Ev-Ladetechnologien

Die Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge in China und den Vereinigten Staaten sind weitgehend ähnlich. In beiden Ländern sind Kabel und Stecker die überwiegende Technologie zum Laden von Elektrofahrzeugen. (Kabelloses Laden und Batteriewechsel sind höchstens in geringem Umfang vertreten.) Es gibt Unterschiede zwischen den beiden Ländern hinsichtlich der Ladestufen, Ladestandards und Kommunikationsprotokolle. Diese Ähnlichkeiten und Unterschiede werden im Folgenden erörtert.

A. Ladestufen

In den Vereinigten Staaten erfolgt das Laden von Elektrofahrzeugen größtenteils bei 120 Volt an unveränderten Haushaltssteckdosen. Dies wird allgemein als Stufe 1 oder „Erhaltungsladung“ bezeichnet. Beim Laden der Stufe 1 benötigt eine typische 30-kWh-Batterie ungefähr 12 Stunden, um von 20 % auf eine nahezu vollständige Ladung zu gelangen. (In China gibt es keine 120-Volt-Steckdosen.)

Sowohl in China als auch in den Vereinigten Staaten erfolgt das Laden von Elektrofahrzeugen größtenteils bei 220 Volt (China) oder 240 Volt (USA). In den Vereinigten Staaten wird dies als Level-2-Aufladung bezeichnet.

Ein solcher Ladevorgang kann über unveränderte Steckdosen oder spezielle Ladegeräte für Elektrofahrzeuge erfolgen und verbraucht typischerweise etwa 6–7 kW Leistung. Beim Laden mit 220–240 Volt benötigt eine typische 30-kWh-Batterie etwa 6 Stunden, um von 20 % auf eine nahezu vollständige Ladung zu gelangen.

Schließlich verfügen sowohl China als auch die Vereinigten Staaten über wachsende Netzwerke von Gleichstrom-Schnellladegeräten, die üblicherweise eine Leistung von 24 kW, 50 kW, 100 kW oder 120 kW verbrauchen. Einige Stationen bieten möglicherweise eine Leistung von 350 kW oder sogar 400 kW. Diese Gleichstrom-Schnellladegeräte können eine Fahrzeugbatterie in Zeiten von etwa einer Stunde bis zu nur 10 Minuten von 20 % auf nahezu volle Ladung bringen.

Tabelle 6:Die häufigsten Ladestufen in den USA

Quelle: US-Energieministerium

B. Ladestandards

ich. China

China hat einen landesweiten Standard für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen. In den USA gibt es drei Standards für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen.

Der chinesische Standard ist als China GB/T bekannt. (Die InitialenGBstehen für nationalen Standard.)

China GB/T wurde 2015 nach mehrjähriger Entwicklungszeit veröffentlicht.124 Es ist nun für alle in China verkauften neuen Elektrofahrzeuge obligatorisch. Internationale Automobilhersteller, darunter Tesla, Nissan und BMW, haben den GB/T-Standard für ihre in China verkauften Elektrofahrzeuge übernommen. GB/T erlaubt derzeit Schnellladen mit maximal 237,5 kW Leistung (bei 950 V und 250 Ampere), allerdings viele

Chinesische DC-Schnellladegeräte bieten 50-kW-Ladeleistung. 2019 oder 2020 soll ein neuer GB/T auf den Markt kommen, der Berichten zufolge den Standard um das Laden von bis zu 900 kW für größere Nutzfahrzeuge erweitern wird. GB/T ist ein nur für China gültiger Standard: Die wenigen in China hergestellten Elektrofahrzeuge, die ins Ausland exportiert werden, verwenden andere Standards.125

Im August 2018 kündigte der China Electricity Council (CEC) eine Absichtserklärung mit dem in Japan ansässigen CHAdeMO-Netzwerk an, um gemeinsam ultraschnelles Laden zu entwickeln. Ziel ist die Kompatibilität zwischen GB/T und CHAdeMO für schnelles Laden. Die beiden Organisationen werden zusammenarbeiten, um den Standard auf Länder außerhalb von China und Japan auszuweiten.126

ii. Vereinigte Staaten

In den Vereinigten Staaten gibt es drei EV-Ladestandards für das Gleichstrom-Schnellladen: CHAdeMO, CCS SAE Combo und Tesla.

