Как правильно заряжать автомобили на новой энергии?

Понимание уровней и стандартов зарядки для новых энергетических автомобилей

Уровень 1, Уровень 2 и быстрая зарядка постоянного тока (DC): сценарии использования и реальная производительность

Электромобили обычно имеют три основных варианта зарядки, каждый из которых предназначен для разных ситуаций и потребностей. Первый уровень использует обычные розетки на 120 В, которые имеются в большинстве домов (мощность около 1–2 кВт). Однако такая зарядка происходит довольно медленно — примерно 5–20 км запаса хода за час. Этот способ целесообразен в основном для быстрой подзарядки ночью или когда время не ограничено. Переход на второй уровень требует установки специальных цепей на 240 В в жилых или офисных помещениях (мощность 3–19 кВт). При таком решении водители получают от 15 до 80 км запаса хода в час, что хорошо соответствует повседневным потребностям в зарядке — будь то дома, на парковках у офисов или на общественных станциях, расположенных по всему городу. Третий уровень — это постоянный ток высокой мощности (DC fast charging), при котором электричество минует внутренний преобразователь автомобиля и поступает напрямую в аккумуляторную батарею с гораздо более высокой скоростью (50–350 кВт). Большинство электромобилей с помощью таких сверхбыстрых зарядных устройств набирают от 100 до более чем 300 км запаса хода менее чем за двадцать минут — идеальный вариант для дальних поездок, но определённо не для ежедневного использования. Исследования показывают, что постоянное использование быстрой зарядки приводит к ускоренному износу аккумуляторов из-за накопления тепла. Согласно данным, опубликованным Министерством энергетики США, автомобили, регулярно заряжающиеся на высоких скоростях, теряют ежегодно около 10–15 % общей ёмкости аккумулятора по сравнению с теми, которые в основном используют более медленные методы зарядки второго уровня.

Переменный ток против постоянного тока: как эффективность преобразования и интеграция в сеть влияют на автомобили на новой энергии

Когда речь заходит о переменном токе (AC) для зарядки электромобилей (уровни 1 и 2), сам автомобиль выполняет основную часть работы по преобразованию переменного тока из электросети в постоянный ток, необходимый для зарядки аккумулятора. Этот процесс преобразования, происходящий непосредственно на борту автомобиля, приводит к потерям энергии порядка 10–15 %, а также существует жёсткое ограничение по максимальной мощности: большинство встроенных преобразователей работают максимум на уровне около 11 киловатт. Популярность такого подхода обусловлена его совместимостью с уже существующей инфраструктурой в жилых и коммерческих зданиях по всей стране. Однако будем честны: если водителю нужно быстро зарядить свой EV, то зарядка от сети переменного тока просто не подойдёт. Именно здесь на помощь приходят станции быстрой зарядки постоянным током (DC). Такие станции осуществляют всё преобразование непосредственно на месте подключения, благодаря чему энергия не теряется внутри автомобиля в процессе зарядки. И как же быстро происходит зарядка! Впрочем, есть и обратная сторона. Для развертывания таких высокомощных станций требуется надёжная локальная электрическая сеть, специальные системы охлаждения для толстых зарядных кабелей и иногда даже установка нового оборудования на подстанциях. Особенно трудно старым районам интегрировать такие передовые зарядные устройства, поскольку их инфраструктура изначально не проектировалась для столь высоких нагрузок. С другой стороны, распределённое размещение точек зарядки переменным током позволяет эффективнее управлять спросом на электроэнергию — например, путём планирования зарядки в часы минимальной нагрузки. В то же время концентрация слишком большого числа станций быстрой зарядки постоянным током в одном районе обычно вынуждает энергоснабжающие компании проводить дорогостоящие модернизации, чтобы поддерживать стабильность напряжения и предотвратить перегрузку и выход из строя трансформаторов.

Обеспечение совместимости разъёмов и протоколов для новых энергетических автомобилей

Надёжность зарядки зависит от соответствия физических разъёмов и цифровых протоколов обмена данными — речь идёт не только о форме штекера, но и о взаимодействии между транспортным средством, зарядным устройством и серверными системами.

