Tecnologias de carregadores de veículos elétricos

As tecnologias de carregamento de veículos elétricos na China e nos Estados Unidos são bastante semelhantes. Em ambos os países, cabos e plugues são a tecnologia predominante para carregar veículos elétricos. (O carregamento sem fio e a troca de baterias têm, no máximo, uma presença menor.) Há diferenças entre os dois países em relação aos níveis de carregamento, padrões de carregamento e protocolos de comunicação. Essas semelhanças e diferenças são discutidas a seguir.

A. Níveis de Carregamento

Nos Estados Unidos, grande parte do carregamento de veículos elétricos ocorre a 120 volts, utilizando tomadas residenciais sem modificações. Isso é geralmente conhecido como carregamento de Nível 1 ou "de gotejamento". Com o carregamento de Nível 1, uma bateria típica de 30 kWh leva aproximadamente 12 horas para passar de 20% para uma carga quase completa. (Não há tomadas de 120 volts na China.)

Tanto na China quanto nos Estados Unidos, grande parte do carregamento de veículos elétricos ocorre em 220 volts (China) ou 240 volts (Estados Unidos). Nos Estados Unidos, isso é conhecido como carregamento de Nível 2.

Esse carregamento pode ser feito com tomadas sem modificações ou equipamentos especializados para carregamento de veículos elétricos (VEs) e normalmente consome cerca de 6 a 7 kW de energia. Ao carregar a 220–240 volts, uma bateria típica de 30 kWh leva aproximadamente 6 horas para passar de 20% para uma carga quase completa.

Por fim, tanto a China quanto os Estados Unidos têm redes crescentes de carregadores rápidos de corrente contínua (CC), comumente utilizando 24 kW, 50 kW, 100 kW ou 120 kW de potência. Algumas estações podem oferecer 350 kW ou até 400 kW de potência. Esses carregadores rápidos de CC podem levar a bateria de um veículo de 20% a uma carga quase completa em tempos que variam de aproximadamente uma hora a apenas 10 minutos.

Tabela 6:Níveis de cobrança mais comuns nos EUA

Fonte: Departamento de Energia dos EUA

B. Padrões de cobrança

eu. China

A China possui um padrão nacional de carregamento rápido para veículos elétricos. Os EUA possuem três padrões de carregamento rápido para veículos elétricos.

O padrão chinês é conhecido como China GB/T. (As iniciaisGB(Significa padrão nacional.)

O padrão GB/T chinês foi lançado em 2015 após vários anos de desenvolvimento.124 Agora é obrigatório para todos os novos veículos elétricos vendidos na China. Montadoras internacionais, incluindo Tesla, Nissan e BMW, adotaram o padrão GB/T para seus veículos elétricos vendidos na China. O GB/T atualmente permite carregamento rápido com uma potência máxima de 237,5 kW (a 950 V e 250 amperes), embora muitas

Os carregadores rápidos CC chineses oferecem carregamento de 50 kW. Um novo GB/T será lançado em 2019 ou 2020, o que supostamente atualizará o padrão para incluir carregamento de até 900 kW para veículos comerciais maiores. O GB/T é um padrão exclusivo da China: os poucos veículos elétricos fabricados na China e exportados para o exterior utilizam outros padrões.125

Em agosto de 2018, o Conselho de Eletricidade da China (CEC) anunciou um memorando de entendimento com a rede CHAdeMO, sediada no Japão, para o desenvolvimento conjunto de carregamento ultrarrápido. O objetivo é a compatibilidade entre o GB/T e o CHAdeMO para carregamento rápido. As duas organizações farão parceria para expandir o padrão para países além da China e do Japão.126

ii. Estados Unidos

Nos Estados Unidos, há três padrões de carregamento de veículos elétricos para carregamento rápido em CC: CHAdeMO, CCS SAE Combo e Tesla.

