Зарядни станции за електрически автобуси

• Глобалните тенденции на преход към “по-зелен” и екологично чист транспорт през последното десетилетие водят до непрекъснато увеличаване на броя на електрическите автобуси в Европа и в частност – в България
  
  
• Налице са редица технологии с потенциал за зареждане на батериите на електробусите, които все още са в процес на сравняване и оценяване на база комерсиалната им пригодност, икономическата им рентабилност и експлоатационната им гъвкавост в дългосрочен план
  
  
• Съществуват три основни възможности за свързване със зарядната инфраструктура – кабелно (т. нар. plug-in системи, популярни при електромобилите), чрез скачване със стационарна надземна станция тип “пантограф” или безконтактно (индукционно) зареждане

Глобалните тенденции на преход към “по-зелен” и екологично чист транспорт през последното десетилетие водят до непрекъснато увеличаване на броя на електрическите автобуси в Европа и в частност – в България. Тези превозни средства се считат за по-чиста транспортна алтернатива, тъй като имат по-малко въздействие върху околната среда от конвенционалните автобуси с двигатели с вътрешно горене. В практиката се използват електробуси само с батерии или кондензатори, както и т. нар. plug-in хибридни модели, които могат да превключват на стандартно гориво при изразходване на енергията в акумулатора. Първият вариант се предпочита в големите населени места поради технологичните възможности за презареждане на батериите и обезпечаване на движението на автобусите изцяло на електричество. Наред с вариантите на водород, електробусите са част от решенията на проблема с градското замърсяване на въздуха, заложени в Европейската инициатива за внедряване на екологично чисти автобуси. И ако доскоро повечето големи градове на Стария континент залагаха на пилотни проекти за внедряване на електрически средства за превоз и съответната зарядна инфраструктура, то през последните години се наблюдава все по-масово използване на този тип транспорт в общините и големите селища в Европа и България.

Налице са редица технологии с потенциал за зареждане на батериите на електробусите, които все още са в процес на сравняване и оценяване на база комерсиалната им пригодност, икономическата им рентабилност и експлоатационната им гъвкавост в дългосрочен план. Подобно на ситуацията при електрическите автомобили, и при автобусите се търсят все по-удобни решения за бързо зареждане и варианти за масово разширяване на инсталираната зарядна инфраструктура в градската среда. По актуални данни на агенциите за маркетингови проучвания глобалният пазар на зарядни станции и решения за електрически автобуси е на стойност около 600 млн. щатски долара през 2021 г. и се очаква експоненциално да нарасне до 5,5 млрд. долара през 2028 г. с впечатляващия комбиниран годишен темп на растеж от цели 40,2%.

Основни технологии и стратегии за зареждане

В съвременните градове се използват основно два типа електробуси – с литиево-йонни акумулаторни батерии и с кондензатори (известни още като супер- или ултракондензатори). Водещи технологии при батериите са вариантите на базата на литиево-титанов оксид (LTO), литиево-ферофосфатните (LFP) и системите с никел-манганов-кобалт (NMC). Те се отличават с голям капацитет за съхранение на енергия и позволяват използване в комерсиални мащаби за целите на градския, междуселищния, транзитния и служебния транспорт.

Кондензаторите, въпреки възможностите си да съхраняват само около 5 процента от енергията, която презареждаемите литиево-йонни батерии могат, стават все по-популярна технология в областта на електробусите благодарение на едно свое съществено предимство. Ултракондензаторните системи се зареждат изключително бързо. Макар с един заряд електрическите автобуси, базирани на такива технологии, да могат да осъществят пробег от едва няколко километра, опциите за често зареждане при спиране на отделните спирки ги правят практически изпълнимо, рентабилно и екологично решение с голям потенциал за масова употреба.

Що се отнася до технологичните концепции и интерфейсните възможности за зареждане на електробуси, съществуват три основни варианта – за кабелно презареждане (чрез т. нар. plug-in системи, популярни при електромобилите), за зареждане чрез скачване със стационарна надземна станция тип “пантограф” или динамично безжично (познато още като индукционно) зареждане, при което електробусът се позиционира в близост до безконтактна електромагнитна подложка.

При кабелното зареждане се използва стационарна или мобилна зарядна станция за свободностоящ, стенен или покривен монтаж, като кабелът със съответния конектор се въвежда в контакта на електробуса, а пълното презареждане отнема няколко (обикновено от 2 до 8) часа, в зависимост от капацитета на станцията.

