Scientific journal

European Journal of Natural History

ISSN 2073-4972

ИФ РИНЦ = 0,301

В настоящее время автомобильный транспорт является одним из основных источников загрязнения воздуха. Дорожный транспорт – один из основных источников выбросов парниковых газов (в 2016 году на его долю приходилось около 12% [1]) и потребитель нефти (в 2018 году на его долю приходилось порядка 49,3% [2]). По состоянию на 2015 год разведанных запасов нефти хватит на 50,7 лет [3]. В крупных городах до 85…93% загрязняющих веществ (ЗВ) поступает в атмосферу от автомобильного транспорта [4] [5]. Указанные обстоятельства объясняют быстрый роста парка электромобилей в мире (рис. 1).

По состоянию на 1 июня 2021 года парк электромобилей (BEV), гибридов (HEV) и подключаемых гибридов (PHEV) в России составил 179,3 тыс. экземпляров, или 0,4% от всего парка легковых автомобилей (45,17 млн машин). В России за 2021 год было продано 845 электромобилей, это в 2,2 раза больше чем в 2020 году [6].

Наряду с ростом парка электромобилей растёт и количество зарядных станций. На конец 2020 года в мире насчитывалось более 1,3 миллиона общественных зарядных станций для электромобилей (рис. 2).

Рис. 1. Мировой парк электромобилей, 2010-2020 гг. (PHEV – подключаемые гибриды; BEV – батарейные электромобили) [7]

Рис. 2. Количество быстрых (англ. Fast) и медленных (англ. Slow) общедоступных зарядных устройств для электромобилей малой грузоподъёмности (англ. electric vehicle supply equipment, EVSE), 2015-2020 гг. [7]

Большинство зарядных станций подключены к существующей распределительной электросети, что вызывает ряд проблем, связанных с большой мощностью, необходимой для обеспечения быстрого заряда электромобилей. Кроме того существующее распределение электрогенерирующих мощностей по виду первичной энергии не позволяет говорить о полной экологичности электромобилей, поскольку большая часть вырабатываемой электроэнергии производится из ископаемых топлив. В связи с этим всё большую популярность в мире получают зарядные станции, использующие в качестве первичной энергии солнечную энергию, энергию ветра или другие виды возобновляющейся энергии.

Цель исследования – разработка концепции зарядной станции для электромобилей, использующей экологичные возобновляющиеся виды энергии в качестве первичного энергоисточника.

Материалы и методы исследования

Исследование проводилось на основе поиска, изучения и анализа информации в сети Интернет.

Результаты исследования и их обсуждение

Существующие типы зарядного оборудования для электромобилей представлены на рис. 3.

Рис. 3. Существующие типы зарядного оборудования для электромобилей

Основные международные стандарты зарядки электромобилей

Кондуктивная (посредством проводов) зарядка подразделяется на классы по мощности согласно рекомендациям Charging Interface Initiative (CharIN e.V.), глобальной ассоциации с более чем 250 членами, занимающейся продвижением функциональной совместимости зарядного оборудования на основе Комбинированной системы зарядки (англ. Combined Charging System, CCS) в качестве глобального стандарта для зарядки транспортных средств всех видов [8].

Международные стандарты зарядки электромобилей в значительной степени определяются деятельностью, проводимой Международной электротехнической комиссией (IEC), Международной организацией по стандартизации (ISO) и (особенно для Северной Америки и Японии) Обществом инженеров-автомобилестроителей (SAE). В таблице приводится краткое изложение основных международных стандартов зарядки электромобилей [9].

Среди проблем зарядки электромобилей можно выделить три основных [10]:

− аккумулятору затруднительно принять большой заряд энергии за короткий промежуток времени, что связано с химическим процессами, протекающими внутри него;

− сети электроснабжения проблематично обеспечить достаточную мощность для быстрой зарядки сразу нескольких электромобилей;

− проблематично эффективно, безопасно и удобно подключить электромобиль к распределительной электросети.

