Как устроен электрокар и что нужно знать о батарее и зарядке
Электрокары уже не кажутся какой-то диковинкой. С каждым годом в Беларуси этот вид транспорта всё больше набирает популярность, а на рынок привозят и европейские, и азиатские бренды. Вместе с тем растёт и количество вопросов водителей: как работают электромобили и какая в них «начинка», как их вообще использовать и обслуживать? Поэтому av.by начинает цикл материалов, в которых попытается найти ответы и рассказать об «электричках» всё, что нужно о них знать. Сегодня мы разбираемся в устройстве электромобиля и принципах его работы, а также во всех нюансах зарядки на ЭЗС.
«Отличие электрокара от автомобиля с ДВС в том, что в первом “не хватает” более 2 000 деталей»
Спроси у любого прохожего на улице, какой электрокар он знает, и с вероятностью в 99% получишь ответ: «Tesla». Действительно, в своё время из каждого утюга было слышно о ней (спасибо Илону Маску и гениальному пиару).
Но производство электромобилей развивается не только в США. Яркий пример — Китай, где уже около 15 лет с конвейера сходят разнообразные модели, которые по технологиям не хуже американской конкурентки, а то и превосходят её. В конце концов, не только разгон до «сотни» — решающий фактор.
С китайскими электромобилями постепенно знакомятся и белорусы. Дилеры и поставщики на рынок привозят интересные модели, в основном адаптированные к нашим условиям. Уже год на слуху китайский бренд BYD (Build Your Dreams). На примере хетчбэка BYD Dolphin Plus мы и познакомимся с устройством «электрички» и всеми нюансами зарядки и инфраструктуры. Поможет нам в этом компания SGP, которая привозит BYD в Беларусь под ключ. С коммерческим директором Дмитрием Гирелем мы встречаемся на площадке электрозаправочных станций Malanka в Малиновке.
— Глобально отличие электрокара от автомобиля с ДВС в том, что в первом «не хватает» более 2 000 деталей, — с шутки начинает наш разговор Дмитрий. — Можно сказать, что устройство электрокара достаточно простое. Основные компоненты — батарея, электродвигатель и редуктор, который передаёт движение от мотора на ведущую ось, за счёт чего и существует линейное ускорение. К слову, КПД у ДВС составляет 25-28%, у электродвигателя — 95-98%.
В модели Dolphin Plus батарея расположена снизу почти по всей длине кузова и защищена 4-сантиметровым слоем металла.
— История компании BYD начиналась с производства аккумуляторных батарей для строительной техники, а со временем и для электробусов, трамваев. Технологии наработаны 30-летним опытом. С 2021 года все электрокары BYD комплектуются запатентованной батареей Blade Battery. Она литий-железо-фосфатная, поэтому не боится высокого тока, перезаряда и полного разряда. Цикл зарядки батареи не уменьшается. А ёмкость падает всего на пару процентов в год в зависимости от количества зарядок. Гарантия на такую батарею — до 1,2 миллиона километров пробега!
Кроме того, такая батарея не нуждается в системе охлаждения. Ведь если литий-ионный аккумулятор может разогреться до 600°C при проколе или проломе, то Blade Battery — максимум до 50-60°C. И возможность возгорания батареи при аварии исключена. Также устройство не боится зимы и жары, а помимо этого, больших токов быстрых зарядок.
«BYD Dolphin Plus нужно заряжать раз в две недели»
Одна из самых значимых характеристик электрокара — это запас хода. В BYD Dolphin Plus — 420 километров. То есть если ездить на ней из дома на работу и обратно (допустим, 30 км в день), то заряжать «электричку» нужно будет раз в две недели.
— Большую роль на расход батареи влияет использование режимов езды и рекуперации. В данном случае езда регулируется режимами Eco, Normal, Standard, Sport. Что касается рекуперации: есть стандартная, когда машина передвигается накатом, как обычный ДВС на «нейтралке», а также усиленный режим Large — водитель отпускает педаль газа, и электрокар автоматически притормаживает, за счёт чего заряжается гораздо больше, — рассказывает Дмитрий.
