Tecnologías de cargadores EV

Las tecnologías de carga de vehículos eléctricos en China y Estados Unidos son, en términos generales, similares. En ambos países, los cables y enchufes son la tecnología abrumadoramente dominante para cargar vehículos eléctricos. (La carga inalámbrica y el intercambio de baterías tienen como mucho una presencia menor). Existen diferencias entre los dos países con respecto a los niveles de carga, los estándares de carga y los protocolos de comunicaciones. Estas similitudes y diferencias se analizan a continuación.

A. Niveles de carga

En los Estados Unidos, una gran parte de la carga de vehículos eléctricos se realiza a 120 voltios utilizando enchufes de pared domésticos no modificados. Esto se conoce generalmente como carga de Nivel 1 o “lenta”. Con la carga de Nivel 1, una batería típica de 30 kWh tarda aproximadamente 12 horas en pasar del 20 % a una carga casi completa. (No hay enchufes de 120 voltios en China).

Tanto en China como en Estados Unidos, una gran parte de la carga de los vehículos eléctricos se realiza a 220 voltios (China) o 240 voltios (Estados Unidos). En Estados Unidos, esto se conoce como carga de Nivel 2.

Esta carga puede realizarse con tomas de corriente no modificadas o con equipos de carga de vehículos eléctricos especializados y, por lo general, utiliza entre 6 y 7 kW de potencia. Cuando se carga a 220-240 voltios, una batería típica de 30 kWh tarda aproximadamente 6 horas en pasar del 20 % a una carga casi completa.

Por último, tanto China como Estados Unidos cuentan con redes cada vez mayores de cargadores rápidos de CC, que suelen utilizar 24 kW, 50 kW, 100 kW o 120 kW de potencia. Algunas estaciones pueden ofrecer 350 kW o incluso 400 kW de potencia. Estos cargadores rápidos de CC pueden llevar la batería de un vehículo desde un 20% hasta una carga casi completa en tiempos que van desde aproximadamente una hora hasta tan solo 10 minutos.

Tabla 6:Niveles de carga más comunes en EE. UU.

Fuente: Departamento de Energía de EE. UU.

B. Estándares de carga

i. Porcelana

China tiene un estándar de carga rápida para vehículos eléctricos a nivel nacional. Estados Unidos tiene tres estándares de carga rápida para vehículos eléctricos.

El estándar chino se conoce como China GB/T. (Las inicialesGBRepresenta el estándar nacional.)

China GB/T se lanzó en 2015 después de varios años de desarrollo.124 Ahora es obligatorio para todos los vehículos eléctricos nuevos vendidos en China. Los fabricantes de automóviles internacionales, incluidos Tesla, Nissan y BMW, han adoptado el estándar GB/T para sus vehículos eléctricos vendidos en China. Actualmente, GB/T permite una carga rápida con un máximo de 237,5 kW de potencia (a 950 V y 250 amperios), aunque muchos

Los cargadores rápidos de CC chinos ofrecen una carga de 50 kW. En 2019 o 2020 se lanzará un nuevo GB/T que, según se informa, actualizará el estándar para incluir la carga de hasta 900 kW para vehículos comerciales más grandes. GB/T es un estándar exclusivo de China: los pocos vehículos eléctricos fabricados en China que se exportan al extranjero utilizan otros estándares.125

En agosto de 2018, el Consejo de Electricidad de China (CEC) anunció un memorando de entendimiento con la red CHAdeMO, con sede en Japón, para desarrollar conjuntamente la carga ultrarrápida. El objetivo es la compatibilidad entre GB/T y CHAdeMO para una carga rápida. Las dos organizaciones se asociarán para expandir el estándar a países más allá de China y Japón.126

ii. Estados Unidos

En los Estados Unidos, existen tres estándares de carga de vehículos eléctricos para carga rápida de CC: CHAdeMO, CCS SAE Combo y Tesla.