CCS, CHAdeMO, NACS и Type 2 — соответствие стандартов маркам автомобилей и регионам

Глобальный ландшафт зарядки электромобилей (EV) доминируется четырьмя основными типами разъёмов. Во-первых, это CCS — стандарт, ставший предпочтительным решением как для переменного тока (AC), так и для постоянного тока (DC) в большей части Северной Америки и Европы. Далее следует CHAdeMO — разъём, по-прежнему широко распространённый в Японии, где он совместим со старыми моделями электромобилей Nissan и Mitsubishi. Самым новым участником рынка является NACS: изначально разработанный компанией Tesla, он теперь принят Ford, GM, Rivian и даже Volvo, способствуя повышению унификации инфраструктуры в США. И, наконец, разъёмы типа 2, стандартизированные в соответствии с IEC 62196-2, остаются основным решением для зарядки переменным током по всей Европе. Региональные карты зарядных станций наглядно демонстрируют эту географическую дифференциацию: примерно две трети общественных зарядных устройств в Европе поддерживают либо разъёмы CCS, либо типа 2, тогда как в азиатских странах по-прежнему преобладает инфраструктура CHAdeMO. Хотя автомобили с несколькими типами зарядных портов становятся всё более доступными, любому, кто планирует поездку между регионами, разумно заранее уточнить, какой именно тип зарядного устройства потребуется. Полагаться исключительно на предположения может привести к неприятным сюрпризам на обочине дороги. Приложения вроде PlugShare или ChargePoint позволяют решить этот вопрос заблаговременно.

Подключение и зарядка, аутентификация и причины, по которым не все разъёмы обеспечивают номинальную мощность постоянного тока

Функция «вставь и заряжай» (Plug and Charge) работает посредством цифрового согласования (handshaking) между транспортными средствами и зарядными станциями в соответствии со стандартом ISO 15118. Это позволяет электромобилям автоматически проходить аутентификацию и корректно выставлять счёт без необходимости использования раздражающих мобильных приложений или RFID-карт, которые пользователи постоянно забывают. Однако на сегодняшний день существует одна серьёзная проблема. Согласно недавнему исследованию Международного совета по чистому транспорту (International Council on Clean Transportation), опубликованному в 2023 году, примерно 35 % общественных постоянного тока (DC) быстрых зарядных устройств не способны поддерживать заявленную выходную мощность большую часть времени. Почему так происходит? На это влияет несколько факторов. Во-первых, при резком росте потребления электроэнергии в общей электросети напряжение, как правило, падает, что негативно сказывается на работе зарядного оборудования. Во-вторых, системы управления батареями (BMS) намеренно замедляют процесс зарядки, когда уровень заряда аккумулятора достигает примерно 90 %. И, наконец, нельзя забывать об устаревшем зарядном оборудовании, которое просто не соответствует современным требованиям безопасности или несовместимо с новыми моделями автомобилей. Температурный режим также играет важную роль: при очень высокой наружной температуре — свыше 35 °C — или при экстремально низкой — ниже минус 10 °C — срабатывают термодатчики, снижающие скорость зарядки до 40 % от номинальной. Они делают это потому, что безопасность в некоторых случаях важнее скорости зарядки.

Настройка безопасной и эффективной зарядки электромобилей дома

Электрические требования: мощность распределительного щита, выбор сечения проводов и соответствие нормам NEC для устройств зарядки электромобилей (EVSE)

При установке домашней зарядной станции уровня 2 первым шагом является привлечение лицензированного электрика, который выполнит так называемый полный расчёт нагрузки в соответствии со статьёй 220 Национального электротехнического кодекса (NEC). В настоящее время большинство домов оснащены распределительными щитами номиналом от 100 до 200 ампер, однако при подключении EVSE (оборудования для зарядки электромобилей) на 40–50 ампер суммарная подключённая нагрузка зачастую приближается к установленному Национальным электротехническим кодексом пределу непрерывной нагрузки — 80 %. Если текущая нагрузка уже превышает 80 % от максимально допустимой для щита, то необходимо либо модернизировать распределительный щит, либо использовать «умное» EVSE, способное снижать потребляемую мощность. При выборе сечения проводника следует также учитывать правило 80 %, предусмотренное NEC: это означает, что даже при использовании автоматического выключателя на 50 А он может обеспечивать непрерывную зарядку электромобиля только при токе около 40 А. Соответственно, сечение проводки также должно быть выбрано правильно: для цепей на 50 А стандартной практикой является применение медного провода сечением 6 AWG. Не забудьте также об обязательной защите от утечки тока (GFCI), требуемой в любом случае — как при внутренней, так и при наружной установке — в соответствии со статьёй 625.21 Национального электротехнического кодекса.