Дмитрий говорит, что в городе получать максимум динамики и тратить меньше энергии хетчбэка получится, если включить режим двигателя «Стандарт» или «Спорт» в сочетании с режимом рекуперации Large.
А за городом (на трассах) для комфортной и экономичной езды необходимо переключить режим рекуперации на Standard, двигатель перевести в режим Eco и использовать круиз-контроль.
За питание в электрокаре отвечает разъём, который расположен под крышкой сбоку (как топливный бак в авто с ДВС). В BYD Dolphin Plus разъём китайского стандарта GB/T. Он считается на данный момент самым прогрессивным — пропускает до 150 киловатт.
— Чтобы зарядить китайский электрокар на станциях в Беларуси, иногда необходим переходник (стоит $1 300-1 500). Дело в том, что, когда электрозаправочная инфраструктура у нас зарождалась, на рынке были в основном европейские электрокары с разъёмом CCS Combo и японские с CHAdeMo. Поэтому все станции подстраивались под них. Сегодня на рынке появляется много китайских электрокаров, и на это реагирует инфраструктура, то есть станции уже оборудуются GB/T-разъёмами, чтобы заряжаться без переходника.
Что в себе скрывает ЭЗС?
С электрокаром разобрались, но что насчёт зарядных станций? Как они работают, какие мощности, что спрятано внутри них, что такое медленная и быстрая зарядки? Разобраться в этом и ответить на самые «глупые» вопросы поможет инженер-программист компании Malanka Андрей Хмелевской. Сегодня это самая крупная сеть ЭЗС в Беларуси — более 650 станций.
Если говорить в целом, сейчас в городах и на трассах страны можно встретить станции белорусского производства (Т-Zone, Vityaz) и российского (Yablochkov). Общий принцип работы у всех ЭЗС один, но везде используются разные контроллеры как заряда, так и управления. У каждой свои подходы к взаимодействию с электрокаром, но все они нацелены на надёжность и скорость зарядки.
— Поэтому мы, как правило, устанавливаем ЭЗС Mode 4 для быстрой зарядки, то есть зарядки постоянным током, мощностью от 50 до 350 киловатт. Они больше по размеру, потому что внутри стоит преобразователь энергии. В городах можно встретить «столбики» — станции медленной зарядки Mode 3 с разъёмом Type 2. Это решение для паркингов и мест долговременной стоянки электромобилей (от шести часов). В таком случае переменный ток идёт от питающей подстанции, а в постоянный преобразуется внутри самого электромобиля.
Зарядка переменным током (медленная) на станциях Malanka стоит 0,40 руб/кВт⋅ч, постоянным (быстрая) — 0,49 руб/кВт⋅ч
Как рассказывает Андрей, один из элементов зарядной станции — силовая часть. К ней подключён питающий кабель с переменным током через счётчик, который может стоять как в самой станции, так и в специальном распределительном устройстве. Далее питание проходит к силовым блокам или преобразователям напряжения. Счётчик ведёт учёт потреблённой электроэнергии, и он же передаёт информацию на контроллер, управляющий всей станцией. К тому же каждая станция — это, по сути, отдельная независимая система связи с модемом, специальной сим-картой, чтобы держать коммуникацию с сервером. Таким образом, станции управляются удалённо, их можно перезапустить в случае неполадок и т.д.
Здесь, возле МКАД в Малиновке, недавно установили ЭЗС нового типа. Отличаются они принципом питания.
— Силовая часть и мощности находятся в специальном контейнере, где стоят так называемые выпрямители — они преобразуют переменный ток в постоянный. Питание проходит под землёй через кабели. В самой колонке есть элементы управления, контроллеры заряда, световая индикация, монитор, где вводится информация, коннекторы. А в самых мощных имеется система охлаждения.
«Станция — это обслуживающий персонал, а электромобиль — привередливый клиент»
Перед тем как зарядить электромобиль, нужно изучить его технические характеристики, советует Андрей и добавляет:
— Часто сталкиваемся с вопросами от пользователей: почему на станции мощностью 120 киловатт электрокар берёт только 50? Действительно, на всех станциях указана максимальная мощность, но мощность зарядной сессии зависит от многих параметров, таких как уровень заряда, температура, степень деградации батареи, модели электромобиля, и соответствует значению, запрашиваемому электромобилем.