CHAdeMO war der erste Schnellladestandard für Elektrofahrzeuge aus dem Jahr 2011. Er wurde von Tokio entwickelt

Electric Power Company und steht für „Charge to Move“ (ein Wortspiel auf Japanisch).127 CHAdeMO wird derzeit in den USA im Nissan Leaf und Mitsubishi Outlander PHEV eingesetzt, die zu den meistverkauften Elektrofahrzeugen gehören. Der Erfolg des Leaf in den Vereinigten Staaten könnte seinLADEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN IN CHINA UND DEN VEREINIGTEN STAATEN

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | FEBRUAR 2019 |

Dies ist zum Teil auf Nissans frühes Engagement zurückzuführen, die CHAdeMO-Schnellladeinfrastruktur bei Händlern und anderen städtischen Standorten einzuführen.128 Im Januar 2019 gab es in den Vereinigten Staaten über 2.900 CHAdeMO-Schnellladegeräte (sowie mehr als 7.400 in Japan und 7.900). in Europa).129

Im Jahr 2016 kündigte CHAdeMO an, seinen Standard von der anfänglichen Laderate von 70 zu erhöhen

kW soll 150 kW anbieten.130 Im Juni 2018 kündigte CHAdeMO die Einführung einer 400-kW-Ladefähigkeit mit flüssigkeitsgekühlten 1.000-V- und 400-Ampere-Kabeln an. Die höhere Aufladung wird verfügbar sein, um den Bedarf großer Nutzfahrzeuge wie Lastkraftwagen und Busse zu decken.131

Ein zweiter Ladestandard ist in den USA als CCS oder SAE Combo bekannt. Es wurde 2011 von einer Gruppe europäischer und US-amerikanischer Autohersteller herausgebracht. Das WortCombozeigt an, dass der Stecker sowohl AC-Laden (bis zu 43 kW) als auch DC-Laden ermöglicht.132 In

In Deutschland wurde die Koalition Charging Interface Initiative (CharIN) gegründet, um sich für die flächendeckende Einführung von CCS einzusetzen. Im Gegensatz zu CHAdeMO ermöglicht ein CCS-Stecker das Gleich- und Wechselstromladen über einen einzigen Anschluss, wodurch der Platzbedarf und die Öffnungen an der Fahrzeugkarosserie reduziert werden. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA und Hyundai unterstützen CCS. Auch Tesla ist der Koalition beigetreten und hat im November 2018 angekündigt, dass seine Fahrzeuge in Europa mit CCS-Ladeanschlüssen ausgestattet sein werden.133 Der Chevrolet Bolt und der BMW i3 gehören zu den beliebten Elektrofahrzeugen in den USA, die CCS-Ladeanschlüsse nutzen. Während aktuelle CCS-Schnellladegeräte eine Ladung mit rund 50 kW bieten, umfasst das Programm von Electrify America eine Schnellladung mit 350 kW, die eine nahezu vollständige Ladung in nur 10 Minuten ermöglichen könnte.

Der dritte Ladestandard in den Vereinigten Staaten wird von Tesla betrieben, das im September 2012 sein eigenes Supercharger-Netzwerk in den Vereinigten Staaten startete.134 Tesla

Supercharger arbeiten typischerweise mit 480 Volt und bieten eine Ladung mit maximal 120 kW. Als

Im Januar 2019 listete die Tesla-Website 595 Supercharger-Standorte in den Vereinigten Staaten auf, weitere 420 Standorte folgen „bald“.135 Im Mai 2018 deutete Tesla an, dass seine Supercharger in Zukunft eine Leistung von bis zu 350 kW erreichen könnten.136

Bei unserer Recherche für diesen Bericht haben wir US-amerikanische Befragte gefragt, ob sie das Fehlen eines einheitlichen nationalen Standards für Gleichstrom-Schnellladen als Hindernis für die Einführung von Elektrofahrzeugen betrachten. Nur wenige antworteten mit Ja. Gründe dafür, dass mehrere Gleichstrom-Schnellladestandards kein Problem darstellen, sind unter anderem:

● Die meisten Elektrofahrzeuge werden zu Hause und am Arbeitsplatz mit Ladegeräten der Stufen 1 und 2 aufgeladen.

