Зарядка электромобилей: постоянный или переменный ток?

Основной недостаток легковых электромобилей — значительное время зарядки аккумуляторов, обычно составляющее не менее 3 часов. Уменьшение этого времени до получаса делает зарядку электромобиля сопоставимой с заправкой обычного авто бензином. Все равно полчаса на автозаправке вы и так потратите за чашкой кофе и покупкой в местном магазине. Такое короткое время зарядки уже стало реальностью, если заряжать автомобиль от постоянного тока. Почему же тогда зарядные станции на переменном токе не ушли в прошлое?

Практически любой современный электромобиль (кроме отдельных спортивных моделей, не имеющих широкого распространения) может заряжаться от обычной электрической розетки. Наличие такой функции позволяет не остаться без движения в местностях, где нет специальных зарядных станций. Например, аккумуляторы сели недалеко от глухой деревни, и вы попросились на постой к сердобольным местным жителям.

Зарядка от бытовой розетки имеет свои ограничения. Напряжение питания 230 В (по старому стандарту — 220 В) переменного тока. Конструкция розетки и используемые провода ограничивают силу тока значением 16 А. Для того, чтобы полностью зарядить батарею аккумуляторов электромобиля Tesla Model S 75D, потребуется примерно 21 час — почти сутки!

Но в экстренной ситуации и не ставится задача зарядить аккумуляторную батарею полностью, главное — дотянуть до ближайшей станции зарядки. Многие (но не все!) модели электромобилей поддерживают заряд на переменном токе как принятый в России и Евросоюзе стандарт 230 В, так и американский 120 В и даже японский 100 В.

Самостоятельно заряжать электромобиль у себя дома можно в том случае, если вы живете в отдельном коттедже или таунхаусе. В таких зданиях обычно имеются еще и трехфазные розетки 400 В (по старому стандарту — 380 В) переменного тока. Зарядка той же Tesla Model S 75D от трехфазной розетки займет уже 7 часов. Можно заряжать авто ночью, пока вы спите, а днем зарядки хватит примерно на 500 км пробега.

В том случае, если линия, подающая электроэнергию в коттедж или секцию таунхауса, способна выдерживать ток порядка 80–100 А, можно дополнительно ускорить процесс, установив личную зарядную станцию на переменном токе. Она подключается напрямую к электрическому щиту дома, поэтому на ее работу не оказывают влияние ограничения, связанные с розетками и проводкой. Время зарядки сокращается до 4 часов.

К зарядным станциям коллективного пользования, как правило, прокладывают линии, способные передавать мощность порядка десятков кВт. Зарядка электромобиля производится трехфазным переменным током. Наиболее распространенный разъем для такого рода зарядки в европейских странах, в том числе и в России, — Type 2. Массовое распространение на парковках офисов, торговых центров и прочих публичных мест получили зарядные станции мощностью 22 кВт, у которых ток зарядки не равен 32 А. Полностью «заправить» электромобиль Tesla Model S 75D на них можно за 3 часа.

Поскольку на таких стоянках оставляют машину на время работы, шоппинга или посещения ресторана, делать более быстродействующие, а значит, и дорогие зарядные станции не имеет экономического смысла.

Максимальная сила тока, которую выдерживает разъем Type 2, — 63 А. Это соответствует мощности зарядной станции на трехфазном переменном токе 43 кВт. Но такой режим поддерживают не все электромобили.

Преимущества и недостатки переменного тока

Непосредственно аккумуляторы всегда заряжаются постоянным током. Поэтому в электромобиль встроено зарядное устройство, которое преобразует поступающий со станции переменный ток в постоянный и регулирует параметры зарядки. Как уже отмечалось, наличие такого устройства для любого электромобиля обязательно, иначе он не сможет подзарядиться в критической ситуации.

Конструкция станции на переменном токе предельно простая. В ней есть системы защиты как электромобиля, так и электрической сети от нештатных ситуаций, и, при необходимости, биллинговая система, позволяющая продавать услугу зарядки.

Тем не менее размещение основных узлов зарядного устройства на борту электромобиля ограничивает скорость зарядки на переменном токе. Чем выше скорость зарядки, тем больше сила тока. В свою очередь, это влечет за собой увеличение массы и габаритов электронных узлов, отвечающих за зарядку. А еще увеличение скорости зарядки потребует улучшения отвода тепла от электронных узлов. Ограничения по массе, габаритам и возможностям отвода тепла в легковом электромобиле определили предел тока зарядки в 32 А. Он характерен как для большинства массовых моделей электромобилей.

Некоторые электромобили поддерживают зарядку переменным током 63 А. Например, она есть в автомобилях Renault Zoe. Время «заправки» для пробега в 500 км сокращается до 1,5 ч.

Зарядка постоянным током

Значительно ускорить зарядку можно, если на станции подключаться к аккумулятору напрямую. При таком подходе уже нет ограничений по размерам и массе зарядного устройства, так как все его узлы размещены вне кузова электромобиля. Естественно, напрямую на аккумуляторы можно подавать только постоянный ток.