В приложении Malanka New пользователь может для своего удобства, воспользовавшись фильтрами, выбрать отображение станций, подходящих его электромобилю по типу коннектора и мощности.
Затем владелец приезжает к станции, подключает электрокар к ней, открывает приложение и сканирует QR-код, то есть запускает сессию буквально в два клика.
— Можно установить лимиты по времени зарядки и потреблению энергии в киловаттах либо оставить их стандартными. В момент, когда пользователь нажимает на кнопку «Продолжить», на станцию с его аккаунта в приложении через сервер управления поступает команда запуска сессии. Станция начинает обмен данными с электромобилем, чтобы проверить системы безопасности, сопротивление изоляции кабеля, наличие заземления.
Лишь затем начинается зарядная сессия — и это не только питание электричеством, но и непрерывный обмен данными. Например, станция Mode 4 постоянного тока «видит» уровень заряда батареи в электромобиле и её напряжение, запрашиваемый ток, что позволяет пользователю удалённо наблюдать за состоянием зарядки электромобиля.
— Вообще, станция — это обслуживающий персонал, а электромобиль — привередливый клиент. Сейчас производители стремятся сделать запас хода большим за счёт увеличения ёмкости батареи либо уменьшения расхода потребления электродвигателя. И желательно, чтобы деградация батареи была минимальной. Поэтому электромобили комплектуют программным обеспечением, которое диктует: «Я хочу заряжаться таким током и таким напряжением». А станция всего лишь реагирует на эти запросы, — объясняет Андрей.
Например, некоторые электромобили могут в начале зарядной сессии несколько минут брать от станции всего 8-10 киловатт. Машина так делает проверку. И если видит, что всё хорошо, то увеличивает потребление энергии. Также электрокар от 0 до 20% и от 80 до 100% заряжается медленнее, что не нанесёт вред батарее.
Почему иногда «электричку» не получается зарядить?
Но мы пропустили ещё один важный этап — подключение электромобиля к станции. Как происходит данный процесс?
— На этих станциях коннектор CCS Combo 2 — это «пистолет» для зарядки постоянным током. Европейский тип разъёма для электромобилей CCS Type 2 — самый универсальный и состоит из двух частей. Когда машина подключается к станции, по верхним контактам идёт обмен данными и заземление, а по нижним — электроэнергия.
Имея такой разъём, электрокар может зарядиться вообще на любой станции в Беларуси. Речь, например, о европейских Tesla, Chevrolet Bolt и BMW i3.
— Можно провести аналогию с разъёмами для зарядки мобильных телефонов. В айфонах — Apple Lightning, в «андроидах» — Type-C или Micro USB. И если нет нужного кабеля с нужным разъёмом, то телефон зарядить не получится. Так же и с электромобилями.
Но мы понимаем, что удобство клиента — это главное. Уже запланирована полная модернизация всех станций для зарядки китайских электромобилей с разъёмом GB/T. Как вы могли заметить, переход на GB/T начался по всей сети Malanka уже сегодня, в этом году будет обеспечено базовое покрытие основных направлений и населённых пунктов, а полная модернизация всех «быстрых» станций завершится уже в следующем году.
В 2023-м планируется оборудовать разъёмом GB/T около 150 ЭЗС по всей Беларуси.
По словам Андрея, переходники для быстрой зарядки имеют свой алгоритм работы, механизмы взаимодействия как со станцией, так и с электрокаром и контроллеры, тоже участвующие в зарядной сессии.
— Могут возникать конфликты между станцией и электрокаром, так как в переходнике применяются какое-то ПО и контроллер, которые неправильно согласуют взаимодействие машины и станции.
Если пользователь не может зарядиться, нужно позвонить в техническую поддержку.
— Удалённо мы видим очень много параметров станции и постоянно отслеживаем их. Если возникает проблема, разбираемся, в чём причина. Первая и самая действенная мера — это перезагрузка станции. Она даёт время специалистам проанализировать данные со станции и изменить параметры, если это необходимо, — например, подстроиться под переходник. Если мы уверены, что со станцией всё в порядке, а у человека не получилось зарядить, можем отправить на неё обслуживающую организацию перепроверить.
