Technologies de chargeurs pour véhicules électriques

Les technologies de recharge des véhicules électriques en Chine et aux États-Unis sont globalement similaires. Dans les deux pays, les câbles et les prises constituent la technologie largement dominante pour recharger les véhicules électriques. (La recharge sans fil et l'échange de batterie sont tout au plus peu présents.) Il existe des différences entre les deux pays en matière de niveaux de charge, de normes de charge et de protocoles de communication. Ces similitudes et différences sont abordées ci-dessous.

A. Niveaux de charge

Aux États-Unis, la recharge des véhicules électriques s'effectue en grande partie à 120 volts, sur des prises murales domestiques non modifiées. On parle alors de charge de niveau 1, ou charge d'entretien. Avec cette charge, une batterie standard de 30 kWh met environ 12 heures pour passer de 20 % à une charge quasi complète. (Il n'existe pas de prises de 120 volts en Chine.)

En Chine comme aux États-Unis, la recharge des véhicules électriques s'effectue en grande partie à 220 volts (Chine) ou 240 volts (États-Unis). Aux États-Unis, on parle de recharge de niveau 2.

Cette charge peut s'effectuer sur des prises standard ou avec un équipement de recharge spécialisé pour véhicules électriques et consomme généralement entre 6 et 7 kW. En chargeant à 220-240 volts, une batterie standard de 30 kWh met environ 6 heures pour passer de 20 % à une charge quasi complète.

Enfin, la Chine et les États-Unis disposent de réseaux croissants de bornes de recharge rapide CC, utilisant généralement une puissance de 24 kW, 50 kW, 100 kW ou 120 kW. Certaines stations peuvent offrir une puissance de 350 kW, voire 400 kW. Ces bornes de recharge rapide CC permettent de recharger une batterie de véhicule de 20 % à une charge quasi complète en un temps allant d'environ une heure à seulement 10 minutes.

Tableau 6 :Niveaux de charge les plus courants aux États-Unis

Source : Département de l'Énergie des États-Unis

B. Normes de charge

i. Chine

La Chine dispose d'une norme nationale de recharge rapide pour véhicules électriques. Les États-Unis en ont trois.

La norme chinoise est connue sous le nom de China GB/T. (Les initialesGBsignifie norme nationale.)

La norme GB/T chinoise a été lancée en 2015 après plusieurs années de développement.124 Elle est désormais obligatoire pour tous les nouveaux véhicules électriques vendus en Chine. Les constructeurs automobiles internationaux, dont Tesla, Nissan et BMW, ont adopté la norme GB/T pour leurs véhicules électriques vendus en Chine. La GB/T permet actuellement une charge rapide à une puissance maximale de 237,5 kW (à 950 V et 250 ampères), bien que de nombreux

Les bornes de recharge rapide CC chinoises offrent une charge de 50 kW. Une nouvelle norme GB/T sera lancée en 2019 ou 2020, qui devrait permettre une charge jusqu'à 900 kW pour les véhicules utilitaires de plus grande taille. La norme GB/T est une norme exclusive à la Chine : les rares véhicules électriques fabriqués en Chine et exportés à l'étranger utilisent d'autres normes.

En août 2018, le Conseil chinois de l'électricité (CEC) a annoncé un protocole d'accord avec le réseau CHAdeMO, basé au Japon, pour développer conjointement la recharge ultra-rapide. L'objectif est d'assurer la compatibilité entre GB/T et CHAdeMO pour la recharge rapide. Les deux organisations collaboreront pour étendre la norme à des pays autres que la Chine et le Japon.

ii. États-Unis

Aux États-Unis, il existe trois normes de recharge de véhicules électriques pour la charge rapide en courant continu : CHAdeMO, CCS SAE Combo et Tesla.

CHAdeMO a été la première norme de charge rapide pour véhicules électriques, datant de 2011. Elle a été développée par Tokyo

Electric Power Company et signifie « Charge to Move » (un jeu de mots en japonais).127 CHAdeMO est actuellement utilisé aux États-Unis sur la Nissan Leaf et le Mitsubishi Outlander PHEV, qui comptent parmi les véhicules électriques les plus vendus. Le succès de la Leaf aux États-Unis pourrait êtreRECHARGE DES VÉHICULES ÉLECTRIQUES EN CHINE ET AUX ÉTATS-UNIS

