08-02-2022

Перспективные разработки в области E-Mobility

Тайбель М., Рейтмайер С., Томчик Ю.

Наша мобильность переживает беспрецедентный процесс трансформации. Десять лет назад количество автомобилей в мире превысило миллиардную отметку, и продолжается увеличиваться. Это имеет негативные последствия, такие как загрязнение воздуха (твердыми частицами и оксидами азота). Концепция E-Mobility открывает возможность широкого перехода от мобильности, основанной на ископаемом топливе, к мобильности, основанной на возобновляемых источниках энергии. Но при этом важнейшей задачей становится достижение устойчивой работы транспорта. До недавнего времени самой большой проблемой роста рынка электромобилей считалась обеспокоенность потребителей малой дальностью поездки, то есть они боялись оказаться в затруднительном положении из-за разряда аккумуляторной батареи или отсутствия зарядной инфраструктуры. О перспективных разработках в области E-Mobility, направленных на развитие инфраструктуры и оборудования для зарядки электромобилей, рассказывается в статье.

 

Текущие задачи и статус-кво на рынке E-Mobility

Рост рынка

Национальные и международные нормативные базы, направленные на поддержку развертывания оборудования для питания электромобилей, стимулируют рост рынка зарядного оборудования. Такие страны, как Германия, Китай, Нидерланды и Франция, среди прочих, являются одними из ведущих государств, развивающих свою инфраструктуру зарядки электромобилей с помощью различных мер государственной поддержки.

Например, чтобы до следующей станции быстрой зарядки можно было добраться в течение 10 мин, Германия к концу 2021 года собирается построить 50 тыс. дополнительных станций быстрой и стандартной зарядки. Кроме того, к концу 2023 года должна быть создана общедоступная сеть станций быстрой зарядки, расположенных в 1000 пунктах. В каждом из пунктов сети должно находиться несколько станций быстрой зарядки мощностью не менее 150 кВт каждая. Это позволяет без проблем совершать дальние поездки и осуществлять быструю зарядку в густонаселенных районах.

Однако нынешняя ситуация выглядит не столь радужно. В четвертом квартале 2020 года зарядная инфраструктура Германии была представлена примерно 35 600 зарядными станциями. Для достижения амбициозных целей правительство Германии в последние годы принимает многочисленные меры по развитию E-Mobility. К ним относятся, например, скидка на покупку электромобилей, освобождение от транспортного налога и Закон об электромобилях. Принятый в мае 2016 года законодательный пакет по электрической мобильности, среди прочего, постановил содействовать развитию общедоступной зарядной инфраструктуры с объемом финансирования в 300 млн евро. На начало 2021 года запланирована новая редакция программы финансирования зарядной инфраструктуры в размере 500 млн евро. Среди прочего, эти меры привели к рекордному числу регистраций новых электромобилей в Германии. В 2020 году было зарегистрировано около 194 200 новых аккумуляторных электромобилей (BEV), что примерно в три раза больше, чем в предыдущем году (в мире в 2019 году – около 2 320 000).

Функциональная совместимость

По мере того, как емкость батарей новых электромобилей среднего класса достигает 60–80 кВт · ч, беспокойство о дальности поездки становится всё менее и менее значимым фактором. Но эти превосходные показатели и упомянутый быстрый рост числа общедоступных зарядных станций электромобилей приведут к тому, что E-Mobility завоюет глобальный массовый рынок только в том случае, если реализация зарядной инфраструктуры будет достаточно зрелой.

Представьте, что вы с почти разряженной батареей с нетерпением приближаетесь к станции быстрой зарядки постоянным током. Вы испытаете облегчение, когда через лобовое стекло увидите зарядную станцию включенной и не занятой другими, и разочарование, если зарядка не начнется по неведомым причинам или начнется успешно, но не на полной мощности, поддерживаемой вашим электромобилем. И что в этой ситуации почувствует водитель и его семья?

Чтобы сделать автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) полностью устаревшими, электромобили должны стать действительно «дальнобойными». Для этого водитель должен быть реально уверен в том, что следующий зарядный пункт на его маршруте находится в рабочем состоянии и полностью совместим с его электромобилем. Это может показаться странным, но на самом деле добиться этого довольно сложно.

Вы помните внедрение Wi-Fi в потребительские ноутбуки? Сегодня никто не может себе представить, что у нового мобильного устройства возникнут проблемы с подключением к любой частной или общедоступной сети Wi- Fi. Но чтобы добиться этого, понадобилось создать Альянс совместимости беспроводного оборудования (Wireless Ethernet Compatibility Alliance – WECA, в 2002 году переименованный в Wi- Fi Alliance), разработавший специальные тесты на совместимость, не включенные в сам стандарт IEEE 802.11b.