CHAdeMO foi o primeiro padrão de carregamento rápido para veículos elétricos, datado de 2011. Foi desenvolvido por Tóquio

Electric Power Company e significa “Charge to Move” (um trocadilho em japonês). 127 CHAdeMO é atualmente usado nos Estados Unidos no Nissan Leaf e no Mitsubishi Outlander PHEV, que estão entre os veículos elétricos mais vendidos. O sucesso do Leaf nos Estados Unidos pode serCARREGAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS NA CHINA E NOS ESTADOS UNIDOS

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | FEVEREIRO DE 2019 |

devido em parte ao compromisso inicial da Nissan em implementar a infraestrutura de carregamento rápido CHAdeMO em concessionárias e outros locais urbanos.128 Em janeiro de 2019, havia mais de 2.900 carregadores rápidos CHAdeMO nos Estados Unidos (bem como mais de 7.400 no Japão e 7.900 na Europa).129

Em 2016, a CHAdeMO anunciou que iria atualizar o seu padrão de tarifação inicial de 70

kW para oferecer 150 kW.130 Em junho de 2018, a CHAdeMO anunciou a introdução de uma capacidade de carregamento de 400 kW, utilizando cabos refrigerados a líquido de 1.000 V e 400 A. A capacidade de carregamento mais alta estará disponível para atender às necessidades de veículos comerciais de grande porte, como caminhões e ônibus.131

Um segundo padrão de cobrança nos Estados Unidos é conhecido como CCS ou SAE Combo. Foi lançado em 2011 por um grupo de fabricantes de automóveis europeus e americanos. A palavracombinaçãoindica que o plugue contém carregamento CA (até 43 kW) e carregamento CC.132 pol.

Na Alemanha, a coalizão Charging Interface Initiative (CharIN) foi formada para defender a ampla adoção do CCS. Ao contrário do CHAdeMO, um plugue CCS permite o carregamento CC e CA com uma única porta, reduzindo o espaço e as aberturas necessárias na carroceria do veículo. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA e Hyundai apoiam o CCS. A Tesla também aderiu à coalizão e, em novembro de 2018, anunciou que seus veículos na Europa viriam equipados com portas de carregamento CCS.133 O Chevrolet Bolt e o BMW i3 estão entre os veículos elétricos populares nos Estados Unidos que utilizam o carregamento CCS. Enquanto os carregadores rápidos CCS atuais oferecem carregamento em torno de 50 kW, o programa Electrify America inclui carregamento rápido de 350 kW, o que pode permitir uma carga quase completa em apenas 10 minutos.

O terceiro padrão de carregamento nos Estados Unidos é operado pela Tesla, que lançou sua própria rede Supercharger nos Estados Unidos em setembro de 2012.134 Tesla

Os supercarregadores normalmente operam a 480 volts e oferecem carregamento a uma potência máxima de 120 kW.

Em janeiro de 2019, o site da Tesla listou 595 locais de Superchargers nos Estados Unidos, com mais 420 locais “em breve”.135 Em maio de 2018, a Tesla sugeriu que no futuro seus Superchargers poderiam atingir níveis de potência de até 350 kW.136

Em nossa pesquisa para este relatório, perguntamos aos entrevistados nos EUA se eles consideravam a ausência de um padrão nacional único para carregamento rápido em CC uma barreira à adoção de veículos elétricos. Poucos responderam afirmativamente. Os motivos pelos quais múltiplos padrões de carregamento rápido em CC não são considerados um problema incluem:

● A maior parte do carregamento de veículos elétricos ocorre em casa e no trabalho, com carregadores de nível 1 e 2.

● Grande parte da infraestrutura de carregamento público e no local de trabalho até o momento utilizou carregadores de Nível 2.

● Há adaptadores disponíveis que permitem que os proprietários de veículos elétricos usem a maioria dos carregadores rápidos CC, mesmo que o veículo elétrico e o carregador usem padrões de carregamento diferentes. (A principal exceção, a rede de supercarregamento da Tesla, está aberta apenas para veículos Tesla.) Notavelmente, há algumas preocupações sobre a segurança dos adaptadores de carregamento rápido.

