Công nghệ sạc xe điện

Công nghệ sạc xe điện ở Trung Quốc và Hoa Kỳ nhìn chung khá tương đồng. Ở cả hai quốc gia, dây và phích cắm là công nghệ chủ đạo để sạc xe điện. (Sạc không dây và hoán đổi pin chỉ chiếm một phần nhỏ.) Có sự khác biệt giữa hai quốc gia về mức sạc, tiêu chuẩn sạc và giao thức truyền thông. Những điểm tương đồng và khác biệt này sẽ được thảo luận dưới đây.

A. Mức sạc

Tại Hoa Kỳ, phần lớn việc sạc xe điện diễn ra ở mức điện áp 120 vôn bằng ổ cắm điện gia dụng thông thường. Phương pháp này thường được gọi là sạc Cấp độ 1 hoặc sạc "nhỏ giọt". Với sạc Cấp độ 1, một pin 30 kWh thông thường mất khoảng 12 giờ để sạc từ 20% đến gần đầy. (Ở Trung Quốc không có ổ cắm điện 120 vôn.)

Ở cả Trung Quốc và Hoa Kỳ, phần lớn xe điện được sạc ở mức 220 vôn (Trung Quốc) hoặc 240 vôn (Hoa Kỳ). Tại Hoa Kỳ, đây được gọi là sạc Cấp độ 2.

Việc sạc như vậy có thể được thực hiện bằng ổ cắm điện thông thường hoặc thiết bị sạc EV chuyên dụng và thường sử dụng khoảng 6–7 kW điện. Khi sạc ở điện áp 220–240 vôn, một pin 30 kWh thông thường mất khoảng 6 giờ để sạc từ 20% đến gần đầy.

Cuối cùng, cả Trung Quốc và Hoa Kỳ đều có mạng lưới trạm sạc nhanh DC đang phát triển, thường sử dụng công suất 24 kW, 50 kW, 100 kW hoặc 120 kW. Một số trạm có thể cung cấp công suất 350 kW hoặc thậm chí 400 kW. Các trạm sạc nhanh DC này có thể sạc pin xe từ 20% đến gần đầy trong thời gian từ khoảng một giờ đến chỉ 10 phút.

Bảng 6:Mức phí phổ biến nhất ở Hoa Kỳ

Nguồn: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ

B. Tiêu chuẩn tính phí

i. Trung Quốc

Trung Quốc có một tiêu chuẩn sạc nhanh xe điện toàn quốc. Hoa Kỳ có ba tiêu chuẩn sạc nhanh xe điện.

Tiêu chuẩn Trung Quốc được gọi là China GB/T. (Các chữ cái đầuGBđại diện cho tiêu chuẩn quốc gia.)

Tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc được ban hành vào năm 2015 sau nhiều năm phát triển.124 Hiện nay, tiêu chuẩn này là bắt buộc đối với tất cả các xe điện mới bán tại Trung Quốc. Các nhà sản xuất ô tô quốc tế, bao gồm Tesla, Nissan và BMW, đã áp dụng tiêu chuẩn GB/T cho các xe điện của họ bán tại Trung Quốc. GB/T hiện cho phép sạc nhanh ở mức công suất tối đa 237,5 kW (ở điện áp 950 V và 250 ampe), mặc dù nhiều

Bộ sạc nhanh DC của Trung Quốc cung cấp công suất sạc 50 kW. Một tiêu chuẩn GB/T mới sẽ được phát hành vào năm 2019 hoặc 2020, được cho là sẽ nâng cấp tiêu chuẩn này để bao gồm công suất sạc lên đến 900 kW cho các xe thương mại lớn hơn. GB/T là tiêu chuẩn chỉ áp dụng cho Trung Quốc: một số ít xe điện do Trung Quốc sản xuất xuất khẩu ra nước ngoài sử dụng các tiêu chuẩn khác.125

Vào tháng 8 năm 2018, Hội đồng Điện lực Trung Quốc (CEC) đã công bố biên bản ghi nhớ với mạng lưới CHAdeMO, có trụ sở tại Nhật Bản, để cùng phát triển công nghệ sạc siêu nhanh. Mục tiêu là đảm bảo tính tương thích giữa GB/T và CHAdeMO cho việc sạc nhanh. Hai tổ chức sẽ hợp tác để mở rộng tiêu chuẩn này sang các quốc gia ngoài Trung Quốc và Nhật Bản.126

ii. Hoa Kỳ

Tại Hoa Kỳ, có ba tiêu chuẩn sạc EV cho sạc nhanh DC: CHAdeMO, CCS SAE Combo và Tesla.