CHAdeMO fue el primer estándar de carga rápida para vehículos eléctricos, que data de 2011. Fue desarrollado por Tokio

Electric Power Company y significa “Charge to Move” (un juego de palabras en japonés).127 CHAdeMO se utiliza actualmente en los Estados Unidos en el Nissan Leaf y el Mitsubishi Outlander PHEV, que se encuentran entre los vehículos eléctricos más vendidos. El éxito del Leaf en los Estados Unidos puede deberseCARGA DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EN CHINA Y ESTADOS UNIDOS

POLÍTICA ENERGÉTICA.COLUMBIA.EDU | FEBRERO 2019 |

debido en parte al compromiso inicial de Nissan de implementar la infraestructura de carga rápida CHAdeMO en concesionarios y otras ubicaciones urbanas.128 En enero de 2019, había más de 2900 cargadores rápidos CHAdeMO en los Estados Unidos (así como más de 7400 en Japón y 7900 en Europa).129

En 2016, CHAdeMO anunció que actualizaría su estándar desde su tasa de carga inicial de 70

kW para ofrecer 150 kW.130 En junio de 2018, CHAdeMO anunció la introducción de una capacidad de carga de 400 kW, utilizando cables refrigerados por líquido de 1000 V y 400 amperios. La carga más alta estará disponible para satisfacer las necesidades de vehículos comerciales grandes, como camiones y autobuses.131

Un segundo estándar de carga en los Estados Unidos se conoce como CCS o SAE Combo. Fue lanzado en 2011 por un grupo de fabricantes de automóviles europeos y estadounidenses. la palabracombinaciónindica que el enchufe contiene carga de CA (hasta 43 kW) y carga de CC.132 En

En Alemania, se formó la coalición Charging Interface Initiative (CharIN) para abogar por la adopción generalizada de CCS. A diferencia de CHAdeMO, un enchufe CCS permite la carga de CC y CA con un solo puerto, lo que reduce el espacio y las aberturas necesarias en la carrocería del vehículo. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA y Hyundai apoyan el CCS. Tesla también se unió a la coalición y en noviembre de 2018 anunció que sus vehículos en Europa estarían equipados con puertos de carga CCS.133 El Chevrolet Bolt y el BMW i3 se encuentran entre los vehículos eléctricos populares en los Estados Unidos que utilizan carga CCS. Si bien los cargadores rápidos CCS actuales ofrecen una carga de alrededor de 50 kW, el programa Electrify America incluye una carga rápida de 350 kW, lo que podría permitir una carga casi completa en tan solo 10 minutos.

El tercer estándar de carga en Estados Unidos es operado por Tesla, que lanzó su propia red Supercharger en Estados Unidos en septiembre de 2012.134 Tesla

Los sobrealimentadores suelen funcionar a 480 voltios y ofrecen una carga a un máximo de 120 kW. Como

En enero de 2019, el sitio web de Tesla enumeraba 595 ubicaciones de Superchargers en los Estados Unidos, con 420 ubicaciones adicionales “próximamente”. 135 En mayo de 2018, Tesla sugirió que en el futuro sus Superchargers podrían alcanzar niveles de potencia de hasta 350 kW.136

En nuestra investigación para este informe, preguntamos a los entrevistados estadounidenses si consideraban que la falta de un estándar nacional único para la carga rápida de CC era una barrera para la adopción de vehículos eléctricos. Pocos respondieron afirmativamente. Las razones por las que múltiples estándares de carga rápida de CC no se consideran un problema incluyen:

● La mayor parte de la carga de vehículos eléctricos se realiza en casa y en el trabajo, con cargadores de nivel 1 y 2.

● Gran parte de la infraestructura de carga pública y laboral hasta la fecha ha utilizado cargadores de Nivel 2.

● Hay adaptadores disponibles que permiten a los propietarios de vehículos eléctricos utilizar la mayoría de los cargadores rápidos de CC, incluso si el vehículo eléctrico y el cargador utilizan estándares de carga diferentes. (La principal excepción, la red de sobrealimentación de Tesla, sólo está abierta a los vehículos Tesla). En particular, existen algunas preocupaciones sobre la seguridad de los adaptadores de carga rápida.

