Зарядки для электромобилей: как это работает

Электропикап Rivian

Электропикап Rivian с индикатором заряда. Источник фото: rivian.com/newsroom
 

В этой статье мы разберемся с зарядками для электрокаров: как они устроены с точки зрения харда и софта, чем инфраструктура для электротранспорта может заинтересовать инженеров-разработчиков и технологических предпринимателей, а в конце — посмотрим на прогнозы экспертов.

С появлением электромобилей двигатели внутреннего сгорания с сотнями движущихся частей уступают место электрическим трансмиссиям, в которых таких движущихся частей менее двадцати. Инновации на этом новом рынке зачастую касаются трех главных компонентов:

  1. Зарядные станции и батареи.

  2. Тяговые электродвигатели.

  3. Силовая электроника.

В рамках этой статьи мы разберемся, что из себя представляет система зарядных станций для авто. На наши вопросы ответит Андрей Гольмак — один из лучших мировых специалистов в этой теме. Андрей закончил минский факультет радиофизики и электроники в БГУ, занимался embedded-разработкой, а потом переехал в Канаду и присоединился к небольшой компании, которая одной из первых в мире начала работать с зарядками для электромобилей. В итоге эта компания стала лидером канадского рынка и второй в США. Мы пообщались с Андреем по Zoom и делимся с вами самыми интересными вопросами:

— Что сейчас в целом происходит на рынке зарядных устройств для авто?

— Тем, кто только начинает знакомиться с этой темой, может показаться, что зарядка для электромобиля — это что-то типа зарядки для телефона. На самом деле это сложная экосистема.

Пока этот рынок незрелый. Если кто-то из компаний или инженеров хочет войти в эту отрасль, то сейчас — лучшее время. Меняется вся инфраструктура, сам автомобиль и зарядки, системы управления батареями, трансформируются поставщики электроэнергии и инфраструктура городов, рождаются интересные проекты. Эти изменения затронут всех в конечном итоге.

Сейчас на рынке зарядок сформировались три сегмента: домашний, частный и общественный. 60% рынка устройства для домашнего использования, когда пользователи устанавливают зарядку для электромобиля у себя дома, а если есть возможность — в паркинге своего многоквартирного дома.

Частные станции — это зарядки частных компаний. Например, банк устанавливает автомобильные зарядные устройства для своих сотрудников. Либо компании, которые доставляют товары Amazon: у них есть парк автомобилей, и они устанавливают для них сеть электрозаправок в разных городах.

Общественные станции доступны для всех, они располагаются в городах и вдоль автотрасс. В качестве аналогии можно привести сеть операторов мобильной связи: ты должен подписаться на определенный тариф, чтобы пользоваться услугами.

 

Осенью 2021 года Литва стала первой страной в Прибалтике, которая присоединилась к сети Tesla Superchargers 

 

— А чем отличаются эти три сегмента — домашний, частный и общественный?

— Начнем с домашнего сегмента, где с точки зрения железа оборудование может быть проще. Это так называемые зарядки второго уровня. Владельцу такого устройства не нужно как-то специально распределять доступ к пистолету. Основная задача — зарядить свое авто, а статистика, которая потом приходит на смартфон, уже не так важна.

Но дело в том, что в Северной Америке стоимость электроэнергии может варьироваться в зависимости от времени суток — поставщики электричества пытаются компенсировать пиковые нагрузки утром и вечером за счет повышения тарифов. Поэтому сейчас домашние зарядки интегрируются в smart grid, систему управления электроэнергией. Домашние устройства с такой функцией можно включать изначально на маленьком токе, а ночью, когда стоимость электроэнергии ниже, электропитание автоматически включается на полную мощность. На полную зарядку автомобиля уходит от 6 до 8 часов.

Интеграция со smart grid, конечно, усложняет простейший вариант зарядки: требуется подключение к серверу, а сам сервер подключается к поставщику электроэнергии — так контролируется максимальный ток в разное время. Это занятная инженерная задача, но есть еще более интересные проекты: например, коммуникационный интерфейс vehicle to grid (ISO15118). Согласно этой концепции, авто может не только заряжаться, но и отдавать электричество — питать дом, когда электричество дорогое. Такой power bank на колесах. Более того, владелец такого устройства может продавать электроэнергию — возвращать ее в сеть и получать за это деньги.

— Что из себя представляет зарядное устройство с точки зрения железа, hardware-начинки?

— Есть три уровня зарядок. Зарядки первого уровня и правда похожи на зарядки для телефона: подключаем любой розетке на 110—120 вольт, 6—8 ампер.

Для второго уровня (наиболее распространенного) требуется 220—240 вольт с переменным током 30 ампер максимум. Электромашина с таким устройством берет от 6 до 30 ампер.

