كبيرة للسائقين.

وتقوم العديد من المدن والشركات الصينية حاليًا بتجربة تبديل البطاريات، مع التركيز على أسطول المركبات الكهربائية عالية الاستخدام، مثل سيارات الأجرة. قامت مدينة هانغتشو بنشر تقنية تبديل البطاريات لأسطول سيارات الأجرة الخاص بها، والذي يستخدم سيارات Zotye EVs المصنوعة محليًا. وقد قامت بكين ببناء العديد من محطات تبديل البطاريات في جهد تدعمه شركة صناعة السيارات المحلية BAIC. في أواخر عام 2017، أعلنت بايك عن خطة لبناء 3000 محطة تبديل على مستوى البلاد بحلول عام 2021.156 تخطط شركة NIO الصينية الناشئة للمركبات الكهربائية لاعتماد تقنية مبادلة البطاريات لبعض مركباتها وأعلنت أنها ستبني 1100 محطة تبديل في الصين.157 عدة مدن في الصين - بما في ذلك هانغتشو وتشينغداو - استخدمت أيضًا مبادلة البطاريات في الحافلات

في الولايات المتحدة، تلاشت مناقشة مبادلة البطاريات في أعقاب إفلاس الشركة الإسرائيلية الناشئة في مجال مبادلة البطاريات، Project Better Place، في عام 2013، والتي خططت لإنشاء شبكة من محطات مبادلة سيارات الركاب. وفي عام 2015، تخلت شركة تسلا عن خططها لمحطات المبادلة بعد بناء محطة واحدة فقط. منشأة مظاهرة، وإلقاء اللوم على عدم اهتمام المستهلك. هناك عدد قليل، إن وجد، من التجارب الجارية فيما يتعلق بتبديل البطاريات في الولايات المتحدة اليوم.154 من المحتمل أن يكون الانخفاض في تكاليف البطاريات، وربما بدرجة أقل نشر البنية التحتية للشحن السريع بالتيار المستمر، قد أدى إلى تقليل جاذبية تبديل البطاريات في الولايات المتحدة. الولايات المتحدة.

في حين أن تبديل البطارية يوفر العديد من المزايا، إلا أن له عيوبًا ملحوظة أيضًا. تعتبر بطارية السيارة الكهربائية ثقيلة الوزن وتقع عادة في الجزء السفلي من السيارة، وتشكل مكونًا هيكليًا متكاملاً مع الحد الأدنى من التفاوتات الهندسية للمحاذاة والتوصيلات الكهربائية. تتطلب بطاريات اليوم عادةً تبريدًا، ومن الصعب توصيل أنظمة التبريد وفصلها.159 نظرًا لحجمها ووزنها، يجب أن تكون أنظمة البطاريات مناسبة تمامًا لتجنب القعقعة وتقليل التآكل وإبقاء السيارة في المنتصف. تعمل بنية بطارية لوح التزلج الشائعة في السيارات الكهربائية اليوم على تحسين السلامة من خلال خفض مركز وزن السيارة وتحسين الحماية من الاصطدام في الأمام والخلف. البطاريات القابلة للإزالة الموجودة في صندوق السيارة أو في أي مكان آخر قد تفتقر إلى هذه الميزة. نظرًا لأن معظم أصحاب المركبات يتقاضون رسومًا بشكل رئيسي في المنزل أوشحن السيارات الكهربائية في الصين والولايات المتحدةفي العمل، لن يؤدي تبديل البطارية بالضرورة إلى حل مشكلات البنية التحتية للشحن، بل سيساعد فقط في معالجة الشحن العام والمدى. ولأن معظم شركات صناعة السيارات غير راغبة في توحيد حزم البطاريات أو التصميمات - فقد تم تصميم السيارات حول بطارياتها ومحركاتها، مما يجعل ذلك قيمة ملكية رئيسية160 - قد يتطلب تبديل البطاريات شبكة محطات تبديل منفصلة لكل شركة سيارات أو معدات مبادلة منفصلة لنماذج مختلفة و أحجام المركبات. على الرغم من اقتراح شاحنات تبديل البطاريات المتنقلة،161 إلا أن نموذج العمل هذا لم يتم تنفيذه بعد.