CHAdeMO là tiêu chuẩn sạc nhanh EV đầu tiên, có từ năm 2011. Nó được phát triển bởi Tokyo

Công ty Điện lực và là viết tắt của “Charge to Move” (một cách chơi chữ trong tiếng Nhật).127 CHAdeMO hiện đang được sử dụng tại Hoa Kỳ trên Nissan Leaf và Mitsubishi Outlander PHEV, một trong những mẫu xe điện bán chạy nhất. Thành công của Leaf tại Hoa Kỳ có thể làSẠC XE ĐIỆN TẠI TRUNG QUỐC VÀ HOA KỲ

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | THÁNG 2 NĂM 2019 |

một phần là do Nissan đã sớm cam kết triển khai cơ sở hạ tầng sạc nhanh CHAdeMO tại các đại lý và các địa điểm đô thị khác.128 Tính đến tháng 1 năm 2019, có hơn 2.900 bộ sạc nhanh CHAdeMO tại Hoa Kỳ (cũng như hơn 7.400 bộ sạc tại Nhật Bản và 7.900 bộ sạc tại Châu Âu).129

Vào năm 2016, CHAdeMO đã thông báo rằng họ sẽ nâng cấp tiêu chuẩn của mình từ mức sạc ban đầu là 70

kW cung cấp 150 kW.130 Vào tháng 6 năm 2018, CHAdeMO đã công bố việc giới thiệu khả năng sạc 400 kW, sử dụng cáp làm mát bằng chất lỏng 1.000 V, 400 amp. Khả năng sạc cao hơn sẽ đáp ứng nhu cầu của các loại xe thương mại cỡ lớn như xe tải và xe buýt.131

Tiêu chuẩn sạc thứ hai tại Hoa Kỳ được gọi là CCS hoặc SAE Combo. Tiêu chuẩn này được một nhóm các nhà sản xuất ô tô châu Âu và Hoa Kỳ đưa ra vào năm 2011. Từ này có nghĩa làkết hợpchỉ ra rằng phích cắm chứa cả sạc AC (lên đến 43 kW) và sạc DC.132 Trong

Tại Đức, liên minh Sáng kiến ​​Giao diện Sạc (CharIN) đã được thành lập để vận động áp dụng rộng rãi CCS. Không giống như CHAdeMO, phích cắm CCS cho phép sạc DC và AC bằng một cổng duy nhất, giảm không gian và khe hở cần thiết trên thân xe. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA và Hyundai hỗ trợ CCS. Tesla cũng đã tham gia liên minh và vào tháng 11 năm 2018, hãng đã công bố các xe của mình tại châu Âu sẽ được trang bị cổng sạc CCS.133 Chevrolet Bolt và BMW i3 là một trong những mẫu xe điện phổ biến tại Hoa Kỳ sử dụng công nghệ sạc CCS. Trong khi các bộ sạc nhanh CCS hiện tại chỉ cung cấp công suất sạc khoảng 50 kW, chương trình Electrify America bao gồm công suất sạc nhanh 350 kW, cho phép sạc gần đầy pin chỉ trong 10 phút.

Tiêu chuẩn sạc thứ ba tại Hoa Kỳ do Tesla vận hành, công ty đã ra mắt mạng lưới Siêu nạp điện độc quyền của riêng mình tại Hoa Kỳ vào tháng 9 năm 2012.134 Tesla

Các bộ siêu nạp thường hoạt động ở mức 480 vôn và cung cấp khả năng sạc tối đa 120 kW. Như

Vào tháng 1 năm 2019, trang web của Tesla đã liệt kê 595 địa điểm Supercharger tại Hoa Kỳ, với 420 địa điểm bổ sung "sắp ra mắt".135 Vào tháng 5 năm 2018, Tesla cho biết trong tương lai, các trạm Supercharger của hãng có thể đạt mức công suất cao tới 350 kW.136

Trong nghiên cứu cho báo cáo này, chúng tôi đã hỏi những người được phỏng vấn tại Hoa Kỳ liệu họ có coi việc thiếu một tiêu chuẩn quốc gia duy nhất cho sạc nhanh DC là một rào cản đối với việc áp dụng xe điện hay không. Rất ít người trả lời là có. Những lý do khiến nhiều tiêu chuẩn sạc nhanh DC không được coi là vấn đề bao gồm:

● Hầu hết việc sạc EV diễn ra tại nhà và nơi làm việc, với bộ sạc Cấp độ 1 và 2.