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en partie grâce à l'engagement précoce de Nissan à déployer l'infrastructure de recharge rapide CHAdeMO chez les concessionnaires et autres sites urbains.128 En janvier 2019, il y avait plus de 2 900 chargeurs rapides CHAdeMO aux États-Unis (ainsi que plus de 7 400 au Japon et 7 900 en Europe).129

En 2016, CHAdeMO a annoncé qu'il mettrait à niveau sa norme par rapport à son taux de charge initial de 70

En juin 2018, CHAdeMO a annoncé le lancement d'une capacité de charge de 400 kW, utilisant des câbles refroidis par liquide de 1 000 V et 400 A. Cette capacité de charge supérieure sera disponible pour répondre aux besoins des gros véhicules utilitaires tels que les camions et les bus.

Aux États-Unis, une deuxième norme de recharge est connue sous le nom de CCS ou SAE Combo. Elle a été lancée en 2011 par un groupe de constructeurs automobiles européens et américains.comboindique que la prise contient à la fois une charge CA (jusqu'à 43 kW) et une charge CC.132 Dans

En Allemagne, la coalition CharIN (Charging Interface Initiative) a été créée pour promouvoir l'adoption généralisée du CCS. Contrairement à CHAdeMO, une prise CCS permet la recharge en courant continu et alternatif avec un seul port, réduisant ainsi l'espace et les ouvertures nécessaires sur la carrosserie du véhicule. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA et Hyundai soutiennent le CCS. Tesla a également rejoint la coalition et a annoncé en novembre 2018 que ses véhicules en Europe seraient équipés de ports de recharge CCS.133 La Chevrolet Bolt et la BMW i3 comptent parmi les véhicules électriques populaires aux États-Unis qui utilisent la recharge CCS. Alors que les chargeurs rapides CCS actuels offrent une charge d'environ 50 kW, le programme Electrify America inclut une charge rapide de 350 kW, qui pourrait permettre une charge quasi complète en seulement 10 minutes.

La troisième norme de recharge aux États-Unis est exploitée par Tesla, qui a lancé son propre réseau de Superchargers aux États-Unis en septembre 2012.134 Tesla

Les superchargeurs fonctionnent généralement à 480 volts et offrent une charge à un maximum de 120 kW.

En janvier 2019, le site Web de Tesla répertoriait 595 emplacements de Superchargeurs aux États-Unis, avec 420 emplacements supplémentaires « à venir ».135 En mai 2018, Tesla a suggéré qu'à l'avenir, ses Superchargeurs pourraient atteindre des niveaux de puissance aussi élevés que 350 kW.136

Dans le cadre de nos recherches pour ce rapport, nous avons demandé aux personnes interrogées aux États-Unis si elles considéraient l'absence de norme nationale unique pour la recharge rapide en courant continu comme un obstacle à l'adoption des véhicules électriques. Peu d'entre elles ont répondu par l'affirmative. Voici quelques raisons pour lesquelles la multiplicité des normes de recharge rapide en courant continu n'est pas considérée comme un problème :

● La plupart des recharges de véhicules électriques s’effectuent à la maison et au travail, avec des chargeurs de niveaux 1 et 2.

● La plupart des infrastructures de recharge publiques et professionnelles utilisent jusqu’à présent des chargeurs de niveau 2.

● Des adaptateurs sont disponibles pour permettre aux propriétaires de véhicules électriques d'utiliser la plupart des chargeurs rapides CC, même si le véhicule électrique et le chargeur utilisent des normes de charge différentes. (La principale exception, le réseau de superchargeurs Tesla, est ouvert uniquement aux véhicules Tesla.) Il existe notamment des inquiétudes concernant la sécurité des adaptateurs de charge rapide.

● Étant donné que la prise et le connecteur ne représentent qu'un faible pourcentage du coût d'une borne de recharge rapide, cela ne représente qu'un faible défi technique ou financier pour les propriétaires de bornes et pourrait être comparé aux tuyaux d'essence à différents octanes d'une station-service. De nombreuses bornes de recharge publiques sont équipées de plusieurs prises reliées à une seule borne, permettant ainsi la recharge de tout type de véhicule électrique. De nombreuses juridictions l'exigent ou l'encouragent.RECHARGE DES VÉHICULES ÉLECTRIQUES EN CHINE ET AUX ÉTATS-UNIS