Рекомендуемый зарядный ток для Li-Ion-батарей составляет «1С», то есть ток зарядки (в А) должен быть равен значению ёмкости аккумулятора (в А*ч) или его ёмкости (в кВ*ч), делённой на напряжение батареи (в В). Для литий-железо-фосфатных (LFP или LiFePO4) и литий-титанатных (LTO или Li4Ti5O12) аккумуляторов допускается зарядка высоким током, однако в этом случае лимитирующим фактором становится перегрев ячеек и коммутационных соединений. Например, при попытке зарядить 500-вольтовую батарею ёмкостью 25 кВ·ч за три минуты током «20С», то величина этого тока будет равна (25000/500)·20 = 1000 A. Чтобы выдержать такой высокий ток, даже за короткое время, потребуются массивные электропроводники как внутри ячеек, так и между ячейками. Кроме того, высокие токи внутри ячеек приводят к росту перенапряжения, которое необходимо преодолевать при зарядке, а, следовательно, к росту потерь и снижению эффективности работы батареи в разрядно-зарядном цикле.

Зарядная станция подразумевает зарядку сразу нескольких автомобилей. Таким образом мощность сверхбыстрой зарядки может достигает 5 МВт. Учитывая пиковый характер нагрузки с возможными гармоническими составляющими, потребуется источник высокого напряжения порядка 11 кВ, что сопоставимо с потребностями крупного коммерческого или промышленного предприятия.

Третья проблема связана с коммутацией батареи и зарядного оборудования. Зарядное оборудование для сверхбыстрой зарядки с его массивными проводниками и изоляцией располагается не на борту электромобиля, а на стационарной зарядной станции. Это обуславливает необходимость международной стандартизации интерфейсов, не только с позиции силовых разъёмов, но и с позиции контрольных сигналов, использующихся для контроля над процессом заряда батареи, который может представлять опасность.

Зарядка может осуществляться путём прямого подсоединения электромобиля к электрическим сетям переменного тока. В этом случае используется бортовое зарядное устройство электромобиля, которое преобразует переменный ток оборудования в постоянный, которым и заряжается тяговая батарея. Согласно стандарту IEC 61851, возможны три режима зарядки переменным током:

− «Mode 1» – режим зарядки от бытовой сети, с максимальным током 16 А. Данный режим запрещен в США и ряде других стран из соображений безопасности;

− «Mode 2» – режим зарядки с использованием интегрированной в кабель системой защиты, максимальный ток данного режима составляет 32 А. Кабель, используемый в таких зарядных станциях, обеспечивает защитные функции обнаружения присутствия земли и остаточного тока, защиты от перегрузок по току и перегрева;

− «Mode 3» – режим зарядки с использованием специального оборудования, обеспечивающим защиту и контроль над процессом зарядки. Максимальный ток такой зарядки 63 А.

«Быстрые» виды зарядок требуют специальных источников питания и зарядного оборудования постоянным током, включающего цепи управления и коммуникации. При зарядке электромобиля от станции постоянного тока, контролем процедуры занимается не бортовое устройство, а сама зарядная станция. Максимальный ток таких станций составляет 400 А и напряжение до 600 В, режим зарядки у таких станций, согласно стандарту IEC 61851, называется «Mode 4». На данный момент большинство быстрых зарядок имеет мощность 50 кВт, но в скором времени планируется переход на более мощные зарядные станции с мощностью до 240 кВт.

Ведутся разработки стандартов и оборудования для зарядки грузовых электромобилей, которые для обеспечения приемлемого времени зарядки требуют мощности порядка 1 МВт и даже более (4,5 мВт, 1500 В, 3000 А). Примерами таких разработок являются [9]:

− зарядка высокой мощности для коммерческих автомобилей (англ. High Power Charging for Commercial Vehicles, HPCCV), разрабатываемая ассоциацией CharIn;

− зарядка сверхвысокой мощности, разработанная совместно Советом по электроэнергетике Китая (CEC) и ассоциацией CHAdeMO с рабочим названием «ChaoJi».

В качестве коннектора для зарядок с переменным током используют:

− разъём американского стандарта SAE J1772-2009 (иногда называемый «Yazaki» по наименованию первой фирмы-изготовителя) для зарядки от однофазной сети;

− разъём немецкого стандарта VDE-AR-E 2623-2-2 (иногда называемый «Mennekes» по наименованию первой фирмы – изготовителя) для однофазной или трёхфазной сети.