● Cho đến nay, phần lớn cơ sở hạ tầng sạc công cộng và nơi làm việc đều sử dụng bộ sạc Cấp độ 2.

● Có sẵn bộ chuyển đổi cho phép chủ sở hữu xe điện sử dụng hầu hết các bộ sạc nhanh DC, ngay cả khi xe điện và bộ sạc sử dụng các tiêu chuẩn sạc khác nhau. (Ngoại lệ chính, mạng lưới siêu nạp Tesla, chỉ dành cho xe Tesla.) Đáng chú ý, có một số lo ngại về tính an toàn của bộ chuyển đổi sạc nhanh.

● Vì phích cắm và đầu nối chỉ chiếm một phần nhỏ chi phí của một trạm sạc nhanh, nên việc này không gây ra nhiều thách thức về mặt kỹ thuật hoặc tài chính cho chủ trạm và có thể so sánh với việc sử dụng ống dẫn xăng octan khác nhau tại các trạm tiếp nhiên liệu. Nhiều trạm sạc công cộng có nhiều phích cắm được gắn vào một trụ sạc duy nhất, cho phép bất kỳ loại xe điện nào cũng có thể sạc tại đó. Thực tế, nhiều khu vực pháp lý yêu cầu hoặc khuyến khích điều này.SẠC XE ĐIỆN TẠI TRUNG QUỐC VÀ HOA KỲ

38 | TRUNG TÂM CHÍNH SÁCH NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU | COLUMBIA SIPA

Một số nhà sản xuất ô tô cho rằng một mạng lưới sạc độc quyền thể hiện một chiến lược cạnh tranh. Claas Bracklo, người đứng đầu bộ phận xe điện tại BMW và chủ tịch CharIN, đã tuyên bố vào năm 2018: "Chúng tôi thành lập CharIN để xây dựng vị thế quyền lực."137 Nhiều chủ sở hữu và nhà đầu tư Tesla coi mạng lưới siêu nạp độc quyền của công ty là một điểm bán hàng, mặc dù Tesla vẫn bày tỏ sự sẵn lòng cho phép các mẫu xe khác sử dụng mạng lưới của mình miễn là họ đóng góp kinh phí tương ứng với mức sử dụng.138 Tesla cũng là một phần của CharIN trong việc thúc đẩy CCS. Vào tháng 11 năm 2018, công ty đã công bố rằng những chiếc xe Model 3 được bán tại châu Âu sẽ được trang bị cổng CCS. Chủ sở hữu Tesla cũng có thể mua bộ chuyển đổi để truy cập bộ sạc nhanh CHAdeMO.139

C. Giao thức truyền thông sạc Giao thức truyền thông sạc là cần thiết để tối ưu hóa việc sạc cho nhu cầu của người dùng (để phát hiện trạng thái sạc, điện áp pin và an toàn) và cho lưới điện (bao gồm

(ví dụ: năng lực mạng lưới phân phối, giá theo thời gian sử dụng và các biện pháp phản ứng nhu cầu).140 GB/T và CHAdeMO của Trung Quốc sử dụng giao thức truyền thông CAN, trong khi CCS hoạt động với giao thức PLC. Các giao thức truyền thông mở, chẳng hạn như Giao thức Điểm Sạc Mở (OCPP) do Liên minh Sạc Mở phát triển, đang ngày càng phổ biến ở Hoa Kỳ và Châu Âu.