— Иногда техподдержка может попросить перезагрузить электромобиль. Ведь это такое же устройство, как и смартфон, только большое и ездит.
Что нужно знать о батарее электромобиля?
Рассказываем, как устроен самый дорогой узел электрокара.
Рассказываем, как устроен самый дорогой узел электрокара.
Батарея – это дорогостоящий компонент электрокара. Она является главным источником энергии, который приводит машину в движение. Именно от батареи зависит стоимость автомобиля на электротяге и дальность его хода. Как же устроен самый сложный узел электромобиля, как долго он может прослужить и как правильно его эксплуатировать?
Чем обусловлена высокая стоимость батареи?
В 2010 году, когда электромобили только начинали пробиваться на рынок, каждый «батарейный» кВт/ч стоил примерно 1200 долларов, что многократно дороже, чем энергия, которую он запасал. За двенадцать лет развития аккумуляторных технологий цена хранения электроэнергии снизилась до 150 долларов. Более того, этот параметр будет дешеветь на 10-15% каждый год. Несмотря на это, в цене электрокара именно доля батареи остается самой высокой.
Дороговизна батареи обусловлена несколькими причинами:
- Размер. Аккумуляторная сборка электромобиля, дальность хода которого составляет 350 километров, весит около 500 килограммов.
- Почти на 90% этот узел состоит из мощных электропроводящих шин и дорогих аккумуляторных ячеек – в их производстве используются редкие химические элементы, цветные и драгоценные металлы.
- Каждая батарея имеет множество электронных блоков и датчиков, цепи защиты и контур терморегулирования.
Для чего электромобилю нужна высоковольтная батарея?
Тяговая батарея электромобиля отличается от автомобильного аккумулятора рабочим напряжением. Вместо 12 В (или 24 В у грузовых авто) даже у первых электрокаров оно измерялось сотнями вольт. Сегодня 350-450 В – стандартное напряжение. У дорогих моделей оно выше, например, у Porsche Taycan достигает 800 В, а электрическая платформа электрогрузовиков базируется на 1200- или 1600-вольтовой системе.
Высоковольтная система позволяет запасти намного больше энергии на единицу массы батареи. Если сложить батарею обычного электромобиля из простых автомобильных аккумуляторов, для их перевозки понадобится грузовик. Кроме того, токи в высоковольтной системе при той же мощности двигателя ниже – значит, можно использовать более тонкие провода для экономии массы.
Какие ячейки используют в батареях электрокаров
В отличие от автомобильных аккумуляторов, ячейки батарей для электрокаров не содержат электролит или заменяющий его гель. По своему наполнению они похожи на обычные батарейки для гаджетов.
Первые электромобили оснащали никель-металлгидридными (Ni-MH) аккумуляторами. Они позволяли запасти до 300 Вт/ч. Но на практике удавалось использовать лишь пятую часть их возможностей. Им на смену пришли литий-ионные элементы, которые долгое время считали невыгодными из-за высокой стоимости. Но только они могли обеспечить реальную удельную энергоемкость на уровне 100-250 Вт·ч/кг.
Компания Tesla начала использовать цилиндрические Li-Ion ячейки формата 18650 (немного больше батареек АА), которые предназначались для батарей для ноутбуков. В Tesla Model S они собраны в шестнадцать 25-вольтовых модулей.
Японские производители предпочитают аккумуляторные элементы плоской формы, которые специально разработаны для электромобилей, – их удобнее собирать в пакеты необходимой емкости. Европейские выбирают еще более технологичные ячейки, которые имеют форму брусков.
Технология производства литий-ионных ячеек уже достаточно отработана крупными компаниями из Китая, Японии и Южной Кореи. Более подробно о них можно почитать в статье «Топ-5 производителей аккумуляторных батарей для электромобилей».
Отметим, что Li-Ion – это общее название разных по составу аккумуляторов:
- Литий-кобальтовые – обеспечивают самую высокую энергоемкость, но взрывоопасны и токсичны.