Два десятилетия спустя такая же ситуация сложилась с электромобилями и зарядной инфраструктурой. Хотя большая часть соответствующей нормативной документации была опубликована в период с 2014 по 2015 год (см. рис. 1), она не содержала тестов для проверки соответствия реализации требованиям стандартов. Далее давайте подробнее рассмотрим протокол зарядки под названием «Комбинированная система зарядки» (Combined Charging System – CCS), поскольку он де-факто является стандартом в Европе и Северной Америке (для справки: компания Tesla переходит на CCS с протокола собственной разработки, а автопроизводитель Nissan объявил о переходе с протокола CHAdeMO на CCS в Европе и США) и получает все большее признание на рынках других стран, кроме Японии и Китая.

Рис. 1. Обзор стандартов, касающихся функциональной совместимости CCS, в виде временной шкалы

 

В 2021 году, в разгар массового распространения электромобилей второго поколения, представленных всеми основными автопроизводителями, проблема совместимости зарядного оборудования еще не решена. И вот почему.

Во-первых, по сравнению с Wi- Fi, зарядный интерфейс CCS намного сложнее, поскольку он использует высокое напряжение и передает значительные количества электроэнергии. Во-вторых, автомобили проектируются в соответствии с конкретными автомобильными стандартами, а зарядная инфраструктура следует более общим электротехническим стандартам. В результате техническая спецификация для зарядки электромобилей постоянным током раздроблена на множество документов Международной электротехнической комиссии (IEC), Международной организации по стандартизации (ISO) и Немецкого института по стандартизации (DIN). На рис. 1 представлены наиболее важные из них, касающиеся совместимости для проводной зарядки через интерфейс CCS (в упрощенном виде, поскольку, например, опущены механическая совместимость разъемов и ЭМС).

Как видно, до сих пор не опубликована спецификация испытаний на соответствие, касающаяся системных требований и требований безопасности электромобилей и оборудования для их зарядки, помимо протоколов связи. Это фактически означает, что все работающие в настоящее время изделия с интерфейсом CCS не смогут пройти испытания на соответствие гармонизированным стандартам.

К счастью, скоро всё изменится. Основные заинтересованные производители, объединенные в рамках инициативы Charging Interface Initiative e.V. (CharIN), вскоре собираются опубликовать программу испытаний на совместимость. Изначально сфокусированная на испытаниях зарядного оборудования электромобилей, она позволит OEM-производителям тестировать продукцию на соответствие стандартам.

 

Перспективы на ближайшее будущее

Сосредоточившись на сегодняшних проблемах функциональной совместимости, рынок электромобилей уже стремится к новым разработкам и технологиям для достижения двух всеобъемлющих целей: стать массовым и «зеленым». Эти цели должны быть достигнуты, чтобы зарядка электромобиля была для водителя такой же простой и удобной, как заправка автомобиля с ДВС. Важное значение в этом случае имеют легкий доступ, автоматизированная связь между электромобилем и зарядной станцией, а также, предпочтительно, малое время зарядки.

Plug and Charge, умная зарядка

В настоящее время, чтобы авторизоваться и успешно оплатить зарядку, водители должны идентифицировать электромобили на зарядной станции с помощью карт радиочастотной идентификации (RFID) или других средств. Эта процедура сопряжена с ошибками и неудобствами, поскольку на рынке существует множество различных средств идентификации и платежных систем. Благодаря технологии Plug and Charge, предусмотренной стандартом ISO 15118, процесс идентификации и оплаты будет автоматизирован таким образом, что от водителя потребуется только подключить зарядный кабель к своему электромобилю. Для поддержки такой функции обмен данными при зарядке и особенно информация об оплате должны быть зашифрованы, чтобы обеспечить пользователю безопасную зарядку. Кроме того, информация о платежах должна быть надежно передана другим заинтересованным сторонам через внутреннюю инфраструктуру, что еще больше усложняет эту экосистему.

Вторым шагом в автоматизации зарядки электромобиля является беспроводная зарядка. Водителю электромобиля нужно только припарковаться, а процедура зарядки, связь и передача энергии осуществляются автоматически.

Говоря об E-Mobility, часто думают о «зеленой» мобильности с нулевыми выбросами CO2 и энергией, получаемой от возобновляемых источников. Важным аспектом реализации этой идеи является умная зарядка. Она предусматривает планирование сеансов зарядки электромобиля, контролируемое функцией интеллектуального управления нагрузкой. Критериями для планирования являются (минимальное) количество энергии, необходимое электромобилю для поддержания запаса хода в соответствии с требованиями его владельца / пользователя, или для минимизации общего энергопотребления в электросети. Проблема балансировки потребления обусловлена сложностью и строгостью контроля, когда речь заходит о большом числе зарядных станций и колеблющихся объемах электроэнергии, поступающих от возобновляемых источников, например, ветряных или солнечных.

Рис. 2. Распределение нагрузки с участием электромобиля.  HEMS (home energy management system) – система управления энергопотреблением дома;  LVD (low voltage disconnect) – разъединитель при низком напряжении

 

Такие относительно непредсказуемые колебания производительности возобновляемых источников энергии необходимо сглаживать, когда речь идет о периодах с ясной солнечной погодой или сильных ветрах, в отличие от периодов с облачностью или безветрием. В подобных ситуациях аккумуляторные батареи электромобилей могут вносить значительный вклад, если рассматривать их в качестве систем накопления энергии. Это позволяет реализовать такие сценарии, как «автомобиль – сеть (V2G)» или «автомобиль – дом (V2H)», где аккумуляторная батарея электромобиля служит источником энергии для других потребителей в доме, когда поступление электроэнергии от возобновляемых источников ограничено или не может обеспечить необходимое ее количество. В случае, если информация о потреблении энергии передается оператору сети через интеллектуальный счетчик и облачную ИТ-систему, электромобили и их аккумуляторные батареи также помогают минимизировать пики потребления электроэнергии от традиционных источников (как показано на рис. 2).