Установка с подключением к электросети и установка с подключением через розетку: рекомендации по сертификации UL, устройствам защитного отключения (УЗО) и защите от воздействия погодных условий

Стационарные зарядные станции для электромобилей (EV), подключаемые напрямую к электросети, как правило, служат дольше и обеспечивают более высокий уровень безопасности при постоянной установке на открытом воздухе, поскольку в них отсутствуют розеточные разъёмы, которые со временем изнашиваются из-за постоянного использования. Кроме того, они сокращают количество потенциальных точек отказа. С другой стороны, модели с подключением через розетку обычно используют стандартные розетки NEMA 14-50, что даёт пользователям больше гибкости при выборе места установки. Однако здесь есть и подводный камень, который часто упускают из виду: после сотен циклов подключения и отключения — особенно в периоды влажной погоды — такие соединения могут начать давать сбои, например, возникать искрение или чрезмерный нагрев внутри розетки. Тем не менее оба типа устройств должны соответствовать стандарту UL 2594, что означает наличие защиты от электрических неисправностей, автоматического отключения при превышении допустимой температуры, а также защиты от перенапряжений в сети. При установке любой системы на открытом воздухе выбирайте оборудование с классом защиты NEMA 4, оснащённое надёжным уплотнением вокруг кабельных вводов, и убедитесь, что точки крепления расположены не ниже чем на 30 см над уровнем земли. И ещё один важный момент для гаражей или подъездных путей, подверженных воздействию влаги: устанавливайте не обычные, а УЗО (устройства защитного отключения). Эти специальные автоматические выключатели мгновенно прекращают подачу электроэнергии при обнаружении неисправности — это абсолютно необходимая мера безопасности в местах, где регулярно выпадают дождь или снег.

Максимизация состояния аккумулятора за счёт дисциплинированной умной зарядки электромобилей

Литий-ионные аккумуляторы в электромобилях деградируют предсказуемо — но поддаются контролю — при воздействии экстремальных напряжений, тепловых нагрузок и зарядки током высокой силы. Стратегическая дисциплина — а не только технология — определяет долгосрочное состояние аккумулятора.

Правило 20–80 %, тепловой контроль и влияние частой быстрой зарядки постоянным током

Поддержание литий-ионных аккумуляторов в диапазоне заряда от 20 % до 80 % фактически помогает снизить химическую нагрузку внутри этих элементов. Исследование, опубликованное в журнале Nature Energy, показало, что у людей, которые избегают полной разрядки и полной зарядки аккумуляторов, срок службы батарей увеличивается примерно в два–три раза по сравнению с теми, кто регулярно выполняет полные циклы зарядки. Однако температура имеет не меньшее значение. При повышении температуры выше 25 °C (примерно 77 °F) нежелательные химические реакции ускоряются. Холодная погода также создаёт проблемы, поскольку система управления аккумулятором тратит дополнительную энергию на его подогрев перед началом корректной зарядки. Для достижения наилучших результатов старайтесь парковаться в прохладном и хорошо проветриваемом месте, когда это возможно. И не забудьте включить функции предварительной кондиционирования, если они доступны, особенно при очень высоких или очень низких внешних температурах.

Имеет смысл использовать быструю зарядку постоянным током (DC) только тогда, когда это действительно необходимо — например, во время более длительных поездок по городу или за его пределы. Дело в том, что каждый раз при подключении к станции быстрой зарядки постоянным током температура аккумулятора значительно повышается, что негативно сказывается на его сроке службы в долгосрочной перспективе. Согласно исследованиям, проведённым в Национальной лаборатории Айдахо, автомобили, которые в основном используют зарядку уровня 2, сохраняют около 92 % первоначальной ёмкости аккумулятора даже после пробега порядка 160 000 километров. Однако если быстрая зарядка постоянным током используется более чем в четверти всех случаев зарядки, средняя сохраняемая ёмкость аккумуляторов снижается примерно до 83 %. Таким образом, для повседневных поездок по городу использование зарядки уровня 2 является наиболее рациональным решением. Быструю зарядку следует оставить на чрезвычайные ситуации или при планировании дальней поездки — и тогда наши электромобили прослужат дольше, не жертвуя при этом значительным удобством.