ИННОВАЦИОННЫЕ ЗАРЯДНЫЕ СТАНЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ: ТЕХНОЛОГИИ, ИНФРАСТРУКТУРА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

INNOVATIVE CHARGING STATIONS FOR ELECTRIC VEHICLES: TECHNOLOGIES, INFRASTRUCTURE AND DEVELOPMENT PROSPECTS

Abdullina Liliya Venerovna

student, Department of "Electrical equipment and Electrical facilities of enterprises, organizations and institutions" (EHP), Kazan State University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В этом тексте рассматривается проблема распространения электромобилей и необходимость создания инфраструктуры для их зарядки. Статья описывает ключевые аспекты функционирования зарядных устройств, предлагает архитектуру распределённой системы управления и мониторинга зарядных станций.

ABSTRACT

This text addresses the problem of the proliferation of electric vehicles and the need to create an infrastructure for charging them. The article describes the key aspects of the functioning of chargers, proposes the architecture of a distributed control and monitoring system for charging stations.

Ключевые слова: электромобили, электрические транспортные средства, экологические преимущества, экономическая эффективность.

Keywords: еlectric vehicles, electric vehicles, environmental benefits, economic efficiency.

В современном мире наблюдается стремительный рост числа автомобилей, работающих на электрических двигателях. Широкое распространение электромобилей обуславливает необходимость создания обширной сети зарядных станций, способных обеспечить быструю зарядку. В этой статье рассматриваются ключевые аспекты функционирования таких зарядных устройств, а также предлагается архитектура распределённой системы управления и мониторинга этих устройств.

В наше время электромобили становятся всё более популярными, вытесняя автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Это обусловлено разными причинами, включая стремление к экологически чистым видам транспорта, низкую стоимость электроэнергии по сравнению с топливом и появление более эффективных электрических батарей, позволяющих электромобилям преодолевать большие расстояния. В результате возникает потребность в особой инфраструктуре для электромобилей, включающей разнообразные зарядные станции. [1]

В отличие от заправки автомобиля с ДВС, зарядка электромобиля происходит медленнее и зависит от зарядного устройства и аккумулятора автомобиля, занимая от 7–8 часов до 60–30 минут. Поэтому необходимо создавать сеть зарядных станций разных типов. Разработка мощных зарядных модулей и специализированных систем контроля и мониторинга состояния зарядных модулей и процесса зарядки электромобилей становится важной научно-технической задачей.

В зависимости от расположения зарядного устройства зарядные устройства делятся на два типа: бортовые зарядные устройства (On-Board Chargers — OBC) и внешние зарядные станции.

Внешние зарядные станции используют источник переменного тока из электросети для преобразования в постоянный ток для зарядки аккумулятора. Однако ограниченная номинальная мощность зарядного устройства, размещаемого внутри электромобиля, замедляет процесс зарядки.

OVS (On-Vehicle-Charger) минимизирует затраты на создание зарядной инфраструктуры, но увеличивает стоимость и время зарядки аккумуляторов.OVS обычно не обеспечивает быструю зарядку, что может вызвать сложности для транспортных средств, которые преодолевают большие расстояния или находятся в пути длительное время (например, грузовики и автобусы). Внешние зарядные станции требуют дополнительных затрат на установку, подвод линий электропередач и обслуживание, но сокращают время зарядки, что делает использование электромобилей более удобным. Рассмотрим устройство внешней зарядной станции, способной заряжать автомобиль постоянным током.

DC быстрая зарядная станция, как правило, включает следующие функциональные блоки: выпрямитель переменного тока; блок коррекции коэффициента мощности (PFC), преобразователь постоянного тока для контроля уровня напряжения, необходимого для зарядки батареи конкретного транспортного средства. Электропитание и связь между зарядным устройством и автомобилем осуществляются через интерфейс разъёма зарядного устройства. Рисунок 1 показывает упрощённую структуру DC зарядной станции. [2]

Рисунок 1. Структура зарядной станции для электромобилей

В состав зарядной станции входят следующие функциональные блоки: вторичный источник питания, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, DC/DC преобразователь, интерфейс подключения автомобиля, микроконтроллер, человеко-машинный и пользовательский интерфейсы, а также блок внешнего подключения.