- Литий-марганцевые – запасают меньше энергии и перестают работать при температуре -10℃.
- Литий-железо-фосфатные – наиболее стабильные, обладают нормальной энергоемкостью и работают даже при -30℃.
- Графен-полимерные и литий-серные пока на стадии разработки. Они позволят достичь еще большей энергоемкости и скорости заряда.
Как электроника управляет батарей
Тяговая батарея представляет собой матрицу из соединенных друг с другом элементарных низковольтных ячеек. Их зарядкой и разрядкой занимается целая сеть микропроцессоров на разных уровнях матрицы.
Так, каждая аккумуляторная ячейка оснащена одним или парой датчиков температуры и собственным контроллером, которые отвечают за безопасные токовые режимы, защиту от перенапряжения, перегрева и т.д.
За зарядку блока из десятка или сотен ячеек отвечает контроллер BMU. Он балансирует токи между последовательно и параллельно соединенными аккумуляторными элементами.
Центральный контроллер BMS отвечает за общее управление и распределение энергии в зависимости от типа зарядки (медленная, обычная, быстрая или сверхбыстрая). Он также следит за оптимальным распределением нагрузки на все модули.
Как электроника защищает батарею и людей
Вышеназванные блоки управления контролируют не только ячейки АКБ, но и всю электрическую сеть, которая соединяет элементы. Если одна ячейка дает сбой, система управления снижает на нее нагрузку или вовсе перестанет заряжать, чтобы исключить даже минимальный риск внутреннего повреждения батареи.
Электроника также контролирует силовые цепи электрокара. При внештатных отклонениях в приводе или при утечках токов мощные реле разрывают цепи. От короткого замыкания защищают классические предохранители. Физическое состояние всех критически важных соединений отслеживается по сквозной шине контроля разъемов. Также применяются датчики удара, которые защищают от поражения током при аварии. При их срабатывании с цепей снимается напряжение.
Корпус батареи
У большинства автомобилей на электротяге батарея похожа на плиту и расположена под полом салона. Таким образом удобно делать модульные батареи, которые отличаются весом, емкостью, размером, стоимостью, но взаимозаменяемые в рамках одной электрической платформы.
Такая компоновка требует повышенной прочности корпуса батареи. Поэтому ее конструируют таким образом, чтобы она выдерживала сильные удары со всех сторон. Днище АКБ тоже должно обеспечивать герметичность и противостоять ударам, например, от летящих камней. Поэтому батарея – самый прочный элемент электромобиля.
Добавьте к этому гидрозащиту, систему патрубков, набор специальных защищенных высоковольтных разъемов, крепеж к кузову, который у некоторых моделей делает батарею частью силовой структуры электромобиля, и простая «коробочка для аккумуляторов» становится техношедевром, который делается по специальной технологии из высокопрочных алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.
Эксплуатация батареи
Батарея электрокара, как и любой другой перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор, по мере использования теряет свою емкость. Это естественный процесс. Из статьи «Деградация батареи. Можно ли избежать?» вы узнаете, как продлить срок службы АКБ.
На ресурс батареи негативно влияют:
- Частое применение скоростных ЭЗС мощностью более 100 кВт/ч. Это отличный вариант для подзарядки в дороге, когда всего за 30-40 минут можно восстановить запас хода до 200 километров. Но для аккумуляторных ячеек зарядка сверхинтенсивными токами – стресс. Для регулярной зарядки рекомендовано использовать станции мощностью до 22 кВт/ч. Такие можно установить в гараже, во дворе или на подземном паркинге.
- Работа при сильно отрицательных температурах. Зимой лучше оставлять электрокар в гараже, подключенным к ЭЗС до самого выезда, а накануне включать по таймеру подогрев от электросети.
- Регулярная подзарядка до 100%.
За последние десять лет батареи подешевели в три раза, а их емкость возраста в разы. Но они все еще остается самыми дорогостоящими компонентами электрокаров. Немалая доля в стоимости АКБ приходится на корпус, который отличается высокой прочностью и довольно сложный в изготовлении.
Распределением энергопотоков внутри батареи занимается сложная система с большим количеством температурных датчиков и контроллеров. Под контролем находится каждая ячейка, модуль, участок цепи и вся батарея в целом.