Trong nghiên cứu của chúng tôi cho báo cáo này, một số người được phỏng vấn tại Hoa Kỳ đã nêu việc chuyển sang các giao thức và phần mềm truyền thông mở là một ưu tiên chính sách. Cụ thể, một số dự án sạc công cộng được tài trợ theo Đạo luật Phục hồi và Tái đầu tư Hoa Kỳ (ARRA) được trích dẫn là đã chọn các nhà cung cấp có nền tảng độc quyền, sau đó gặp khó khăn về tài chính, để lại thiết bị hỏng hóc cần thay thế.141 Hầu hết các thành phố, đơn vị tiện ích và mạng lưới sạc được liên hệ cho nghiên cứu này đều bày tỏ sự ủng hộ đối với các giao thức truyền thông mở và các ưu đãi cho phép các máy chủ mạng lưới sạc dễ dàng chuyển đổi nhà cung cấp.142

D. Chi phí

Bộ sạc tại nhà rẻ hơn ở Trung Quốc so với ở Hoa Kỳ. Tại Trung Quốc, một bộ sạc gia đình gắn tường 7 kW thông thường được bán lẻ trực tuyến với giá từ 1.200 đến 1.800 Nhân dân tệ.143 Việc lắp đặt đòi hỏi thêm chi phí. (Hầu hết các giao dịch mua xe điện tư nhân đều bao gồm bộ sạc và lắp đặt.) Tại Hoa Kỳ, bộ sạc gia đình Cấp độ 2 có giá trong khoảng 450 đến 600 đô la, cộng với chi phí lắp đặt trung bình khoảng 500 đô la.144 Thiết bị sạc nhanh DC đắt hơn đáng kể ở cả hai quốc gia. Chi phí rất khác nhau. Một chuyên gia Trung Quốc được phỏng vấn cho báo cáo này ước tính rằng việc lắp đặt một trạm sạc nhanh DC 50 kW ở Trung Quốc thường có giá từ 45.000 đến 60.000 Nhân dân tệ, trong đó riêng trạm sạc chiếm khoảng 25.000 - 35.000 Nhân dân tệ và chi phí cáp, cơ sở hạ tầng ngầm và nhân công chiếm phần còn lại.145 ​​Tại Hoa Kỳ, sạc nhanh DC có thể tốn hàng chục nghìn đô la cho mỗi trạm. Các biến số chính ảnh hưởng đến chi phí lắp đặt thiết bị sạc nhanh DC bao gồm nhu cầu đào rãnh, nâng cấp máy biến áp, lắp đặt mạch điện và bảng điện mới hoặc đã nâng cấp, cũng như nâng cấp thẩm mỹ. Biển báo, giấy phép và lối đi cho người khuyết tật là những yếu tố cần cân nhắc thêm.146

E. Sạc không dây

Sạc không dây mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tính thẩm mỹ, tiết kiệm thời gian và dễ sử dụng.

Nó đã có sẵn vào những năm 1990 cho EV1 (một chiếc xe điện đời đầu) nhưng ngày nay rất hiếm.147 Hệ thống sạc EV không dây được cung cấp trực tuyến có giá dao động từ 1.260 đô la đến khoảng 3.000 đô la.148 Sạc EV không dây có nhược điểm về hiệu suất, với các hệ thống hiện tại cung cấp hiệu suất sạc khoảng 85%.149 Các sản phẩm sạc không dây hiện tại cung cấp khả năng truyền tải điện năng từ 3–22 kW; bộ sạc không dây có sẵn cho một số mẫu EV từ Plugless charge ở mức 3,6 kW hoặc 7,2 kW, tương đương với sạc Cấp độ 2.150 Trong khi nhiều người dùng EV cho rằng sạc không dây không đáng với chi phí bổ sung,151 một số nhà phân tích đã dự báo công nghệ này sẽ sớm trở nên phổ biến và một số nhà sản xuất ô tô đã thông báo rằng họ sẽ cung cấp sạc không dây như một tùy chọn trên các EV trong tương lai. Sạc không dây có thể hấp dẫn đối với một số loại xe có tuyến đường xác định, chẳng hạn như xe buýt công cộng và nó cũng đã được đề xuất cho các làn đường cao tốc điện trong tương lai, mặc dù chi phí cao, hiệu suất sạc thấp và tốc độ sạc chậm sẽ là những nhược điểm.152

F. Thay pin

Với công nghệ hoán đổi pin, xe điện có thể đổi pin đã cạn kiệt lấy pin mới đã được sạc đầy. Điều này sẽ rút ngắn đáng kể thời gian sạc lại xe điện, mang lại nhiều lợi ích tiềm năng cho người lái.