Зарядная станция работает следующим образом: электроэнергия из внешней электросети поступает на выпрямительный блок, корректор коэффициента мощности, где переменный ток преобразуется в постоянный, затем ток проходит через DC/DC преобразователь, формируя необходимое значение напряжения. Генерируемое напряжение подаётся на аккумулятор электромобиля через специализированный интерфейс. Работа всей системы контролируется микроконтроллером.

Рисунок 2. Схема работы зарядной станции

Из этой схемы следует, что необходимо встраивать корректор мощности для каждой фазы, что приводит к необходимости использования подходящего микроконтроллера для управления зарядным устройством. Кроме того, для контроля всех необходимых показателей электричества требуются различные датчики, подключённые к микроконтроллеру.

Развитие интернет-технологий и микроконтроллеров способствовало появлению Интернета вещей. Интернет вещей представляет собой сеть объединённых физических объектов, обменивающихся данными. Такой обмен информацией между устройствами без участия человека позволяет по-новому использовать различные вещи, начиная с бытовых приборов и заканчивая промышленными датчиками. В ближайшем будущем развитие Интернета вещей может продолжиться, например, уже выпускаются автомобили разных типов с возможностью подключения к интернету. И владелец зарядной станции, и водитель электромобиля получат новые возможности. Вот некоторые из них:

Для владельца станции:

• получение данных об автомобиле (тип транспортного средства, ёмкость аккумулятора и т. д.);
• информация о владельце автомобиля;
• количество кВт, потраченных на зарядку;
• потребление электроэнергии зарядной станцией;
• мониторинг состояния зарядной станции для своевременного устранения неполадок.
• Для водителя электромобиля:
• время зарядки;
• количество электроэнергии, необходимое для полной зарядки;
• маршрут с учётом запаса хода и расположения зарядных станций по пути.

Для подключения станции к интернету необходимо использовать специальные микроконтроллеры или модули, которые могут быть интегрированы в систему зарядной станции (рис. 3).

Рисунок 3. Схема подключения к сети

Таким образом, у нас есть возможность получать данные от микроконтроллера (основную информацию о процессе зарядки) и контролировать процесс зарядки и работы станции, прерывая его в случае возникновения аварийной ситуации. Благодаря этому можно следить за состоянием зарядной станции, что повышает её автономность. [3]

Инфраструктура автомобильных электростанций играет ключевую роль в широком распространении электромобилей. Зарядные станции для электромобилей, особенно те, которые оснащены быстрой зарядкой постоянного тока, используют сложные системы электропитания для передачи большого количества энергии аккумулятору автомобиля за короткий промежуток времени. Эта система может быть подключена к интернету благодаря специальным микроконтроллерам. На основе данных о работе нашей системы, полученных от микроконтроллера и подключения различных периферийных устройств, мы можем получать новые данные о работе зарядной станции. Используя специальное программное обеспечение, можно связать работу зарядной станции с различными сервисами. Таким образом, использование технологии «Интернета вещей» в области зарядных станций предоставляет ряд описанных выше преимуществ.

Список литературы:

1. Г. Вальтрих, М. А. М. Хендрикс и Д. Л. Дуарте, «Трехфазный двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный с шестью параллельными ножками инвертора для приложений EV», IEEE Trans. Ind. Electron., том 63, No 3, стр. 1372-1384, март 2016 г.
2. Цзун-Ю Хоу, Панг-Йен Лоу и Чуа-Чин Ван, «Состояние заряда, состояние здоровья и мониторинг состояния функций для EV BMS», Национальный университет Сунь Ятсена, Тайвань, 2017 г.
3. Охрименко И. В., Руденко Н. В. Донской «Анализ известных структурных схем бортовых зарядных устройств электромобилей» Государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация.