Бързозарядни станции за електромобили

• Все по-критичен аспект във връзка с избора на зарядна технология за даден обект или приложение е необходимото време за зареждане
  
  
• Постояннотоковото (DC) зареждане е най-бързият заряден метод както при електромобилите, така и при други типове електрически превозни средства с приложение в транспорта и индустрията
  
  
• Бързозарядните станции са все по-предпочитан избор при изграждането на публична зарядна инфраструктура в Европа и по света

Бързината на зареждане на електрическите превозни средства (ЕПС) е ключов фактор във връзка с оптималната им експлоатация в динамичното ни съвременно ежедневие. Ето защо бързозарядните станции (БЗС) за електромобили са все по-предпочитано решение както за публични, така и за частни обекти.

Пазарно и технологично развитие

В края на 2021 г. в експлоатация са били над 16,5 млн. електрически коли по цял свят, а дългосрочните прогнози предвиждат над двадесеткратно увеличение на този пазар до края на десетилетието. До 2030 г. броят на електрическите автомобили в глобален мащаб се очаква да достигне 350 млн. Експертите от Международна агенция по енергетика (IEA) изчисляват, че в синхрон с тези тенденции на развитие до 2040 г. в глобален план ще бъдат необходими над 500 млн. зарядни станции (към момента те наброяват около 6 млн.), които ще изискват обща инвестиция в размер на близо 1,6 трилиона щатски долара за проектиране, производство и внедряване.

Все по-критичен аспект във връзка с избора на зарядна технология за даден обект или приложение е необходимото време за зареждане. Бързозарядните станции за електромобили предлагат жизнеспособна технологична алтернатива на твърде времеемкото запълване на капацитета на батериите при режим на променливотоково зареждане. Основно предизвикателство при разработката на зарядни станции от последно поколение, които да обезпечават нуждите на светкавично разрастващия се глобален електромобилен парк, са гарантирането на безупречна безопасност за потребителите в комбинация с висока ефективност и надеждност.

Постояннотоковото (DC) зареждане е най-бързият заряден метод както при електромобилите, така и при други типове ЕПС с приложение в градския и междуселищния транспорт, индустрията, дистрибуцията и т. н. Ето защо тази технология е все по-предпочитан избор при изграждането на публична зарядна инфраструктура в Европа и по света.

Сред иновациите в сегмента са комбинираните бързозарядни станции, подходящи за зареждане както на стандартни литиево-йонни автомобилни батерии, така и на суперкондензатори (ултракондензатори), които се използват все по-масово в сферата на електромобилността. Друга технологична новост, която набира популярност в бранша, са системите, които позволяват свързване на БЗС към фотоволтаични инсталации. При тях вместо да бъде подавана обратно към мрежата генерираната соларна енергия може да бъде съхранявана в ултракондензаторна батерия с голям капацитет и използвана за рентабилно зареждане на ЕПС.

Стандарти и класификации

Зареждането на електромобили може да бъде класифицирано по режим и тип, като режимът дефинира бързината на запълване на капацитета на батерията и работните параметри (напрежение, ток и скорост), на които трябва да отговарят зарядните кабели, както и методът на комуникация между станцията и превозното средство. Съгласно международния стандарт IEC 61851 режимите са категоризирани от Mode 1 до Mode 4, като при първите два е налице бавно променливотоково зареждане, а в Mode 3 е дефинирано променливотоково зареждане с активна връзка между зарядната станция и електромобила с гарантирана безопасност и възможности за интелигентно зареждане. Бързото постояннотоково зареждане попада в Mode 4, като най-новите модели автомобили могат да приемат до 800 V, а БЗС от последно поколение – да осигуряват до 1000 V DC напрежение.

Типът на зареждане класифицира конекторите, чрез които електромобилите се свързват със зарядните точки – от Type 1 до Type 4, като първите три отново се отнасят за системи за бавно зареждане и са популярни в различни части на Европа и света. Type 4 дава възможност както за бавно, така и за бързо зареждане на ЕПС и са сред разпространените на Стария континент технологии. На ниво Европейски съюз (ЕС) се използват и т. нар. CCS – комбинирани зарядни системи, които съчетават функционалността на Type 2 и Combo 2 конектори – за бързо зареждане. Автомобилите на Tesla използват собствени международни стандарти за бавно (Tesla Charger) и бързо (Tesla Supercharger) зареждане. В Япония пък е приложим местният стандарт за бързозарядна инфраструктура CHAdeMO.