Một số thành phố và công ty Trung Quốc hiện đang thử nghiệm công nghệ đổi pin, tập trung vào các xe điện có tần suất sử dụng cao, chẳng hạn như taxi. Thành phố Hàng Châu đã triển khai công nghệ đổi pin cho đội xe taxi của mình, sử dụng xe điện Zotye sản xuất trong nước.155 Bắc Kinh đã xây dựng một số trạm đổi pin trong nỗ lực được hỗ trợ bởi nhà sản xuất ô tô địa phương BAIC. Cuối năm 2017, BAIC đã công bố kế hoạch xây dựng 3.000 trạm đổi pin trên toàn quốc vào năm 2021.156 Công ty khởi nghiệp xe điện Trung Quốc NIO có kế hoạch áp dụng công nghệ đổi pin cho một số loại xe của mình và tuyên bố sẽ xây dựng 1.100 trạm đổi pin tại Trung Quốc.157 Một số thành phố ở Trung Quốc—bao gồm Hàng Châu và Thanh Đảo—cũng đã áp dụng công nghệ đổi pin cho xe buýt.158

Tại Hoa Kỳ, thảo luận về việc đổi pin đã lắng xuống sau vụ phá sản năm 2013 của Project Better Place, một công ty khởi nghiệp đổi pin của Israel, công ty đã lên kế hoạch xây dựng một mạng lưới các trạm đổi pin cho xe du lịch.153 Năm 2015, Tesla đã từ bỏ kế hoạch xây dựng các trạm đổi pin sau khi chỉ xây dựng được một cơ sở trình diễn, với lý do người tiêu dùng không mấy quan tâm. Hiện nay, có rất ít, nếu không muốn nói là không có, các thử nghiệm về đổi pin đang được tiến hành tại Hoa Kỳ.154 Chi phí pin giảm, và có lẽ ở mức độ thấp hơn, việc triển khai cơ sở hạ tầng sạc nhanh DC, có thể đã làm giảm sức hấp dẫn của việc đổi pin tại Hoa Kỳ.

Mặc dù việc thay pin mang lại nhiều lợi ích, nhưng nó cũng có những nhược điểm đáng kể. Pin xe điện thường nặng và nằm ở gầm xe, tạo thành một bộ phận cấu trúc tích hợp với dung sai kỹ thuật tối thiểu cho việc căn chỉnh và kết nối điện. Pin ngày nay thường cần được làm mát, và việc kết nối và ngắt kết nối hệ thống làm mát rất khó khăn.159 Với kích thước và trọng lượng của chúng, hệ thống pin phải vừa khít để tránh rung lắc, giảm hao mòn và giữ cho xe cân bằng. Kiến trúc pin ván trượt phổ biến trên xe điện ngày nay cải thiện độ an toàn bằng cách hạ thấp trọng tâm xe và cải thiện khả năng bảo vệ khi va chạm ở phía trước và phía sau. Pin rời được đặt trong cốp xe hoặc ở nơi khác sẽ không có được lợi thế này. Vì hầu hết chủ xe chủ yếu sạc tại nhà hoặcSẠC XE ĐIỆN TẠI TRUNG QUỐC VÀ HOA KỲTrong công việc, việc hoán đổi pin không nhất thiết giải quyết được các vấn đề về cơ sở hạ tầng sạc—nó chỉ giúp giải quyết vấn đề sạc công cộng và phạm vi hoạt động. Và vì hầu hết các nhà sản xuất ô tô không muốn chuẩn hóa bộ pin hoặc thiết kế pin—ô tô được thiết kế xoay quanh pin và động cơ, khiến đây trở thành một giá trị độc quyền quan trọng160—việc hoán đổi pin có thể yêu cầu một mạng lưới trạm hoán đổi riêng cho mỗi hãng xe hoặc thiết bị hoán đổi riêng cho các mẫu xe và kích cỡ khác nhau. Mặc dù xe tải hoán đổi pin di động đã được đề xuất161, nhưng mô hình kinh doanh này vẫn chưa được triển khai.