● Ein Großteil der öffentlichen Ladeinfrastruktur und der Ladeinfrastruktur am Arbeitsplatz verwendet bisher Ladegeräte der Stufe 2.

● Es sind Adapter erhältlich, die es Besitzern von Elektrofahrzeugen ermöglichen, die meisten Gleichstrom-Schnellladegeräte zu verwenden, auch wenn das Elektrofahrzeug und das Ladegerät unterschiedliche Ladestandards verwenden. (Die wichtigste Ausnahme, das Tesla-Supercharger-Netzwerk, steht nur Tesla-Fahrzeugen offen.) Insbesondere gibt es einige Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Schnellladeadaptern.

● Da der Stecker und die Verbindung nur einen kleinen Prozentsatz der Kosten einer Schnellladestation ausmachen, stellt dies für die Stationsbesitzer kaum eine technische oder finanzielle Herausforderung dar und könnte mit den Schläuchen für Benzine mit unterschiedlicher Oktanzahl an einer Tankstelle verglichen werden. Viele öffentliche Ladestationen verfügen über mehrere Stecker, die an einer einzigen Ladesäule angebracht sind, sodass jede Art von Elektrofahrzeugen dort aufgeladen werden kann. Tatsächlich verlangen oder fördern viele Gerichtsbarkeiten dies.LADEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN IN CHINA UND DEN VEREINIGTEN STAATEN

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Einige Autohersteller haben gesagt, dass ein exklusives Ladenetzwerk eine Wettbewerbsstrategie darstellt. Claas Bracklo, Leiter Elektromobilität bei BMW und Vorsitzender von CharIN, erklärte 2018: „Wir haben CharIN gegründet, um eine Machtposition aufzubauen.“137 Viele Tesla-Besitzer und -Investoren betrachten das proprietäre Supercharger-Netzwerk als Verkaufsargument, obwohl Tesla dies weiterhin zum Ausdruck bringt Bereitschaft, anderen Automodellen die Nutzung seines Netzwerks zu gestatten, sofern sie proportional zur Nutzung einen Beitrag leisten.138 Tesla ist auch Teil von CharIN, das CCS fördert. Im November 2018 kündigte das Unternehmen an, dass in Europa verkaufte Fahrzeuge des Modells 3 mit CCS-Anschlüssen ausgestattet sein würden. Tesla-Besitzer können auch Adapter erwerben, um auf CHAdeMO-Schnellladegeräte zuzugreifen.139

C. Ladekommunikationsprotokolle Ladekommunikationsprotokolle sind notwendig, um das Laden für die Bedürfnisse des Benutzers (zur Erkennung von Ladezustand, Batteriespannung und Sicherheit) und für das Netz (einschließlich) zu optimieren

Verteilungsnetzkapazität, Time-of-Use-Preise und Demand-Response-Maßnahmen).140 China GB/T und CHAdeMO verwenden ein Kommunikationsprotokoll namens CAN, während CCS mit dem PLC-Protokoll arbeitet. Offene Kommunikationsprotokolle wie das von der Open Charging Alliance entwickelte Open Charge Point Protocol (OCPP) erfreuen sich in den USA und Europa immer größerer Beliebtheit.