● Como o plugue e o conector representam uma pequena porcentagem do custo de um posto de carregamento rápido, isso representa pouco desafio técnico ou financeiro para os proprietários dos postos e pode ser comparado às mangueiras para diferentes octanas de gasolina em um posto de abastecimento. Muitos postos de carregamento públicos têm vários plugues conectados a um único ponto de carregamento, permitindo que qualquer tipo de veículo elétrico seja carregado ali. De fato, muitas jurisdições exigem ou incentivam isso.CARREGAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS NA CHINA E NOS ESTADOS UNIDOS

38 | CENTRO DE POLÍTICA GLOBAL DE ENERGIA | COLUMBIA SIPA

Algumas montadoras afirmam que uma rede de recarga exclusiva representa uma estratégia competitiva. Claas Bracklo, chefe de eletromobilidade da BMW e presidente da CharIN, declarou em 2018: “Fundamos a CharIN para construir uma posição de poder”. 137 Muitos proprietários e investidores da Tesla consideram sua rede proprietária de supercarregadores um ponto de venda, embora a Tesla continue a expressar disposição para permitir que outros modelos de carro utilizem sua rede, desde que contribuam com financiamento proporcional ao uso. 138 A Tesla também faz parte da CharIN, promovendo o CCS. Em novembro de 2018, anunciou que os carros Modelo 3 vendidos na Europa viriam equipados com portas CCS. Os proprietários de Tesla também podem adquirir adaptadores para acessar os carregadores rápidos CHAdeMO. 139

C. Protocolos de comunicação de carregamento Os protocolos de comunicação de carregamento são necessários para otimizar o carregamento de acordo com as necessidades do usuário (para detectar o estado de carga, a tensão da bateria e a segurança) e da rede (incluindo

capacidade da rede de distribuição, preços por tempo de uso e medidas de resposta à demanda).140 A China GB/T e a CHAdeMO utilizam um protocolo de comunicação conhecido como CAN, enquanto o CCS trabalha com o protocolo PLC. Protocolos de comunicação abertos, como o Open Charge Point Protocol (OCPP), desenvolvido pela Open Charging Alliance, estão se tornando cada vez mais populares nos Estados Unidos e na Europa.

Em nossa pesquisa para este relatório, vários entrevistados nos EUA citaram a mudança para protocolos e softwares de comunicação abertos como uma prioridade política. Em particular, alguns projetos de cobrança pública que receberam financiamento sob a Lei de Recuperação e Reinvestimento dos Estados Unidos (ARRA) foram citados como tendo escolhido fornecedores com plataformas proprietárias que posteriormente enfrentaram dificuldades financeiras, deixando equipamentos quebrados que precisaram ser substituídos.141 A maioria das cidades, concessionárias de serviços públicos e redes de cobrança contatadas para este estudo expressou apoio a protocolos de comunicação abertos e incentivos para permitir que os provedores de rede de cobrança troquem de provedor sem problemas.142

D. Custos

Carregadores domésticos são mais baratos na China do que nos Estados Unidos. Na China, um carregador doméstico típico de 7 kW montado na parede é vendido online por entre RMB 1.200 e RMB 1.800.143 A instalação requer custo adicional. (A maioria das compras privadas de VE vem com carregador e instalação incluídos.) Nos Estados Unidos, os carregadores domésticos de Nível 2 custam na faixa de US$ 450 a US$ 600, mais uma média de aproximadamente US$ 500 para instalação.144 O equipamento de carregamento rápido CC é significativamente mais caro em ambos os países. Os custos variam muito. Um especialista chinês entrevistado para este relatório estimou que a instalação de um posto de carregamento rápido CC de 50 kW na China normalmente custa entre RMB 45.000 e RMB 60.000, com o próprio posto de carregamento respondendo por aproximadamente RMB 25.000 a RMB 35.000 e cabeamento, infraestrutura subterrânea e mão de obra respondendo pelo restante.145 Nos Estados Unidos, o carregamento rápido CC pode custar dezenas de milhares de dólares por posto. As principais variáveis ​​que afetam o custo de instalação de equipamentos de carregamento rápido CC incluem a necessidade de abertura de valas, atualização de transformadores, circuitos e painéis elétricos novos ou atualizados, além de melhorias estéticas. Sinalização, autorização e acesso para deficientes são considerações adicionais.146

E. Carregamento sem fio

O carregamento sem fio oferece diversas vantagens, incluindo estética, economia de tempo e facilidade de uso.

