Как мы будем заряжать электрокары: главные тренды
Может ли беспроводная зарядка для электрокаров стать полноправным конкурентом стационарных электро-АЗС, какие проблемы стоят перед отраслью и каким технологиям эксперты пророчат будущее? Ответы на эти вопросы искали авторы исследования «Электромобили и инфраструктура», которое стало частью доклада ассоциации «Глобальная энергия». Главная суть озвучена в названии — «10 прорывных идей в энергетике в следующие 10 лет». С главными тезисами ознакомилась «Моя энергия».
Сегодня около 16% мировых выбросов углекислого газа приходится на транспортный сектор, из них порядка 60% — на пассажирские авто. Снизить углеродный след в транспортной отрасли помогут электромобили, уверены авторы доклада. По расчетам Исследовательского института электроэнергетики (EPRI), к 2050 году доля электрокаров на рынке США составит 20%, 60% или 80% всего автопарка, согласно сценариям низкого, среднего и высокого спроса. Вслед за США, Европой и Китаем бум электрокаров накроет и Россию.
По оценкам экспертов, до 2025 года рынок машин на электротяге будет прирастать ежегодно на 30%. Между тем один из факторов, который сильно тормозит спрос на электрокары, — недоразвитая инфраструктура электро-АЗС. Чтобы сделать ее доступной и удобной, проектировщики ломают голову над планированием, а инженеры — над технологиями. Последние решают, как создать инновационные конфигурации преобразователей для быстрых зарядных устройств, и работают над новыми схемами беспроводной зарядки с увеличенной мощностью, которой можно пользоваться во время движения авто.
Поскольку нынешний запас хода большинства электромобилей ниже, чем у их конкурентов на бензине или дизеле, планирование зарядной инфраструктуры имеет решающее значение для стимулирования спроса.
Исследователи обращают внимание, что нужно учитывать эксплуатационные ограничения не только транспортной, но и распределительной сети. Другими словами, просто спроектировать сеть зарядных станций в удобной для автовладельцев точке недостаточно, нужно просчитать и связать воедино расположение, тип зарядки, потери мощности, зарядные характеристики аккумулятора, стабильность напряжения и надежность системы.
Таким образом, для грамотного планирования нужно тщательно смоделировать транспортную сеть и учесть особенности энерголандшафта, включив инвестиционные и эксплуатационные расходы на содержание обеих сетей.
Зарядка за 30 минут
Распространены два метода зарядки: кондуктивная и индуктивная. При кондуктивной зарядке питание передается через прямой контакт, при индуктивной — по беспроводной сети. Первый, традиционный способ эффективнее, второй — безопаснее при любых погодных условиях. Самая быстрая зарядка производится постоянным током, когда зарядное устройство расположено вне автомобиля и заряжает аккумулятор напрямую от источника постоянного тока.
По мере увеличения спроса на электромобили растет и предложение на рынке зарядных устройств. Они делятся на бортовые и внешние.
Бортовые получают питание от однофазного или трехфазного источника переменного тока, домашней или общественной точки зарядки. Такой «АЗС» может быть, условно говоря, и розетка на парковке у дома. По стандарту Общества автомобильных инженеров SAE J1772 в Северной Америке, бортовые зарядные устройства обычно представляют собой системы зарядки переменного тока с пиковой мощностью до 19,2 кВт. Они используются для ночной зарядки из-за низкой мощности, когда авто «включено» в розетку несколько часов. Вместе с тем специалисты уже решают эту проблему, разрабатывая системы быстрой зарядки постоянного тока с пиковой мощностью до 350 кВт. Она заряжает электрокар за 30 минут и даже меньше. Построены и станции сверхбыстрой зарядки мощностью 350 кВт, которые заряжают аккумулятор автомобиля за 10 минут и увеличивают запас хода на 200 миль.
Чем опасна беспроводная технология
Бортовые устройства также разделяют на кондуктивные либо индуктивные, то есть беспроводные, мощность которых ограничена по весу, пространству и стоимости. Последние удобны для водителя, поскольку позволяет не вмешиваться в процесс или подключать кабели.
Технология помогает заряжать электрокар на ходу благодаря магнитным катушкам на борту электромобиля и вне его. Альтернатива — емкостно-связанные системы беспроводной зарядки, где передачу и прием энергии связывает не магнитное, а электрическое поле.
По ряду причин, в том числе из-за относительно низкой плотности мощности и чувствительности к фоновым помехам от шасси автомобиля и материалов дорожного покрытия, второй вариант не так популярен в приложениях для зарядки электромобилей, как система с магнитным полем.
Однако беспроводная зарядка имеет свою опасность, так как создает электромагнитные поля на относительно высоких частотах. Например, частота 85 кГц может представлять угрозу для человека, животных, электроники и даже пассажиров на борту заряжаемого авто.
Для ограничения значения поля были предложены пассивные и активные методы защиты. Например, для этой цели часто используются медные или алюминиевые пластины, но они же могут повлиять на эффективность зарядки.
Внешнее зарядное устройство подключается к сети среднего напряжения, а его выходная мощность напрямую подается на клеммы аккумулятора. Они обеспечивают питание постоянного тока на аккумулятор электромобиля через изолированный преобразователь, расположенный вне авто. Такие системы обеспечивают большую скорость зарядки, поскольку не ограничены размером и весом. «Быстрые» зарядные устройства снижают требования к хранению энергии на борту авто, что уменьшает стоимость электромобиля. Кроме того, внешние устройства могут быть двунаправленными, то есть обратно передавать электричество от авто в сеть (и зарабатывать на этом).
Авторы доклада приходят к выводу, что для массового перехода на электрокары отрасль должна не только сосредоточиться на эффективности трансмиссии электромобилей, но и разработать качественные зарядные устройства (проводные и беспроводные). Еще один вызов — оптимизировать инфраструктуру зарядки с учетом как энергетических, так и транспортных ограничений. Наконец, необходимо разработать интеллектуальные протоколы зарядки с указанием маршрутов для водителей и свободных для зарядки мест, где интересы автовладельца будут соседствовать с финансовой выгодой для инвестора.