In unserer Recherche für diesen Bericht nannten mehrere US-Befragte den Übergang zu offenen Kommunikationsprotokollen und Software als politische Priorität. Insbesondere wurden bei einigen öffentlichen Ladeprojekten, die im Rahmen des American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) gefördert wurden, Anbieter mit proprietären Plattformen ausgewählt, die daraufhin in finanzielle Schwierigkeiten gerieten und defekte Geräte zurückließen, die ausgetauscht werden mussten.141 Die meisten Städte, Versorgungsunternehmen und Ladestationen Die für diese Studie kontaktierten Netzwerke äußerten ihre Unterstützung für offene Kommunikationsprotokolle und Anreize, um Ladenetzwerk-Hosts einen nahtlosen Anbieterwechsel zu ermöglichen.142

D. Kosten

Heimladegeräte sind in China günstiger als in den USA. In China kostet ein typisches 7-kW-Wandladegerät für zu Hause online zwischen 1.200 und 1.800 RMB.143 Für die Installation fallen zusätzliche Kosten an. (Bei den meisten privaten Elektrofahrzeugkäufen sind Ladegerät und Installation inbegriffen.) In den Vereinigten Staaten kosten Heimladegeräte der Stufe 2 zwischen 450 und 600 US-Dollar, zuzüglich durchschnittlich etwa 500 US-Dollar für die Installation.144 Gleichstrom-Schnellladegeräte sind in den USA deutlich teurer beide Länder. Die Kosten variieren stark. Ein für diesen Bericht befragter chinesischer Experte schätzte, dass die Installation einer 50-kW-Gleichstrom-Schnellladesäule in China in der Regel zwischen 45.000 und 60.000 RMB kostet, wobei die Ladesäule selbst etwa 25.000 bis 35.000 RMB ausmacht, zuzüglich Verkabelung, unterirdischer Infrastruktur und Arbeitskosten für den Rest.145 In den Vereinigten Staaten kann das DC-Schnellladen Zehntausende Dollar pro Post kosten. Zu den wichtigsten Variablen, die sich auf die Kosten für die Installation von Gleichstrom-Schnellladegeräten auswirken, gehören die Notwendigkeit von Grabenaushubarbeiten, Transformator-Upgrades, neuen oder modernisierten Stromkreisen und Schalttafeln sowie ästhetische Verbesserungen. Beschilderung, Genehmigungen und Zugang für Behinderte sind weitere Überlegungen.146

E. Kabelloses Laden

Das kabellose Laden bietet mehrere Vorteile, darunter Ästhetik, Zeitersparnis und Benutzerfreundlichkeit.

Es war in den 1990er Jahren für den EV1 (ein frühes Elektroauto) verfügbar, ist heute aber selten.147 Online angebotene drahtlose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge kosten zwischen 1.260 und etwa 3.000 US-Dollar.148 Das kabellose Laden von Elektrofahrzeugen bringt einen Effizienzverlust mit sich, wobei aktuelle Systeme eine Ladeeffizienz von ca. 85 %.149 Aktuelle kabellose Ladeprodukte bieten eine Leistungsübertragung von 3–22 kW; Für mehrere EV-Modelle sind kabellose Ladegeräte von Plugless Charge mit entweder 3,6 kW oder 7,2 kW erhältlich, was dem Laden der Stufe 2 entspricht.150 Während viele EV-Nutzer die zusätzlichen Kosten für kabelloses Laden nicht lohnen151, prognostizieren einige Analysten, dass die Technologie bald weit verbreitet sein wird. und mehrere Autohersteller haben angekündigt, dass sie kabelloses Laden als Option für künftige Elektrofahrzeuge anbieten würden. Drahtloses Laden könnte für bestimmte Fahrzeuge mit definierten Routen, wie z. B. öffentliche Busse, attraktiv sein und wurde auch für künftige elektrische Autobahnspuren vorgeschlagen, obwohl hohe Kosten, niedrige Ladeeffizienz und langsame Ladegeschwindigkeiten Nachteile wären.152

F. Batteriewechsel

Mit der Batteriewechseltechnologie könnten Elektrofahrzeuge ihre leeren Batterien gegen voll aufgeladene austauschen. Dies würde die zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs erforderliche Zeit drastisch verkürzen, was erhebliche potenzielle Vorteile für die Fahrer mit sich bringen würde.

