Знайдено метод здешевлення швидких зарядних станцій?

Складна та дорога зарядна інфраструктура гальмує популяризацію електрокарів 

Електромобілі стрімко змінюють автомобільну індустрію, але їхнє поширення досі стримує одна ключова проблема — недостатньо розвинена зарядна інфраструктура. Якщо ми хочемо прискорити перехід на електричний транспорт, настав час зробити ставку на створення потужної мережі загальнодоступних зарядних станцій. Чому це так важливо? Давайте розбиратися

Чому зарядна інфраструктура — це ключ до успіху електромобілів 

Багато хто вважає, що домашнє заряджання вирішує всі проблеми. Дослідження показують, що в розвинених країнах до 90% зарядки електрокарів відбувається вдома. Але решта 10% — це не просто цифра, а критично важлива частина. Водії таксі, кур’єри, мешканці багатоповерхівок, студенти, які їдуть до університету, чи сім’ї у відпустці — усі вони стикаються з проблемами, коли публічні зарядні станції рідкісні або ненадійні. Опитування Forbes 2022 року показало, що 62% власників електромобілів обмежують свої поїздки через страх, що батарея розрядиться, а зарядної станції поблизу не буде

Ця проблема не нова. Ще у 1992 році, коли компанія AC Propulsion представили електричний спорткар tZero (технології якого лягли в основу першого Tesla Roadster), було зрозуміло: щоб електромобілі стали масовими, людям потрібен не лише стильний дизайн чи великий запас ходу, а й зручна інфраструктура. І це не лише думка ентузіастів — Міжнародне енергетичне агентство (IEA) зазначає, що в Китаї інвестиції в зарядну інфраструктуру вчетверо ефективніші для розвитку електромобілів, ніж субсидії на їхню покупку

Що стримує розвиток зарядної мережі? 

Якщо поспілкуватися з потенційними власниками електрокарів, вони часто називають головною перепоною брак доступних швидкісних зарядних станцій. Оператори таких станцій додають: обладнання для швидкої зарядки — це величезні витрати. Наприклад, одна станція швидкої зарядки з чотирма портами коштує від 470 000 до 725 000 доларів США. Знизити ці витрати — означає відкрити шлях до розширення мережі, що зробить електромобілі привабливішими для мільйонів людей

Чи можна зробити зарядку дешевшою та ефективнішою без компромісів із безпекою?

Як працює зарядка електромобілів 

Щоб зрозуміти, як оптимізувати зарядну інфраструктуру, давайте розберемо основи. Зарядна станція — це місце з одним або кількома портами, кожен із яких заряджає один електромобіль. Порт перетворює змінний струм (AC) із мережі на постійний (DC) для батареї автомобіля. При цьому зарядний струм має відповідати трьом умовам:

• Напруга в елементах батареї не повинна перевищувати критичний рівень;
• Температура елементів не має перевищувати встановлений поріг;
• Струм, що береться з електромережі, не повинен перевантажувати її

Якщо перші два пункти порушуються, батарея може пошкодитися або навіть загорітися. Якщо третій — зарядний пристрій або мережа можуть вийти з ладу через перевантаження

Ще одна важлива вимога — захист від ураження електричним струмом. Зарядні станції працюють у складних умовах: на вулиці, за різної вологості, іноді в забрудненій воді чи навіть після пошкодження. Щоб уникнути небезпеки, використовується заземлення — фізичне з’єднання із землею, яке відводить надлишковий струм. У зарядному кабелі електромобіля зелений дріт заземлення забезпечує цей шлях. Оскільки електромобіль має гумові шини, сам автомобіль не може бути провідником до землі

Що таке гальванічна ізоляція і чому вона дорога 

Якщо заземлення пошкоджене, зарядна станція мусить мати резервне рішення — гальванічну ізоляцію. Це технологія, яка фізично та електрично розділяє два контури, щоб уникнути струму між ними. У зарядці електромобілів один контур — це електромережа, а другий — батарея автомобіля та її електроніка. Гальванічна ізоляція рятує життя: якщо, наприклад, батарея «протікає» і створює струмопровідний шлях до шасі автомобіля, а заземлення не працює, без ізоляції людина, яка торкається машини, може отримати смертельний удар струмом

Для гальванічної ізоляції використовується трансформатор — єдиний компонент, здатний передавати кіловати енергії, зберігаючи ізоляцію. Однак трансформатори для низькочастотного струму громіздкі та важкі. У зарядних станціях використовують інвертор, який перетворює постійний струм на високочастотний змінний, що дозволяє зменшити розмір трансформатора до компактних розмірів. Потім високочастотний струм знову перетворюється на постійний для батареї

Ця система ефективна, але дорога. Гальванічна ізоляція становить близько 60% вартості силової електроніки зарядної станції та спричиняє до 50% втрат енергії. Для однієї зарядної станції на 300 кВт силова електроніка коштує приблизно 90 000 доларів, із яких 54 000 припадає на ізоляційний блок. Для станції з чотирма портами це вже 360 000 доларів, із яких понад 200 000 — на ізоляцію. У масштабах країни, наприклад США, де налічується понад 61 000 публічних зарядних станцій, економія від зменшення вартості ізоляції може сягати мільярдів доларів

Революційна ідея: позбутися гальванічної ізоляції

В компанії AC Propulsion пропонують радикальний крок — усунути гальванічну ізоляцію. Це дозволить:

• Зменшити витрати: економія до 60% на силовій електроніці;
• Зменшити розміри зарядних пристроїв: компактніші бортові зарядні пристрої (OBC) зможуть підтримувати швидку зарядку (рівень 3*, від 100 кВт);
• Підвищити надійність: менше компонентів — менше поломок;
• Знизити втрати енергії: до 50% економії на втратах

Такий підхід може кардинально змінити зарядну інфраструктуру, зробивши її доступною та ефективною. Уявіть: більше зарядних станцій, швидша зарядка, менше тривог у водіїв — і, як наслідок, більше людей обирають електромобілі

*Які існують рівні (Level) зарядки для електромобілів?

Зарядка Level 1 використовує стандартну однофазну мережу змінного струму напругою 115 В як вхідний сигнал зарядного пристрою. Таким чином, потужність заряду обмежена до 2 кВт. Для того, щоб повністю зарядити батарею ємністю 100 кВт-год, загальний час заряджання становить близько 80 годин

Зарядні пристрої Level 2 – це те, що зараз є у більшості власників електромобілів у гаражах. У США зарядні пристрої рівня 2 використовують однофазну напругу 208 або 240 В змінного струму; в Європі вхідна напруга становить 380 В змінного струму, трифазну. Максимальна швидкість заряджання обмежується або номінальною потужністю електромережі, або бортовим зарядним пристроєм. При потужності 6 кВт нічна зарядка зазвичай може забезпечити додатковий запас ходу на 300 км

Level 3, який також називають швидким заряджанням або заряджанням постійним струмом, використовує зовнішній зарядний пристрій, який перетворює трифазний струм електромережі в регульований постійний струм для прямого підключення до акумулятора автомобіля, минаючи бортовий зарядний пристрій. Максимальна потужність зарядки зазвичай починається з 50 кВт і зараз сягає близько 360 кВт. Зараз розробляються зарядні пристрої, які підтримуватимуть потужність до 600 кВт, що означає приблизно 50 км додаткового заряду за хвилину підзарядки