Изнашивается батарея так же, как и любой перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор. Большинство производителей дают гарантию на ее работу восемь лет или 160 000 километров пробега. Как долго прослужит батарея зависит от того, как вы будете ее заряжать.
Зарядка электромобилей: постоянный или переменный ток?
Основной недостаток легковых электромобилей — значительное время зарядки аккумуляторов, обычно составляющее не менее 3 часов. Уменьшение этого времени до получаса делает зарядку электромобиля сопоставимой с заправкой обычного авто бензином. Все равно полчаса на автозаправке вы и так потратите за чашкой кофе и покупкой в местном магазине. Такое короткое время зарядки уже стало реальностью, если заряжать автомобиль от постоянного тока. Почему же тогда зарядные станции на переменном токе не ушли в прошлое?
Практически любой современный электромобиль (кроме отдельных спортивных моделей, не имеющих широкого распространения) может заряжаться от обычной электрической розетки. Наличие такой функции позволяет не остаться без движения в местностях, где нет специальных зарядных станций. Например, аккумуляторы сели недалеко от глухой деревни, и вы попросились на постой к сердобольным местным жителям.
Зарядка от бытовой розетки имеет свои ограничения. Напряжение питания 230 В (по старому стандарту — 220 В) переменного тока. Конструкция розетки и используемые провода ограничивают силу тока значением 16 А. Для того, чтобы полностью зарядить батарею аккумуляторов электромобиля Tesla Model S 75D, потребуется примерно 21 час — почти сутки!
Но в экстренной ситуации и не ставится задача зарядить аккумуляторную батарею полностью, главное — дотянуть до ближайшей станции зарядки. Многие (но не все!) модели электромобилей поддерживают заряд на переменном токе как принятый в России и Евросоюзе стандарт 230 В, так и американский 120 В и даже японский 100 В.
Наиболее распространенный тип разъема для зарядки переменным током — Type 2
Самостоятельно заряжать электромобиль у себя дома можно в том случае, если вы живете в отдельном коттедже или таунхаусе. В таких зданиях обычно имеются еще и трехфазные розетки 400 В (по старому стандарту — 380 В) переменного тока. Зарядка той же Tesla Model S 75D от трехфазной розетки займет уже 7 часов. Можно заряжать авто ночью, пока вы спите, а днем зарядки хватит примерно на 500 км пробега.
В том случае, если линия, подающая электроэнергию в коттедж или секцию таунхауса, способна выдерживать ток порядка 80–100 А, можно дополнительно ускорить процесс, установив личную зарядную станцию на переменном токе. Она подключается напрямую к электрическому щиту дома, поэтому на ее работу не оказывают влияние ограничения, связанные с розетками и проводкой. Время зарядки сокращается до 4 часов.
К зарядным станциям коллективного пользования, как правило, прокладывают линии, способные передавать мощность порядка десятков кВт. Зарядка электромобиля производится трехфазным переменным током. Наиболее распространенный разъем для такого рода зарядки в европейских странах, в том числе и в России, — Type 2. Массовое распространение на парковках офисов, торговых центров и прочих публичных мест получили зарядные станции мощностью 22 кВт, у которых ток зарядки не равен 32 А. Полностью «заправить» электромобиль Tesla Model S 75D на них можно за 3 часа.
Поскольку на таких стоянках оставляют машину на время работы, шоппинга или посещения ресторана, делать более быстродействующие, а значит, и дорогие зарядные станции не имеет экономического смысла.
Максимальная сила тока, которую выдерживает разъем Type 2, — 63 А. Это соответствует мощности зарядной станции на трехфазном переменном токе 43 кВт. Но такой режим поддерживают не все электромобили.
Преимущества и недостатки переменного тока
Непосредственно аккумуляторы всегда заряжаются постоянным током. Поэтому в электромобиль встроено зарядное устройство, которое преобразует поступающий со станции переменный ток в постоянный и регулирует параметры зарядки. Как уже отмечалось, наличие такого устройства для любого электромобиля обязательно, иначе он не сможет подзарядиться в критической ситуации.
