Найден метод удешевления быстрых зарядных станций?

Сложная и дорогая зарядная инфраструктура тормозит популяризацию электрокаров 

Электромобили стремительно меняют автомобильную индустрию, но их распространение до сих пор сдерживает одна ключевая проблема – недостаточно развитая зарядная инфраструктура. Если мы хотим ускорить переход на электрический транспорт, пришло время сделать ставку на создание мощной сети общедоступных зарядных станций. Почему это так важно? Давайте разбираться

Почему зарядная инфраструктура – это ключ к успеху электромобилей 

Многие считают, что домашняя зарядка решает все проблемы. Исследования показывают, что в развитых странах до 90% зарядки электрокаров происходит дома. Но оставшиеся 10% – это не просто цифра, а критически важная часть. Водители такси, курьеры, жители многоэтажек, студенты, которые едут в университет, или семьи в отпуске – все они сталкиваются с проблемами, когда публичные зарядные станции редкие или ненадежные. Опрос Forbes 2022 года показал, что 62% владельцев электромобилей ограничивают свои поездки из-за страха, что батарея разрядится, а зарядной станции поблизости не будет

Эта проблема не нова. Еще в 1992 году, когда компания AC Propulsion представили электрический спорткар tZero (технологии которого легли в основу первого Tesla Roadster), было понятно: чтобы электромобили стали массовыми, людям нужен не только стильный дизайн или большой запас хода, но и удобная инфраструктура. И это не только мнение энтузиастов – Международное энергетическое агентство (IEA) отмечает, что в Китае инвестиции в зарядную инфраструктуру в четыре раза эффективнее для развития электромобилей, чем субсидии на их покупку

Что сдерживает развитие зарядной сети? 

Если пообщаться с потенциальными владельцами электрокаров, они часто называют главной преградой нехватку доступных скоростных зарядных станций. Операторы таких станций добавляют: оборудование для быстрой зарядки – это огромные затраты. Например, одна станция быстрой зарядки с четырьмя портами стоит от 470 000 до 725 000 долларов США. Снизить эти расходы – значит открыть путь к расширению сети, что сделает электромобили более привлекательными для миллионов людей

Можно ли сделать зарядку дешевле и эффективнее без компромиссов с безопасностью?

Как работает зарядка электромобилей 

Чтобы понять, как оптимизировать зарядную инфраструктуру, давайте разберем основы. Зарядная станция – это место с одним или несколькими портами, каждый из которых заряжает один электромобиль. Порт преобразует переменный ток (AC) из сети в постоянный (DC) для батареи автомобиля. При этом зарядный ток должен соответствовать трем условиям:

•  Напряжение в элементах батареи не должно превышать критический уровень;
• Температура элементов не должна превышать установленный порог;
• Ток, который берется из электросети, не должен перегружать ее

Если первые два пункта нарушаются, батарея может повредиться или даже загореться. Если третий – зарядное устройство или сеть могут выйти из строя из-за перегрузки

Еще одно важное требование – защита от поражения электрическим током. Зарядные станции работают в сложных условиях: на улице, при разной влажности, иногда в загрязненной воде или даже после повреждения. Чтобы избежать опасности, используется заземление – физическое соединение с землей, которое отводит избыточный ток. В зарядном кабеле электромобиля зеленый провод заземления обеспечивает этот путь. Поскольку электромобиль имеет резиновые шины, сам автомобиль не может быть проводником к земле

Что такое гальваническая изоляция и почему она дорогая 

Если заземление повреждено, зарядная станция должна иметь резервное решение – гальваническую изоляцию. Это технология, которая физически и электрически разделяет два контура, чтобы избежать тока между ними. В зарядке электромобилей один контур – это электросеть, а второй – батарея автомобиля и ее электроника. Гальваническая изоляция спасает жизни: если, например, батарея «протекает» и создает токопроводящий путь к шасси автомобиля, а заземление не работает, без изоляции человек, который касается машины, может получить смертельный удар током

Для гальванической изоляции используется трансформатор – единственный компонент, способный передавать киловатты энергии, сохраняя изоляцию. Однако трансформаторы для низкочастотного тока громоздкие и тяжелые. В зарядных станциях используют инвертор, который преобразует постоянный ток в высокочастотный переменный, что позволяет уменьшить размер трансформатора до компактных размеров. Затем высокочастотный ток снова преобразуется в постоянный для батареи

Эта система эффективна, но дорогая. Гальваническая изоляция составляет около 60% стоимости силовой электроники зарядной станции и вызывает до 50% потерь энергии. Для одной зарядной станции на 300 кВт силовая электроника стоит примерно 90 000 долларов, из которых 54 000 приходится на изоляционный блок. Для станции с четырьмя портами это уже 360 000 долларов, из которых более 200 000 – на изоляцию. В масштабах страны, например США, где насчитывается более 61 000 публичных зарядных станций, экономия от уменьшения стоимости изоляции может достигать миллиардов долларов

Революционная идея: избавиться от гальванической изоляции

В компании AC Propulsion предлагают радикальный шаг – устранить гальваническую изоляцию. Это позволит:

• Уменьшить расходы: экономия до 60% на силовой электронике;
• Уменьшить размеры зарядных устройств: более компактные бортовые зарядные устройства (OBC) смогут поддерживать быструю зарядку (уровень 3*, от 100 кВт);
• Повысить надежность: меньше компонентов – меньше поломок;
• Снизить потери энергии: до 50% экономии на потерях

Такой подход может кардинально изменить зарядную инфраструктуру, сделав ее доступной и эффективной. Представьте: больше зарядных станций, быстрая зарядка, меньше тревог у водителей – и, как следствие, больше людей выбирают электромобили

*Какие существуют уровни (Level) зарядки для электромобилей?

Зарядка Level 1 использует стандартную однофазную сеть переменного тока напряжением 115 В в качестве входного сигнала зарядного устройства. Таким образом, мощность заряда ограничена до 2 кВт. Для того, чтобы полностью зарядить батарею емкостью 100 кВт-ч, общее время зарядки составляет около 80 часов

Зарядные устройства Level 2 – это то, что сейчас есть у большинства владельцев электромобилей в гаражах. В США зарядные устройства уровня 2 используют однофазное напряжение 208 или 240 В переменного тока; в Европе входное напряжение составляет 380 В переменного тока, трехфазное. Максимальная скорость зарядки ограничивается либо номинальной мощностью электросети, либо бортовым зарядным устройством. При мощности 6 кВт ночная зарядка обычно может обеспечить дополнительный запас хода на 300 км

Level 3, который также называют быстрой зарядкой или зарядкой постоянным током, использует внешнее зарядное устройство, которое преобразует трехфазный ток электросети в регулируемый постоянный ток для прямого подключения к аккумулятору автомобиля, минуя бортовое зарядное устройство. Максимальная мощность зарядки обычно начинается с 50 кВт и сейчас достигает около 360 кВт. Сейчас разрабатываются зарядные устройства, которые будут поддерживать мощность до 600 кВт, что означает примерно 50 км дополнительного заряда за минуту подзарядки