● Dado que el enchufe y el conector representan un pequeño porcentaje del costo de una estación de carga rápida, esto presenta pocos desafíos técnicos o financieros para los propietarios de las estaciones y podría compararse con las mangueras para gasolinas de diferentes octanos en una estación de servicio. Muchas estaciones de carga públicas tienen varios enchufes conectados a un solo poste de carga, lo que permite cargar allí cualquier tipo de vehículo eléctrico. De hecho, muchas jurisdicciones exigen o incentivan esto.CARGA DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EN CHINA Y ESTADOS UNIDOS

38 | CENTRO DE POLÍTICA ENERGÉTICA MUNDIAL | COLUMBIA SIPA

Algunos fabricantes de automóviles han dicho que una red de carga exclusiva representa una estrategia competitiva. Claas Bracklo, director de electromovilidad de BMW y presidente de CharIN, declaró en 2018: “Hemos fundado CharIN para construir una posición de poder”. 137 Muchos propietarios e inversores de Tesla consideran que su red patentada de sobrealimentadores es un punto de venta, aunque Tesla continúa expresando voluntad de permitir que otros modelos de automóviles utilicen su red siempre que contribuyan con una financiación proporcional al uso.138 Tesla también forma parte de CharIN que promueve la CAC. En noviembre de 2018, anunció que los coches Modelo 3 vendidos en Europa vendrían equipados con puertos CCS. Los propietarios de Tesla también pueden comprar adaptadores para acceder a los cargadores rápidos CHAdeMO.139

C. Protocolos de comunicación de carga Los protocolos de comunicación de carga son necesarios para optimizar la carga según las necesidades del usuario (para detectar el estado de carga, el voltaje de la batería y la seguridad) y para la red (incluido

capacidad de la red de distribución, fijación de precios por tiempo de uso y medidas de respuesta a la demanda).140 China GB/T y CHAdeMO utilizan un protocolo de comunicación conocido como CAN, mientras que CCS funciona con el protocolo PLC. Los protocolos de comunicaciones abiertos, como el Protocolo de punto de carga abierto (OCPP) desarrollado por Open Charging Alliance, se están volviendo cada vez más populares en Estados Unidos y Europa.

En nuestra investigación para este informe, varios entrevistados estadounidenses citaron el avance hacia protocolos y software de comunicaciones abiertos como una prioridad política. En particular, se citó que algunos proyectos de carga pública que recibieron financiación en virtud de la Ley Estadounidense de Recuperación y Reinversión (ARRA) habían elegido proveedores con plataformas patentadas que posteriormente experimentaron dificultades financieras, dejando equipos rotos que requirieron reemplazo.141 La mayoría de las ciudades, servicios públicos y centros de carga Las redes contactadas para este estudio expresaron su apoyo a los protocolos de comunicación abiertos y a los incentivos para permitir que los hosts de las redes de carga cambien de proveedor sin problemas.142

D. Costos

Los cargadores domésticos son más baratos en China que en Estados Unidos. En China, un cargador doméstico típico de pared de 7 kW se vende en línea por entre 1200 RMB y 1800 RMB.143 La instalación requiere un costo adicional. (La mayoría de las compras privadas de vehículos eléctricos incluyen el cargador y la instalación). En los Estados Unidos, los cargadores domésticos de nivel 2 cuestan entre $450 y $600, más un promedio de aproximadamente $500 por la instalación.144 El equipo de carga rápida de CC es significativamente más caro en ambos países. Los costos varían ampliamente. Un experto chino entrevistado para este informe estimó que la instalación de un puesto de carga rápida de CC de 50 kW en China suele costar entre 45.000 y 60.000 RMB, y el puesto de carga en sí representa aproximadamente entre 25.000 y 35.000 RMB, además del cableado, la infraestructura subterránea y la contabilidad de la mano de obra. para el resto.145 En Estados Unidos, la carga rápida de CC puede costar decenas de miles de dólares por puesto. Las principales variables que afectan el costo de instalación de equipos de carga rápida de CC incluyen la necesidad de zanjas, actualizaciones de transformadores, circuitos y paneles eléctricos nuevos o mejorados y mejoras estéticas. La señalización, los permisos y el acceso para discapacitados son consideraciones adicionales.146

E. Carga inalámbrica

La carga inalámbrica ofrece varias ventajas, entre ellas la estética, el ahorro de tiempo y la facilidad de uso.