Станциите тип пантограф представляват стационарни надземни конструкции, към които електробусът се скачва посредством специално съоръжение, като този вариант традиционно се използва за бързо междинно зареждане по време на работния цикъл на превозното средство. Все още няма стандартизирано решение при пантографите, но се предлагат основно два варианта – “pantograph-up” и “pantograph-down” системи. При първите от електробуса автоматично се издига съоръжение за свързване, което се включва в монтираната на конструкцията отгоре станция. При вторите от станцията се спуска надолу специален механизъм, който я свързва с автобуса. Все по-често за целта се използват роботизирани системи, а потенциалът за комерсиално използване на електрическите автобуси постоянно разширява приложенията и намалява стойността на специализираните роботи за сегмента

Вариантът за индукционно зареждане все още е най-непопулярен, тъй като технологията е сравнително нова и скъпа за закупуване, внедряване и поддръжка. Пазарните анализатори обаче прогнозират, че множеството разработки в сегмента от страна на големите производители и доставчици на зарядни решения ще направи възможно нейното масово използване само в рамките на десетилетие или две. Тогава се очаква магистралите да разполагат със специални високотехнологични ленти за зареждане, при които в пътната настилка са интегрирани индукционни зарядни системи. Такива съоръжения биха могли да бъдат позиционирани и на кръстовища, паркинги и други елементи от градската среда, за да осигуряват динамично зареждане в движение на електрически автобуси, автомобили, камиони и др.

Концепции и специфики

При стартиране на електробуса се изпраща сигнал към контролера на системата за задвижване. Той захранва с високо напрежение батерията, където се съхранява химическата енергия, и я преобразува в електрическа. След това тази енергия се разпределя към всички компоненти, които задвижват автобуса и отговарят за отделните му функции, включително електродвигателя и системата за топлинен мениджмънт. Пробегът на един електробус определя какво разстояние може да измине с едно пълно зареждане на батерията. Този показател зависи от множество фактори, включително от размера (капацитета) на акумулатора и работните цикли на превозното средство. Междуградските и служебните електробуси традиционно се нуждаят от по-големи батерии, докато тези от системата на градския транспорт могат ефективно да се движат и с по-малък капацитет за съхранение.

По отношение на стратегиите за зареждане на електробусите, които са част от градския транспорт, се прилагат основно два типа практики – за зареждане през нощта в депото (с помощта на т. нар. “overnight” или “depot” зарядни решения) и за краткотрайно зареждане на междинните и крайните спирки (“opportunity charging”). Вторият вариант все още рядко се използва самостоятелно за градски превози поради различни технически и практически ограничения, но все по-масово се предлага като допълнителна технология в комбинация с основната концепция за презареждане през нощта в депото, където са инсталирани специални зарядни терминали. Зарядните станции, използвани за “overnight” зареждане, типично са с капацитет 30 – 50 kW, а тези за бързо междинно презареждане при възможност са известни като суперзарядни станции и разполагат с капацитет от над 150 kW.

В допълнение към конструкцията и архитектурата на зарядните станции, тези системи се различават още по технологията, чрез която преобразуват електрическите токове. Използват се променливотокови (AC) или постояннотокови (DC) зарядни устрoйства. Реално всички батерии за електробуси изискват постояннотоково захранване, за да функционират, като и двата типа реално конвертират променлив в постоянен ток. Първите са ценово много по-достъпни и подходящи за комерсиално използване, но традиционно зареждат доста по-бавно. Вторите са по-скъпи, но са отлично решение за бързозарядни приложения, а възможностите им да обслужват голямо количество превозни средства за кратко време в градска среда ги правят все по-рентабилни. Станциите за кабелно презареждане могат да бъдат и от AC, и от DC тип, докато пантографите са само постояннотокови. Plug-in DC системите могат да зареждат батерии до 150 kW, а пантографите – до 350 kW.

Променливотоковите зарядни станции са предпочитано решение за зареждане в депа през нощта, извън работните часове на електробуса, като изискват вградено в превозното средство зарядно устройство. За “overnight” зареждане се използват акумулатори с по-голям капацитет, които традиционно са и с по-голяма маса, увеличават теглото на автобуса и заемат повече пространство.

За “opportunity” зареждане на крайните спирки могат да се използват батерии с по-малко тегло и капацитет, зарядната мощност може да достигне 600 kW, за да зареди достатъчно акумулатора за 5 до 10 минути.

Някои модели електробуси, в зависимост от дизайна и приложението, разполагат с вградени зарядни устройства, докато при останалите те са външни. Външното зарядно устройство обикновено се състои от трансформатор, филтър за хармоници и електронен блок за управление и комуникация. Комуникацията между електробуса и зарядното се осъществява на базата на стандарта ISO 15118, задаващ изисквания към комуникационните интерфейси за свързване на електрическите превозни средства с елементите на зарядната инфраструктура. За да се осигури безопасна работа на зарядното устройство, тъй като функционирането му се характеризира с високи напрежения и токове, е необходима галванична изолация между електрическата мрежа и електробуса. Тя може да се реализира чрез нискочестотни (LFT) или високочестотни трансформатори (HFT).