Для подключения электромобилей к станциям быстрой зарядки постоянного тока используются как универсальные, так и специализированные разъёмы.

К универсальным разъёмам относятся разъёмы типа Yazaki и типа Mennekes, дополненные двумя дополнительными штырьками увеличенного сечения для силовых линий постоянного напряжения, расположенными снизу от разъёма переменного тока в специальной секции. Они называются SAE J1772 (Combo 1) и CCS (Combo 2). Combo 1 используется в Северной Америке, а Combo 2 – в Европе.

Кроме того, компания Tesla (США) использует разъём типа Mennekes, переключающийся из режима подачи трёхфазного переменного тока (по четырём штырькам) в режим подачи постоянного тока на станциях «Supercharger» по этим же штырькам, но в спаренном варианте.

К специализированным разъёмам относятся:

− 10-штырьковый разъём стандарта JEVS G105-1993 (англ. Japan electric vehicle standard – Японский стандарт электромобилей), более известный под торговой маркой CHAdeMO (CHAdeMO – это аббревиатура от фр. «CHArge de MОve» – «заряжая движение». С другой стороны это игра слов: «O cha demo ikaga desuka» по-японски означает «Давайте выпьем чаю во время зарядки», что намекает на небольшое время, необходимое для зарядки электромобиля. Иногда называется «JARI/Tepco» по наименованию первой фирмы-изготовителя). Основными её сторонниками являются японские автопроизводители;

− 9-штырьковый разъём стандарта GB/T 20110530, (иногда называемый «Catarc» по наименованию первой фирмы-изготовителя) используемый некоторыми китайскими автопроизводителями.

Изображения коннекторов для быстрой зарядки электромобилей показаны на рис. 4.

Рис. 4. Коннекторы для быстрой зарядки электромобилей [11]

Принцип работы индуктивной (беспроводной) зарядки основан на формировании магнитного поля, благодаря протекающему переменному току по обмотке первичной катушки. Это магнитное поле создает ЭДС, достигая и проходя через обмотку вторичной катушки. Эффективность такой зарядки напрямую зависит от расстояния между обмотками, чем они дальше друг от друга, тем ниже эффективность. Использование резонанса и изменение формы волны управляющего тока от синусоидальной до несинусоидальной несколько увеличивает дальность передачи.

При магнитно-резонансной индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Передающая и приёмная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Предусматривается использование рабочего диапазона частот 81,39…90 кГц и четырёх уровней мощности, совместимых с режимами IEC 61851:

− WPT 1 – 3,7 кВт;

− WPT 2 – 7,7 кВт;

− WPT 3 – 11 кВт;

− WPT 4 – 22 кВт.

Положительными сторонами беспроводной зарядки являются удобство, надёжность и отсутствие износа. Минусами являются более низкий КПД в сравнении с кондуктивной зарядкой и высокая цена оборудования.

Динамическая зарядка электромобилей (англ. Electric road systems, ERS) осуществляется непосредственно в процессе их движения по дороге, оборудованной кондуктивными или индуктивными устройствами передачи электроэнергии, которые могут быть размещены сбоку от проезжей части, внутри дорожного полотна или подвешены над дорогой. Ряд демонстрационных проектов для беспроводных систем был разработан во Франции, Корее, Италии, Германии, Испании, Швеции и США [9].

Высокая номинальная мощность зарядных станций для электромобилей имеет важные последствия для воздействия на систему электроснабжения. Как минимум, требуется, чтобы расположение зарядных станций разрабатывалось согласованно с пропускной способностью системы транспортировки и распределения электроэнергии. Кластеризация зарядных станций высокой мощности в определённых местах, вероятно, потребует значительных инвестиций в укрепление сети и/или установку сетевых хранилищ электроэнергии в качестве буфера.

Умные сети электроснабжения – это модернизированные сети электроснабжения, которые используют информационные и коммуникационные технологии для сбора информации об энергопроизводстве и энергопотреблении, позволяющей автоматически повышать эффективность, надёжность, экономическую выгоду, а также устойчивость производства и распределения электроэнергии. Развитие технологии умных сетей также означает фундаментальную реорганизацию рынка услуг электроэнергетики, несмотря на то, что терминология на первый взгляд предполагает только развитие технической инфраструктуры.