38 | CENTRE SUR LA POLITIQUE ÉNERGÉTIQUE MONDIALE | COLUMBIA SIPA

Certains constructeurs automobiles ont affirmé qu'un réseau de recharge exclusif constituait une stratégie concurrentielle. Claas Bracklo, directeur de l'électromobilité chez BMW et président de CharIN, a déclaré en 2018 : « Nous avons fondé CharIN pour nous positionner comme un acteur majeur. »137 De nombreux propriétaires et investisseurs de Tesla considèrent son réseau de superchargeurs propriétaire comme un argument de vente, même si Tesla continue d'exprimer sa volonté d'autoriser d'autres modèles de véhicules à utiliser son réseau, à condition qu'ils contribuent financièrement proportionnellement à leur utilisation.138 Tesla fait également partie de CharIN et promeut le CCS. En novembre 2018, la marque a annoncé que les Model 3 vendues en Europe seraient équipées de ports CCS. Les propriétaires de Tesla peuvent également acheter des adaptateurs pour accéder aux chargeurs rapides CHAdeMO.139

C. Protocoles de communication de charge Les protocoles de communication de charge sont nécessaires pour optimiser la charge en fonction des besoins de l'utilisateur (pour détecter l'état de charge, la tension de la batterie et la sécurité) et du réseau (y compris

(capacité du réseau de distribution, tarification horaire et mesures de réponse à la demande).140 China GB/T et CHAdeMO utilisent un protocole de communication appelé CAN, tandis que CCS fonctionne avec le protocole PLC. Les protocoles de communication ouverts, tels que l'Open Charge Point Protocol (OCPP) développé par l'Open Charging Alliance, gagnent en popularité aux États-Unis et en Europe.

Dans le cadre de nos recherches pour ce rapport, plusieurs personnes interrogées aux États-Unis ont cité l'évolution vers des protocoles et logiciels de communication ouverts comme une priorité politique. En particulier, certains projets de recharge publique financés au titre de l'American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) ont été cités comme ayant choisi des fournisseurs disposant de plateformes propriétaires, lesquels ont ensuite rencontré des difficultés financières, laissant des équipements défectueux nécessitant leur remplacement.141 La plupart des villes, services publics et réseaux de recharge contactés pour cette étude ont exprimé leur soutien aux protocoles de communication ouverts et aux mesures incitatives permettant aux hôtes des réseaux de recharge de changer de fournisseur en toute transparence.142

D. Coûts

Français Les chargeurs domestiques sont moins chers en Chine qu'aux États-Unis. En Chine, un chargeur mural domestique typique de 7 kW est vendu en ligne entre 1 200 et 1 800 RMB.143 L'installation nécessite un coût supplémentaire. (La plupart des achats de VE privés incluent le chargeur et l'installation.) Aux États-Unis, les chargeurs domestiques de niveau 2 coûtent entre 450 et 600 $, plus une moyenne d'environ 500 $ pour l'installation.144 Les équipements de charge rapide CC sont nettement plus chers dans les deux pays. Les coûts varient considérablement. Un expert chinois interrogé pour ce rapport a estimé que l'installation d'une borne de recharge rapide CC de 50 kW en Chine coûte généralement entre 45 000 et 60 000 RMB, la borne de recharge elle-même représentant environ 25 000 à 35 000 RMB et le câblage, l'infrastructure souterraine et la main-d'œuvre représentant le reste.145 Aux États-Unis, la charge rapide CC peut coûter des dizaines de milliers de dollars par borne. Les principaux facteurs influençant le coût d'installation d'équipements de recharge rapide en courant continu comprennent le creusement de tranchées, la modernisation des transformateurs, la construction ou la modernisation de circuits et de tableaux électriques, ainsi que les améliorations esthétiques. La signalisation, les permis et l'accès pour les personnes handicapées sont également des éléments à prendre en compte.146

E. Chargement sans fil

La recharge sans fil offre plusieurs avantages, notamment l’esthétique, le gain de temps et la facilité d’utilisation.

