Toshkent davlat texnika universiteti xalqaro ilmiy-texnik anjuman - bet 174

УДК
621-313.3
ИННОВАЦИОННЫЕ ЗАРЯДНЫЕ СТАНЦИИ ДЛЯ
ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ: ТЕХНОЛОГИИ, ИНФРАСТРУКТУРА И
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Абдуллина Лилия Венеровна, студент
Казанский Государственный Университет, г.Казань, Россия
Аннотация. В этом тексте рассматривается проблема распространения
электромобилей и необходимость создания инфраструктуры для их зарядки. Статья
описывает ключевые аспекты функционирования зарядных устройств, предлагает
архитектуру распределѐнной системы управления и мониторинга зарядных
станций.
Ключевые слова. электромобили, электрические транспортные средства,
экологические преимущества, экономическая эффективность, инновации в
зарядных технологиях, интеграция с интеллектуальными сетями, безопасность и
надѐжность, международное сотрудничество, национальные стратегии развития,
зарядная инфраструктура для электромобилей.
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
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
253
предлагается архитектура распределѐнной системы управления и мониторинга этих
устройств.
В наше время электромобили становятся всѐ 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.
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. Внешние станции используют
зарядку постоянным током, который подаѐт регулируемую мощность
непосредственно на аккумуляторы автомобиля.
Оборудование для зарядки постоянным током установлено в фиксированных
местах с небольшими габаритами, поэтому его номинальная мощность может
достигать нескольких сотен киловатт. Метод быстрой зарядки постоянным током
сокращает время зарядки с нескольких часов до нескольких десятков минут.
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 разъѐма зарядного устройства. Рисунок 1
показывает упрощѐнную структуру DC зарядной станции.
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
254
Рис. 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 подаѐтся на аккумулятор электромобиля через
специализированный
интерфейс.
Работа
всей
системы
контролируется
микроконтроллером. Для обеспечения электроэнергией системы предусмотрен
отдельный блок вторичного питания. Дополнительный микроконтроллер позволяет
управлять MOSFET-транзисторами, на которых реализована схема преобразования
напряжения.
Рис.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, подключѐнные к микроконтроллеру.
В настоящее время рекомендуется создавать распределѐнную сеть зарядных
станций, работающих без постоянного присутствия оператора. Для обеспечения
работоспособности такой системы потребуется использовать технологии
удалѐнного доступа, управления и диагностики.
Развитие интернет-технологий и микроконтроллеров способствовало
появлению Интернета вещей. Интернет вещей представляет собой сеть
объединѐнных физических объектов, обменивающихся данными. Такой обмен
информацией между устройствами без участия человека позволяет по-новому
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
255
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. В настоящее время это обеспечивает
водителям доступ к различным сервисам, таким как навигатор для построения
оптимального маршрута с учѐтом дорожной обстановки или отслеживание
движения грузового транспорта. Учитывая эту тенденцию, мы хотели бы обсудить
преимущества подключения зарядных станций для электромобилей 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, ѐмкость
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;
состояние аккумулятора автомобиля;
возможность отслеживать местоположение зарядных станций и строить
маршрут с учѐтом 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).
Рис.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 еѐ автономность. Такую систему можно усовершенствовать,
если подключить к микроконтроллеру, подключѐнному к Интернету, отдельные
датчики для мониторинга состояния внешней среды. Например, если зарядная
станция получает электроэнергию от солнечных панелей, а погода ухудшается,
датчики освещения передадут сигнал микроконтроллеру, и станция временно
закроется, оповестив всех желающих заправиться, чтобы они успели выбрать
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
256
другой маршрут. Если будет создана сеть таких «умных» электрических заправок,
они смогут своевременно и скоординированно реагировать на различные ситуации,
а также предоставлять полную информацию о своей работе, что позволит
принимать различные решения, связанные с их дальнейшей эксплуатацией.
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.
|