Зарядные станции на переменном токе компактны и имеют простую
конструкцию, что обусловило их массовое использование
Конструкция станции на переменном токе предельно простая. В ней есть системы защиты как электромобиля, так и электрической сети от нештатных ситуаций, и, при необходимости, биллинговая система, позволяющая продавать услугу зарядки.
Тем не менее размещение основных узлов зарядного устройства на борту электромобиля ограничивает скорость зарядки на переменном токе. Чем выше скорость зарядки, тем больше сила тока. В свою очередь, это влечет за собой увеличение массы и габаритов электронных узлов, отвечающих за зарядку. А еще увеличение скорости зарядки потребует улучшения отвода тепла от электронных узлов. Ограничения по массе, габаритам и возможностям отвода тепла в легковом электромобиле определили предел тока зарядки в 32 А. Он характерен как для большинства массовых моделей электромобилей.
Некоторые электромобили поддерживают зарядку переменным током 63 А. Например, она есть в автомобилях Renault Zoe. Время «заправки» для пробега в 500 км сокращается до 1,5 ч.
Зарядка постоянным током
Значительно ускорить зарядку можно, если на станции подключаться к аккумулятору напрямую. При таком подходе уже нет ограничений по размерам и массе зарядного устройства, так как все его узлы размещены вне кузова электромобиля. Естественно, напрямую на аккумуляторы можно подавать только постоянный ток.
Рабочее напряжение аккумуляторной батареи в современных электромобилях обычно составляет 400–450 В. Поэтому в качестве стандарта для зарядки на постоянном токе приняли напряжение 500 В.
Параметры зарядных станций для электромобилей в России регламентируются ГОСТ Р МЭК 61851-1-2013 «Системы токопроводящей зарядки электромобилей», являющимся адаптацией международного стандарта IEC 61851-1. Стандартизация вилок и розеток на зарядных станциях осуществляется на основании ГОСТ Р МЭК 62196-1-2013 и ГОСТ Р МЭК 62196-2-2013 «Вилки, штепсельные розетки, соединители и вводы для транспортных средств. Кондуктивная зарядка для электромобилей», части 1 и 2. Эти стандарты являются адаптацией IEC 62196-1 и IEC 62196-2.
При зарядке постоянным током интерфейс между станцией и электромобилем обязательно должен содержать канал передачи данных от транспортного средства к зарядке. На основании этой информации станция определяет тип и текущее состояние аккумуляторной батареи, точно подстраивая напряжение и некоторые другие параметры зарядки.
Для зарядки на постоянном токе используются разъемы CHAdeMO, CCS и Tesla Type 2. Зарядные станции с разъемами CHAdeMO и CCS имеют мощность 50 кВт. Такая мощность позволяет за 1,5 часа зарядить электромобиль для пробега 500 км. Следует отметить, что наличие разъема CHAdeMO или CCS в электромобиле автоматически означает поддержку ультрабыстрой зарядки мощностью 50 кВт, даже если такая зарядка на переменном токе не поддерживается. Например, Nissan Leaf (кроме отдельных серий) поддерживает ультрабыструю зарядку только на постоянном токе.
Rеnault Zoe — один из немногих легковых электромобилей, поддерживающий зарядку переменным током 63 А
Электромобили Tesla для зарядки на постоянном токе используют собственный разъем Tesla Type 2. Тем не менее предусмотрена возможность зарядки электромобилей данной марки через разъемы CHAdeMO или CCS с использованием специальных адаптеров, приобретаемых пользователем отдельно.
Разъем Tesla Type 2 имеют зарядные станции Tesla Supercharger, специально предназначенные для легковых и грузовых электромобилей данной марки. Рабочее напряжение такой станции составляет 480 В, мощность может достигать 150 кВт. Уже упоминавшийся в качестве примера электромобиль Tesla Model S 75D заряжается от подобной станции на 80 % за полчаса.
Столь высокая скорость зарядки достигается благодаря тому, что аккумуляторные батареи и зарядная станция идеально подогнаны друг к другу. Станции других типов ориентированы на обслуживание электромобилей разных марок, из-за чего приходится идти на компромиссы.