Disponible dans les années 1990 pour l'EV1 (une des premières voitures électriques), elle est rare aujourd'hui.147 Le prix des systèmes de recharge sans fil pour véhicules électriques proposés en ligne varie de 1 260 $ à environ 3 000 $.148 La recharge sans fil pour véhicules électriques est moins efficace, les systèmes actuels offrant une efficacité de charge d'environ 85 %.149 Les produits de recharge sans fil actuels offrent un transfert de puissance de 3 à 22 kW ; les chargeurs sans fil disponibles pour plusieurs modèles de véhicules électriques, de Plugless, se chargent à 3,6 kW ou 7,2 kW, soit l'équivalent d'une recharge de niveau 2.150 Si de nombreux utilisateurs de véhicules électriques considèrent que la recharge sans fil ne justifie pas le coût supplémentaire,151 certains analystes prévoient que cette technologie se généralisera bientôt, et plusieurs constructeurs automobiles ont annoncé qu'ils proposeraient la recharge sans fil en option sur les futurs véhicules électriques. La recharge sans fil pourrait être intéressante pour certains véhicules à itinéraire défini, comme les bus publics, et elle a également été proposée pour les futures voies d'autoroute électriques, bien que son coût élevé, sa faible efficacité de charge et ses faibles vitesses de charge constitueraient des inconvénients.152

F. Remplacement de la batterie

Grâce à la technologie d'échange de batterie, les véhicules électriques pourraient échanger leurs batteries déchargées contre d'autres pleinement chargées. Cela réduirait considérablement le temps de recharge d'un véhicule électrique, avec des avantages potentiels considérables pour les conducteurs.

Plusieurs villes et entreprises chinoises expérimentent actuellement l'échange de batteries, en particulier pour les véhicules électriques à forte utilisation, comme les taxis. La ville de Hangzhou a déployé l'échange de batteries pour sa flotte de taxis, qui utilise des véhicules électriques Zotye de fabrication locale.155 Pékin a construit plusieurs stations d'échange de batteries grâce au soutien du constructeur automobile local BAIC. Fin 2017, BAIC a annoncé son intention de construire 3 000 stations d'échange dans tout le pays d'ici 2021.156 La start-up chinoise de véhicules électriques NIO prévoit d'adopter la technologie d'échange de batteries pour certains de ses véhicules et a annoncé la construction de 1 100 stations d'échange en Chine.157 Plusieurs villes chinoises, dont Hangzhou et Qingdao, ont également utilisé l'échange de batteries pour les bus.158

Aux États-Unis, le débat sur l'échange de batteries s'est estompé après la faillite en 2013 de la start-up israélienne spécialisée dans l'échange de batteries, Project Better Place, qui prévoyait un réseau de stations d'échange pour voitures particulières.153 En 2015, Tesla a abandonné son projet de station d'échange après avoir construit une seule installation de démonstration, invoquant le manque d'intérêt des consommateurs. Il existe aujourd'hui peu, voire aucune, d'expérimentations concernant l'échange de batteries aux États-Unis.154 La baisse du coût des batteries et, peut-être dans une moindre mesure, le déploiement d'infrastructures de recharge rapide en courant continu ont probablement réduit l'attrait de l'échange de batteries aux États-Unis.

Bien que le remplacement de batterie offre plusieurs avantages, il présente également des inconvénients notables. Une batterie de VE est lourde et généralement située sous le véhicule, formant un composant structurel intégral avec des tolérances d'ingénierie minimales pour l'alignement et les connexions électriques. Les batteries actuelles nécessitent généralement un refroidissement, et la connexion et la déconnexion des systèmes de refroidissement sont difficiles.159 Compte tenu de leur taille et de leur poids, les systèmes de batterie doivent s'adapter parfaitement pour éviter les vibrations, réduire l'usure et maintenir le véhicule centré. L'architecture de batterie de skateboard, courante dans les VE actuels, améliore la sécurité en abaissant le centre de gravité du véhicule et en améliorant la protection contre les collisions à l'avant et à l'arrière. Les batteries amovibles situées dans le coffre ou ailleurs ne bénéficieraient pas de cet avantage. Étant donné que la plupart des propriétaires de véhicules rechargent principalement à domicile ouRECHARGE DES VÉHICULES ÉLECTRIQUES EN CHINE ET AUX ÉTATS-UNISEn pratique, l'échange de batteries ne résoudrait pas nécessairement les problèmes d'infrastructure de recharge ; il contribuerait seulement à améliorer la recharge publique et l'autonomie. De plus, la plupart des constructeurs automobiles étant réticents à standardiser les packs de batteries ou leur conception (les voitures étant conçues autour de leurs batteries et de leurs moteurs, il s'agit d'une valeur propriétaire essentielle 160), l'échange de batteries pourrait nécessiter un réseau de stations d'échange distinct pour chaque constructeur automobile ou des équipements d'échange distincts pour les différents modèles et tailles de véhicules. Bien que des camions mobiles d'échange de batteries aient été proposés,161 ce modèle économique n'a pas encore été mis en œuvre.