Устройства автоматического соединения

В случае с проводной зарядкой следующим логическим шагом для повышения удобства пользователя является устранение необходимости выходить из автомобиля и подключать к нему зарядный разъем, что особенно обременительно в холодную или влажную погоду. Более того, в случае зарядки постоянным током возникают дополнительные неудобства, обусловленные весом и жесткостью кабеля.

Таким образом, в предстоящем стандарте ISO 15118-20 будет введена поддержка устройств автоматического соединения (ACD), которые могут быть реализованы различными способами (например, через пантограф, специальное соединение под кузовом или обычный разъем, подключаемый роботизированной системой).

Зарядка большой мощностью

Еще одним критерием сравнения заправки автомобиля с ДВС и зарядки электромобиля является затрачиваемое время.

В настоящее время организация CharIN e.V. предоставляет классификацию CCS под названием DC CCS Power Classes, начиная с класса мощности DC5 (5 кВт) и заканчивая HPC350 для максимальной зарядной мощности 350 кВт. Указано, что максимальное напряжение зарядки составляет 920 В, а ток – 500 А (постоянный). Новый стандарт зарядки ChaoJi-1 / -2, разработанный китайскими и японскими институтами для замены существующих стандартов GB / T и CHAdeMO, определяет максимальную мощность зарядки 900 кВт при напряжении 1500 В и силе тока 600 А (постоянного).

Рис. 3. Дальность поездки в зависимости от используемой зарядной станции

 

Эти значительно возросшие зарядные токи не повлекут за собой больших неудобств благодаря зарядным кабелям с жидкостным охлаждением, поскольку, в отличие от стандартных кабелей, они достаточно легкие и гибкие. Это, в сочетании с удвоением напряжения аккумуляторной батареи, позволяет значительно сократить типичное время зарядки до обычной продолжительности заправки (как показано на рис. 3).

 

Перспективы на отдаленное будущее

Когда в наши дни говорят о проблемах E-Mobility, в центре внимания обычно оказываются пассажирские автомобили с электрической силовой установкой. Хотя в настоящее время существует множество стандартов зарядки постоянным током, ни один из них не обеспечивает зарядку коммерческих автомобилей в течение приемлемого времени. Для зарядки автомобиля с аккумуляторными батареями на 200–600 кВт · ч за 20–30 мин (время зарядки, желаемое для заказчика) необходима мощность более 1 МВт и сила тока свыше 1 000 А. По этой причине производители грузовиков и автобусов пытаются создать новое решение для зарядки своих большегрузных электромобилей. В связи с потребностью в разъеме для зарядки коммерческих электромобилей организация CharIN еще в 2018 году создала рабочую группу по мегаваттной зарядной системе Megawatt Charging System (MCS) для соблюдения целостного системного подхода к зарядке на основе CCS. Обсуждаемые в настоящее время технические требования к глобальной мегаваттной зарядной системе предполагают максимум 1500 В и 3000 А (пост.), с использованием технологии передачи информации по электрическим сетям (PLC) и интерфейсу связи «автомобиль – электрическая сеть» согласно ISO / IEC 15118, но только через одну вилку.

* * *

В целом, E-Mobility вступает в потенциально наиболее критическую фазу с точки зрения массовой адаптации, и поэтому зарядная инфраструктура является ключевым фактором. Благодаря государственной поддержке и огромным инвестициям, к 2025 году общее количество зарядных пунктов, включая очень мощные зарядные станции для дальних поездок, значительно возрастет. Новые интеллектуальные функции позволят превратить зачастую неудобную зарядку в беспроблемный и высокоавтоматизированный процесс, значительно превосходящий по удобству посещение заправочных станций. Но чтобы достичь этого, мы должны ответить на этот неочевидный, но решительный вызов. Отрасль и органы стандартизации изо всех сил пытаются интегрировать все эти новые расширенные функции интеллектуальной зарядки в официальные нормативы и спецификации, сохраняя при этом обратную совместимость с уже внедренными продуктами.

Компания Keysight разрабатывает решения для тестирования электромобилей и оборудования для их зарядки. С помощью своих решений Scienlab ⁴ для тестирования зарядного оборудования компания Keysight позволяет производителям автомобилей и поставщикам зарядных станций тестировать зарядные интерфейсы электромобилей и зарядных устройств во время зарядки высокой мощностью.

 

М. Тайбель ¹, С. Рейтмайер ², Ю. Томчик ³

Статья впервые опубликована в журнале "ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ" № 2 за 2022 год.

______________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Понравилась статья? Поставьте лайк 0

---

Электроника