Mehrere chinesische Städte und Unternehmen experimentieren derzeit mit dem Batteriewechsel, wobei der Schwerpunkt auf Flotten-Elektrofahrzeugen mit hoher Auslastung, wie etwa Taxis, liegt. Die Stadt Hangzhou hat den Batteriewechsel für ihre Taxiflotte eingeführt, die lokal hergestellte Zotye-Elektrofahrzeuge verwendet.155 Peking hat mit Unterstützung des lokalen Autoherstellers BAIC mehrere Batteriewechselstationen gebaut. Ende 2017 kündigte BAIC einen Plan an, bis 2021 landesweit 3.000 Wechselstationen zu bauen.156 Das chinesische Elektroauto-Startup NIO plant die Einführung der Batteriewechseltechnologie für einige seiner Fahrzeuge und kündigte an, in China 1.100 Wechselstationen zu bauen.157 Mehrere Städte in China – einschließlich Hangzhou und Qingdao – haben ebenfalls Batteriewechsel bei Bussen eingesetzt.158

In den Vereinigten Staaten verblasste die Diskussion über den Batteriewechsel nach der Insolvenz des israelischen Batteriewechsel-Startups Project Better Place im Jahr 2013, das ein Netzwerk von Wechselstationen für Personenkraftwagen geplant hatte.153 Im Jahr 2015 gab Tesla seine Pläne für Wechselstationen auf, nachdem nur eine einzige gebaut worden war Demonstrationsanlage und machte mangelndes Verbraucherinteresse dafür verantwortlich. Derzeit laufen in den Vereinigten Staaten, wenn überhaupt, nur wenige Experimente zum Batteriewechsel.154 Der Rückgang der Batteriekosten und möglicherweise in geringerem Maße der Einsatz von Gleichstrom-Schnellladeinfrastruktur haben wahrscheinlich die Attraktivität des Batteriewechsels in den Vereinigten Staaten verringert Vereinigte Staaten.

Der Batteriewechsel bietet zwar mehrere Vorteile, bringt aber auch erhebliche Nachteile mit sich. Eine Batterie für Elektrofahrzeuge ist schwer und befindet sich normalerweise am Boden des Fahrzeugs. Sie bildet eine integrale Strukturkomponente mit minimalen technischen Toleranzen für Ausrichtung und elektrische Anschlüsse. Heutige Batterien müssen in der Regel gekühlt werden, und das Anschließen und Trennen von Kühlsystemen ist schwierig.159 Aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts müssen Batteriesysteme perfekt passen, um Klappern zu vermeiden, den Verschleiß zu reduzieren und das Fahrzeug in der Mitte zu halten. Die in heutigen Elektrofahrzeugen übliche Skateboard-Batteriearchitektur verbessert die Sicherheit, indem sie den Gewichtsschwerpunkt des Fahrzeugs senkt und den Aufprallschutz vorne und hinten verbessert. Herausnehmbare Akkus im Kofferraum oder anderswo würden diesen Vorteil vermissen lassen. Da die meisten Fahrzeugbesitzer hauptsächlich zu Hause laden bzwLADEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN IN CHINA UND DEN VEREINIGTEN STAATENBei der Arbeit würde ein Batteriewechsel nicht unbedingt die Probleme mit der Ladeinfrastruktur lösen – er würde nur dazu beitragen, das öffentliche Laden und die Reichweite zu verbessern. Und da die meisten Autohersteller nicht bereit sind, Batteriepakete oder -designs zu standardisieren – Autos werden rund um ihre Batterien und Motoren entwickelt, was dies zu einem wichtigen proprietären Wert macht160 –, erfordert der Batteriewechsel möglicherweise ein separates Wechselstationsnetzwerk für jedes Autounternehmen oder separate Austauschgeräte für verschiedene Modelle und Fahrzeuggrößen. Obwohl mobile Batteriewechselfahrzeuge vorgeschlagen wurden,161 muss dieses Geschäftsmodell noch umgesetzt werden.