Estaba disponible en la década de 1990 para el EV1 (uno de los primeros automóviles eléctricos), pero hoy en día es poco común.147 Los sistemas de carga inalámbricos para vehículos eléctricos que se ofrecen en línea tienen un costo que oscila entre $1260 y alrededor de $3000.148 La carga inalámbrica para vehículos eléctricos conlleva una penalización en la eficiencia, y los sistemas actuales ofrecen una eficiencia de carga de alrededor del 85%.149 Los productos de carga inalámbrica actuales ofrecen una transferencia de energía de 3 a 22 kW; Hay cargadores inalámbricos disponibles para varios modelos de vehículos eléctricos con carga sin enchufe de 3,6 kW o 7,2 kW, equivalente a la carga de nivel 2.150 Si bien muchos usuarios de vehículos eléctricos consideran que la carga inalámbrica no vale la pena el costo adicional,151 algunos analistas han pronosticado que la tecnología pronto se generalizará. y varios fabricantes de automóviles han anunciado que ofrecerán carga inalámbrica como opción en futuros vehículos eléctricos. La carga inalámbrica podría ser atractiva para ciertos vehículos con rutas definidas, como los autobuses públicos, y también se ha propuesto para futuros carriles eléctricos de autopistas, aunque el alto costo, la baja eficiencia de carga y las bajas velocidades de carga serían desventajas.152

F. Cambio de batería

Con la tecnología de intercambio de baterías, los vehículos eléctricos podrían cambiar sus baterías agotadas por otras que estén completamente cargadas. Esto acortaría drásticamente el tiempo necesario para recargar un vehículo eléctrico, con importantes beneficios potenciales para los conductores.

Varias ciudades y empresas chinas están experimentando actualmente con el intercambio de baterías, centrándose en flotas de vehículos eléctricos de alta utilización, como los taxis. La ciudad de Hangzhou ha implementado el intercambio de baterías para su flota de taxis, que utiliza vehículos eléctricos Zotye fabricados localmente.155 Beijing ha construido varias estaciones de intercambio de baterías en un esfuerzo apoyado por el fabricante de automóviles local BAIC. A finales de 2017, BAIC anunció un plan para construir 3.000 estaciones de intercambio en todo el país para 2021.156 La startup china de vehículos eléctricos NIO planea adoptar tecnología de intercambio de baterías para algunos de sus vehículos y anunció que construiría 1.100 estaciones de intercambio en China.157 Varias ciudades de China: incluidos Hangzhou y Qingdao—también han utilizado el intercambio de baterías para autobuses.158

En Estados Unidos, el debate sobre el intercambio de baterías se desvaneció tras la quiebra en 2013 de la startup israelí de intercambio de baterías Project Better Place, que había planeado una red de estaciones de intercambio para automóviles de pasajeros.153 En 2015, Tesla abandonó sus planes de estaciones de intercambio después de construir solo una. instalación de demostración, achacándola a la falta de interés de los consumidores. Hoy en día hay pocos experimentos en marcha, si es que hay alguno, con respecto al intercambio de baterías en los Estados Unidos.154 La disminución de los costos de las baterías, y quizás en menor medida el despliegue de infraestructura de carga rápida de CC, probablemente hayan reducido el atractivo del intercambio de baterías en los Estados Unidos. Estados Unidos.

Si bien el cambio de batería ofrece varias ventajas, también tiene desventajas notables. La batería de un vehículo eléctrico es pesada y normalmente está ubicada en la parte inferior del vehículo, formando un componente estructural integral con tolerancias de ingeniería mínimas para la alineación y las conexiones eléctricas. Las baterías actuales generalmente requieren refrigeración, y conectar y desconectar los sistemas de refrigeración es difícil.159 Dado su tamaño y peso, los sistemas de baterías deben encajar perfectamente para evitar ruidos, reducir el desgaste y mantener el vehículo centrado. La arquitectura de batería de monopatín, común en los vehículos eléctricos actuales, mejora la seguridad al reducir el centro de peso del vehículo y mejorar la protección contra choques en la parte delantera y trasera. Las baterías extraíbles ubicadas en el maletero o en otro lugar carecerían de esta ventaja. Dado que la mayoría de los propietarios de vehículos cobran principalmente en casa oCARGA DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EN CHINA Y ESTADOS UNIDOSEn el trabajo, el cambio de baterías no necesariamente resolvería los problemas de la infraestructura de carga; solo ayudaría a abordar la carga y el alcance públicos. Y como la mayoría de los fabricantes de automóviles no están dispuestos a estandarizar los diseños o los paquetes de baterías (los automóviles se diseñan en función de sus baterías y motores, lo que lo convierte en un valor patentado clave160), el intercambio de baterías puede requerir una red de estaciones de intercambio separada para cada compañía automovilística o equipos de intercambio separados para diferentes modelos y tamaños de vehículos. Aunque se han propuesto camiones móviles de intercambio de baterías,161 este modelo de negocio aún no se ha implementado.