Помимо мировых лидеров вроде Tesla, Schneider Electric и ABB, выпуск зарядных станций на постоянном токе освоили и российские компании. Первой такой станцией стала «Фора ЭЗС-DC» производства Рязанского радиотехнического завода (входит в госкорпорацию «Ростех»). Она поддерживает интерфейсы CHAdeMO или CCS, а также ультраскоростную зарядку на переменном токе через Type 2. Компания «Промэлектро» создала недавно свою бюджетную модель зарядной станции на постоянном токе.
Российская зарядная станция на постоянном токе «Фора ЭЗС-DC»
производства Рязанского радиотехнического завода
К недостаткам постоянного тока следует отнести высокую стоимость зарядной станции в комплекте с кабелем — от 5000 долл. Для сравнения, цены на зарядные станции, работающие на переменном токе, начинаются с 1500 долл., с учетом стоимости кабеля.
Также распространено мнение, что зарядные станции на постоянном токе снижают срок службы аккумуляторов. На самом деле, ресурс аккумуляторов снижается при любых способах ускоренной зарядки. Чтобы уменьшить влияние данного фактора, на некоторых станциях ультрабыстрая зарядка ограничивается 80 % емкости аккумуляторной батареи.
Неоднозначные перспективы
Действующий стандарт зарядки электромобилей на постоянном токе рассчитан на аккумуляторные батареи с рабочим напряжением 450 В. Таково сегодняшнее видение ситуации конструкторами электромобилей. Но уже сейчас проводятся исследования, показывающие, что для повышения эффективности и ходовых качеств электромобилей потребуется повышать напряжение батареи, вплоть до 900 В. Также ожидается, что в ближайшее время аккумуляторы в электромобилях будут вытеснены суперконденсаторами. Оба события потребуют переделывать или просто заменять оборудование зарядных станций на постоянном токе. В то же время зарядные станции на переменном токе смогут без проблем обслуживать как машины с 900 В аккумуляторами, так и электромобили на суперконденсаторах.
Поэтому развитие сетей зарядных станций на переменном токе еще долго будет интересовать инвесторов. Такие станции не только стоят недорого, но еще и защищают инвестиции, поскольку совместимы с электромобилями будущего.
Тем не менее и станции на постоянном токе способны занять свою нишу на рынке при установке их на крупных магистралях федерального значения. За счет обслуживания большого потока машин инвестиции окупятся быстрее, чем поменяются стандарты.
Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» № 3 2020
Молния под ногами: почему в электромобилях такое высокое напряжение?
Напряжение в батареях большинства электромобилей, бегающих по дорогам, равно 400В. То, что сложился единый стандарт, удобно для всех – и операторов зарядных станций, и производители батарей и электромобилей.
Однако сейчас отрасль поделилась на два лагеря. Часть специалистов считают, что в ближайшие годы будет увеличиваться число электромобилей, оснащённых батареями удвоенного напряжения. Такие батареи уже внедряются – например, в Hyundai Ioniq и GM Hummer EV. В роскошном Lucid Air напряжение даже выше – 920В. Опрос автомобильных инженеров и менеджеров, проведённый аналитиками Wards Intelligence в конце прошлого года, показал, что к середине текущего десятилетия уже каждый четвёртый или даже каждый третий электромобиль будет продаваться с подобными батареями.
Дело в силе тока
Причиной стало желание ускорить процесс зарядки батареи. Не секрет, что в наши дни долгая зарядка отпугивает многих потенциальных покупателей электрокаров. А она, в свою очередь, ограничивается силой тока. Чем выше ток, тем сильнее генерация тепла, что в конце концов может привести к перегреву батареи и кабеля.
Решить проблему можно через повышение напряжения. По известному физическому закону, мощность есть произведение напряжения на силу тока. То есть, если удвоить напряжение, можно при той же силе тока передать двойную мощность.
На практике не всё так прямолинейно, однако этот шаг позволит отрасли перейти от зарядных станций пиковой мощностью 50 кВт к станциям мощностью 250 кВт – опять же, не средней, а пиковой. Porsche Taycan может даже заряжаться с мощностью до 270 кВт.