Интернационалната класификация подразделя зарядните устройства на нива – от Level 1 до Level 3, като първите две дефинират системи за бавно променливотоково зареждане, а БЗС станции с постоянен ток попадат в Level 3. Те позволяват запълване на капацитета на батерията на електромобила до 80% в рамките на до 30 минути.

На пазара се предлагат различни типове електрически превозни средства, като съвременните електромобили с батерии (BEV) се задвижват изцяло от електричество и обикношено могат да бъдат зареждани посредством БЗС.

Устройство, принцип на работа и архитектура на БЗС

Системите за съхранение на енергията в станциите за зареждане на ЕПС се състоят от три основни компонента: батерии (предимно литиево-йонни) с BMS системи за управление на циклите на заряд и разряд; системи за преобразуване на захранването и софтуер (уеб базирани платформи или мобилни приложения, които служат на операторите на зарядни точки и доставчиците на зарядни услуги с цел мениджмънт на целия процес).

Енергията в батериите за електромобили се съхранява под формата на постоянен ток (DC), а електроразпределителната мрежа я доставя като променлив (AC). ЕПС разполагат с вградени зарядни устройства, които преобразуват AC захранването в DC преди разпределянето му към батерията. Технологията за бързо зареждане позволява директно подаване на енергията към батерията без необходимост от предварително преобразуване в автомобила, което значително съкращава процеса. За целта самата БЗС извършва необходимото преобразуване, което предопределя нейната традиционно по-обемна конструкция в сравнение със станциите за бавно променливотоково зареждане, както и по-голямата инвестиция, необходима за разработката и внедряването й.

Бързозарядните станции за електромобили осигуряват изходно DC напрежение от 200 до 1000 V, като системата за мениджмънт на захранването гарантира, че зареждането се извършва в технологично допустимите за съответната батерия граници въз основа на активна непрекъсната комуникация със зарядната станция.
Бързото DC зареждане (Level 3) е най-високоскоростната и мощна технология за запълване капацитета на батериите за електромобили (с изходна мощност от 15 до 350 kW). С нея един стандартен електрически автомобил може да бъде зареден за период от 15 до 60 минути.

Бързото зареждане е от ключова важност в редица сценарии в сферата на електромобилността – при дълги пробези, както и при голям брой превозни средства в общо приложение, които се нуждаят от динамично зареждане, например при електробусите от градския транспорт. БЗС позволяват зареждане по всяко време и при възможност с произволна продължителност за запълване на произволен процент от капацитета на батерията с цел удължаване на пробега вместо оставяне на ЕПС свързано към зарядното устройство или станция в продължение на много часове (или през цялата нощ).

Има няколко основни променливи, които определят с каква бързина се зарежда електромобилът на БЗС. Първата е скоростта на зарядната станция (rate of charge) – максималната изходна мощност в kW. Колкото по-висока е тя, толкова по бързо би се зареждал автомобилът в идеалния случай. От значение е обаче и т. нар. степен на приемане на заряд (EV charge acceptance rate) – максималната входна мощност в kW, която може да постъпи в батерията на ЕПС според номиналните й производствени характеристики.

Третата важна величина е уникалната крива на заряд на електромобила (charging curve). Голяма част от производителите в сегмента и редица научни изследвания в областта препоръчват зареждане на батерията до 80% от капацитета й с цел удължаване на сервизния й живот. В допълнение, зареждането от 80 до 100% типично е и значително по-бавно.

Що се отнася до типовете архитектури при бързозарядните станции, в практиката се използват два варианта – свободностоящи (standalone) системи и т. нар. сплит (split) версии. Първата категория включва моноблокови зарядни колонки, които обикновено са с изходна мощност от 50 до 250 kW. Те са подходящи както за публични, така и за частни обекти и позволяват икономия на ценно пространство.

Сплит системите, както наименованието им подсказва, се състоят от два компонента – захранващ и потребителски модул. Необходимо е водачът да свърже зарядния кабел към превозното средство и да инициира зарядната сесия посредством наличния интерфейс – най-често дигитален дисплей с опция за избор на услуга, задействане и таксуване чрез разплащателни или кредитни карти, жетони, чипове и други идентификатори.

Зарядният модул на сплит станцията включва AC-DC преобразуватели, като обикновено е разположен на различна от потребителския модул локация, отдалечена от водачите и електромобилите. Този тип архитектури са част предимно от публичната зарядна инфраструктура и осигуряват по-висока изходна мощност в сравнение с моноблок станциите – от 175 до 350 kW.