Estava disponível na década de 1990 para o EV1 (um dos primeiros carros elétricos), mas é raro hoje. 147 Os sistemas de carregamento sem fio para VEs oferecidos on-line variam de US$ 1.260 a cerca de US$ 3.000. 148 O carregamento sem fio para VEs acarreta uma penalidade de eficiência, com os sistemas atuais oferecendo eficiência de carregamento de cerca de 85%. 149 Os produtos de carregamento sem fio atuais oferecem transferência de potência de 3 a 22 kW; carregadores sem fio disponíveis para vários modelos de VEs de Carga sem fio a 3,6 kW ou 7,2 kW, equivalente ao carregamento de Nível 2. 150 Embora muitos usuários de VEs considerem que o carregamento sem fio não vale o custo adicional, 151 alguns analistas previram que a tecnologia será amplamente difundida em breve, e várias montadoras anunciaram que ofereceriam carregamento sem fio como uma opção em futuros VEs. O carregamento sem fio pode ser atraente para certos veículos com rotas definidas, como ônibus públicos, e também foi proposto para futuras faixas de rodovias elétricas, embora o alto custo, a baixa eficiência de carregamento e as baixas velocidades de carregamento sejam desvantagens. 152

F. Troca de bateria

Com a tecnologia de troca de baterias, os veículos elétricos poderiam trocar suas baterias descarregadas por outras totalmente carregadas. Isso reduziria drasticamente o tempo necessário para recarregar um VE, com benefícios potenciais significativos para os motoristas.

Várias cidades e empresas chinesas estão atualmente experimentando a troca de baterias, com foco em veículos elétricos de frota de alta utilização, como táxis. A cidade de Hangzhou implementou a troca de baterias para sua frota de táxis, que utiliza veículos elétricos Zotye fabricados localmente.155 Pequim construiu várias estações de troca de baterias em um esforço apoiado pela montadora local BAIC. No final de 2017, a BAIC anunciou um plano para construir 3.000 estações de troca em todo o país até 2021.156 A startup chinesa de veículos elétricos NIO planeja adotar a tecnologia de troca de baterias para alguns de seus veículos e anunciou que construiria 1.100 estações de troca na China.157 Várias cidades na China — incluindo Hangzhou e Qingdao — também usaram a troca de baterias para ônibus.158

Nos Estados Unidos, a discussão sobre a troca de baterias perdeu força após a falência, em 2013, da startup israelense de troca de baterias Project Better Place, que havia planejado uma rede de estações de troca para carros de passeio.153 Em 2015, a Tesla abandonou seus planos de estações de troca após construir apenas uma instalação de demonstração, culpando a falta de interesse do consumidor. Atualmente, há poucos ou nenhum experimento em andamento com relação à troca de baterias nos Estados Unidos.154 A queda nos custos das baterias e, talvez em menor grau, a implantação de infraestrutura de carregamento rápido em corrente contínua (CC), provavelmente reduziram a atratividade da troca de baterias nos Estados Unidos.

Embora a troca de baterias ofereça diversas vantagens, também apresenta desvantagens notáveis. Uma bateria de VE é pesada e normalmente localizada na parte inferior do veículo, formando um componente estrutural integral com tolerâncias mínimas de engenharia para alinhamento e conexões elétricas. As baterias atuais geralmente requerem resfriamento, e conectar e desconectar os sistemas de resfriamento é difícil.159 Dado seu tamanho e peso, os sistemas de bateria devem se encaixar perfeitamente para evitar ruídos, reduzir o desgaste e manter o veículo centralizado. A arquitetura de bateria tipo skate, comum nos VEs atuais, melhora a segurança ao diminuir o centro de peso do veículo e melhorar a proteção contra colisões na dianteira e na traseira. Baterias removíveis localizadas no porta-malas ou em outro local não teriam essa vantagem. Como a maioria dos proprietários de veículos carrega principalmente em casa ouCARREGAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS NA CHINA E NOS ESTADOS UNIDOSNo trabalho, a troca de baterias não resolveria necessariamente os problemas de infraestrutura de carregamento — apenas ajudaria a lidar com o carregamento público e a autonomia. E como a maioria das montadoras não está disposta a padronizar conjuntos de baterias ou designs — os carros são projetados em torno de suas baterias e motores, tornando isso um valor proprietário fundamental160 — a troca de baterias pode exigir uma rede de estações de troca separada para cada montadora ou equipamentos de troca separados para diferentes modelos e tamanhos de veículos. Embora caminhões móveis para troca de baterias tenham sido propostos,161 esse modelo de negócios ainda não foi implementado.