Электромобили прекрасно вписываются в модель новой децентрализованной и «умной» энергосистемы. С одной стороны, для зарядки множества электромобилей потребуются дополнительные мощности. Но с другой стороны, электромобили, подключённые к зарядной инфраструктуре, становятся её частью, позволяя повысить гибкость управления энергопотоками за счёт использования бортовых аккумуляторов как части общей сетевой накопительной ёмкости. Большую часть времени суток частные электромобили стоят на парковках в подключённом к сети состоянии и с полностью заряженным бортовым накопителем энергии. Поэтому их можно использовать для выдачи энергии в сеть при необходимости покрытия пиковых нагрузок или в аварийных/чрезвычайных ситуациях. Владельцы электромобилей могли бы даже получать от этого прибыль. Также следует учитывать возможность «перевода» подержанных бортовых накопителей энергии, уже не обеспечивающих требуемого запаса хода электромобиля, в разряд стационарных буферных накопителей, продляя срок их полезного использования.

Поскольку большинство зарядных станций для электромобилей подключены и получают энергию от централизованной электросети, экологические преимущества электромобилей будут проявляться по мере экологизации энергетической системы. Доля производства электроэнергии в мире и России по источникам (англ. Electricity Mix) показана на рис. 5 и 6. Пока что большая часть электрогенерации основана на энергии ископаемых топлив.

Сравнительно недавно во многих странах мира начали появляться зарядные станции, работающие от автономных альтернативных источников энергии. Наиболее широкое распространение получили зарядные станции, работающие от энергии солнца и/или энергии ветра. Существуют как домашние зарядные станции, так и общественные.

Рис. 5. Доля производства электроэнергии в мире по источникам [12]

Рис. 6. Доля производства электроэнергии в России по источникам [12]

Наиболее эффективно использовать фотогальванические элементы и/или ветрогенераторы, а в качестве резервного источника энергоснабжения использовать централизованную сеть электроснабжения. Такая схема называется комбинированной и она при использовании соответствующего двунаправленного оборудования и буферного накопителя энергии является наиболее гибкой и приспособленной к крайне неравномерному характеру работы генерирующего оборудования и неравномерному характеру потребления энергии.

В зоне зарядки электромобилей необходима зона ожидания для водителей и пассажиров. В зоне ожидания может располагаться мотель, кафе, оборудование связи, сервис для обслуживания электромобиля и т.п. Система отопления (или охлаждения), другое оборудование зоны ожидания также являются потребителями энергии, что необходимо учитывать при обосновании характеристик альтернативных источников энергии.

На рис. 7 представлена виртуальная схема комбинированной зарядной станции.

Наиболее подходящими районами России для размещения подобных зарядных станций, как видно из рис. 8 и 9, являются: Алтай, Астрахань, Владивосток, Волгоград, Новороссийск, Крым, Сочи, Ставрополь, Забайкалье.

Рис. 7. Виртуальная схема комбинированной зарядной станции ВЭУ – ветроэлектрическая установка, ГЭУ – гидроэлектрическая установка, ДЭУ – дизельная электрическая установка, ФЭУ – фотоэлектрическая установка, ММ – устройство отбора максимальной мощности, АКБ – аккумуляторная батарея, СН – собственные нужды ГЭК, ЗУ – зарядное устройство, ЭМ – электромобиль [13]

Рис. 8. Карта потенциала мощности ветра (Вт/м2) на высоте 50 м [14]

Рис. 9. Карта потенциала годовой выработки фотоэлектрической энергии (кВт·ч/кВт установленной мощности) [15]

Выводы

Концепция зарядной станции для электромобилей, использующей возобновляемые источники энергии актуальна, особенно принимая во внимание перспективы роста количества электромобилей, заявленные обязательства России по снижению выбросов парниковых газов и прогресс в области технологий возобновляемой энергетики. При выборе типа зарядного оборудования следует руководствоваться существующими и перспективными стандартами в этой области, а при выборе и обосновании характеристик электрогенерирующего оборудования – техническими параметрами и климатическими данными.