Рабочее напряжение аккумуляторной батареи в современных электромобилях обычно составляет 400–450 В. Поэтому в качестве стандарта для зарядки на постоянном токе приняли напряжение 500 В.

Параметры зарядных станций для электромобилей в России регламентируются ГОСТ Р МЭК 61851-1-2013 «Системы токопроводящей зарядки электромобилей», являющимся адаптацией международного стандарта IEC 61851-1. Стандартизация вилок и розеток на зарядных станциях осуществляется на основании ГОСТ Р МЭК 62196-1-2013 и ГОСТ Р МЭК 62196-2-2013 «Вилки, штепсельные розетки, соединители и вводы для транспортных средств. Кондуктивная зарядка для электромобилей», части 1 и 2. Эти стандарты являются адаптацией IEC 62196-1 и IEC 62196-2.

При зарядке постоянным током интерфейс между станцией и электромобилем обязательно должен содержать канал передачи данных от транспортного средства к зарядке. На основании этой информации станция определяет тип и текущее состояние аккумуляторной батареи, точно подстраивая напряжение и некоторые другие параметры зарядки.

Для зарядки на постоянном токе используются разъемы CHAdeMO, CCS и Tesla Type 2. Зарядные станции с разъемами CHAdeMO и CCS имеют мощность 50 кВт. Такая мощность позволяет за 1,5 часа зарядить электромобиль для пробега 500 км. Следует отметить, что наличие разъема CHAdeMO или CCS в электромобиле автоматически означает поддержку ультрабыстрой зарядки мощностью 50 кВт, даже если такая зарядка на переменном токе не поддерживается. Например, Nissan Leaf (кроме отдельных серий) поддерживает ультрабыструю зарядку только на постоянном токе.

Электромобили Tesla для зарядки на постоянном токе используют собственный разъем Tesla Type 2. Тем не менее предусмотрена возможность зарядки электромобилей данной марки через разъемы CHAdeMO или CCS с использованием специальных адаптеров, приобретаемых пользователем отдельно.

Разъем Tesla Type 2 имеют зарядные станции Tesla Supercharger, специально предназначенные для легковых и грузовых электромобилей данной марки. Рабочее напряжение такой станции составляет 480 В, мощность может достигать 150 кВт. Уже упоминавшийся в качестве примера электромобиль Tesla Model S 75D заряжается от подобной станции на 80 % за полчаса.

Столь высокая скорость зарядки достигается благодаря тому, что аккумуляторные батареи и зарядная станция идеально подогнаны друг к другу. Станции других типов ориентированы на обслуживание электромобилей разных марок, из-за чего приходится идти на компромиссы.

Помимо мировых лидеров вроде Tesla, Schneider Electric и ABB, выпуск зарядных станций на постоянном токе освоили и российские компании. Первой такой станцией стала «Фора ЭЗС-DC» производства Рязанского радиотехнического завода (входит в госкорпорацию «Ростех»). Она поддерживает интерфейсы CHAdeMO или CCS, а также ультраскоростную зарядку на переменном токе через Type 2. Компания «Промэлектро» создала недавно свою бюджетную модель зарядной станции на постоянном токе.

К недостаткам постоянного тока следует отнести высокую стоимость зарядной станции в комплекте с кабелем — от 5000 долл. Для сравнения, цены на зарядные станции, работающие на переменном токе, начинаются с 1500 долл., с учетом стоимости кабеля.

Также распространено мнение, что зарядные станции на постоянном токе снижают срок службы аккумуляторов. На самом деле, ресурс аккумуляторов снижается при любых способах ускоренной зарядки. Чтобы уменьшить влияние данного фактора, на некоторых станциях ультрабыстрая зарядка ограничивается 80 % емкости аккумуляторной батареи.

Неоднозначные перспективы

Действующий стандарт зарядки электромобилей на постоянном токе рассчитан на аккумуляторные батареи с рабочим напряжением 450 В. Таково сегодняшнее видение ситуации конструкторами электромобилей. Но уже сейчас проводятся исследования, показывающие, что для повышения эффективности и ходовых качеств электромобилей потребуется повышать напряжение батареи, вплоть до 900 В. Также ожидается, что в ближайшее время аккумуляторы в электромобилях будут вытеснены суперконденсаторами. Оба события потребуют переделывать или просто заменять оборудование зарядных станций на постоянном токе. В то же время зарядные станции на переменном токе смогут без проблем обслуживать как машины с 900 В аккумуляторами, так и электромобили на суперконденсаторах.

Поэтому развитие сетей зарядных станций на переменном токе еще долго будет интересовать инвесторов. Такие станции не только стоят недорого, но еще и защищают инвестиции, поскольку совместимы с электромобилями будущего.

Тем не менее и станции на постоянном токе способны занять свою нишу на рынке при установке их на крупных магистралях федерального значения. За счет обслуживания большого потока машин инвестиции окупятся быстрее, чем поменяются стандарты.