Рассмотрим, что есть внутри зарядки для домашнего использования:

  • плата преобразователя энергии (GFCI), которая преобразует напряжение, в ней встроены разные типы защиты;

  • плата контроля коммуникации с автомобилем, зачастую в устройствах такого уровня используется аналоговый интерфейс (для коммуникации используется сигнал, который называется pilot signal);

  • коммуникационная плата, которая может иметь свой модемом с wi-fi или кабелем.

Устройства для частного и публичного использования дополнительно содержат встроенную защиту для ограничения доступа и экраны для общения с пользователем. Также у них может быть контроллер для интеграции в систему управления зданием.

Зарядки третьего уровня для офисов и общественных мест — это такие большие «холодильники» вдоль автотрассы, в больших городах и на заправках. Они достаточно сложны технологически: 100—150 киловатт, сотни ампер, 480 вольт. Это устройства с постоянным током, так называемые DC-зарядки. С ними время зарядки электромобиля сокращается 10—30 минут максимум. Начинка у них аналогичная, есть графический интерфейс.

 

QC45 (Level 3) — станция быстрой зарядки электромобилей по стандартам CHAdeMO и CCS. Подходит для Nissan, Chevrolet, BMW, Ford, Tesla и др.
 

Отличительный компонент DC-зарядок — дополнительный power-модуль для преобразования тока и контроля. И когда речь идет о сотнях ампер, сам кабель зарядки довольно тяжелый, не всем хватает сил подключить его. Но Tesla, например, использует водяное охлаждение кабеля, поэтому он у них достаточно легкий.

С точки зрения коммуникации, зарядные устройства второго и третьего уровня схожи — в них используются те же модемы для подключения зарядки к серверу. Причем уже сейчас появляются новые задачи для компаний в этой сфере: модемы в старых моделях больше не могут поддерживать нужную скорость и количество данных, которое переносится от зарядки к серверу.

— А почему старых модемов для передачи данных уже недостаточно? За счет чего растет объем этих данных?

Возьмем в качестве примера общественные зарядки: в них может быть установлена простая почасовая оплата, а может быть динамическая, с учетом скидки в зависимости от потребленной электроэнергии, времени суток или рекламных акций конкретных автопроизводителей. Соответственно, возрастает и сложность коммуникации.

Еще один пример — проекты по профилактическому (предиктивному) обслуживанию, когда к зарядкам подключают искусственный интеллект, который по своим алгоритмам предсказывает необходимость обслуживания.

— Какие интерфейсы для передачи данных используются чаще всего и почему?

Используются два типа интерфейса: между зарядкой и модемом + между модемом и сервером. А сами модемы бывают встраиваемые и внешние.

Внешние модемы в основном используются для частных и общественных решений, когда нужно подключить много зарядок к одному модему.

Интерфейсы между зарядкой и модемом — зачастую wi-fi или ZigBee. ZigBee — наиболее эффективный, но пропускная способность у него такая же, как у wi-fi, и ее не всегда достаточно. Wi-fi проще, но не всегда удобен для установки в общественных местах (на улицах или в паркингах, где качество сигнала не всегда хорошее).

Интерфейс между модемом и сервером достаточно простой, это прямое подключение к интернету либо сотовая связь с сим-картой. Разработчики ушли от кабелей и ethernet, потому что зарядки устанавливаются на улице, где неудобно прокладывать кабель под землей — намного проще использовать симку, которая стала доступна по стоимости (несколько долларов в месяц для ИТ-решений).

— А теперь про инфраструктуру: чем отличается заправка для электромобилей от заправок для привычных авто с бензиновым двигателем?

Для зарядки электрокара можно использовать дополнительное приложение и указать в нем тип своего автомобиля. Такое приложение подскажет, как спланировать путь, где зарядиться и сколько это будет стоить. И каждый из этих сервисов — логистика, интеграция с платежами — это отдельные инженерные задачи.

На уровне B2C рынок развивается и предлагает свои плюшки: бонусные программы за использование определенных электрозаправок. С точки зрения В2В ситуация тоже интересная: если сравнить с мобильной связью, то тут есть возможность обмениваться данными у разных операторов (компаний-поставщиков).

 

Компактная зарядная станция Sputnik российской компании Portal Energy
 

— А когда уже сами автомобили будут общаться со своими зарядными устройствами?

Сегодня цифровое общение реализовано только на зарядках третьего уровня. Интерфейс между зарядкой и авто работает примерно так: электромобиль говорит «я готов заряжаться, мне нужно 15 ампер», а зарядка определяет максимальное количество тока, которое авто может потребить.

Тот же стандарт ISO15118 идет с функцией plug-in-charge, благодаря которой автомобиль сам авторизуется в системе, т.е. пользователю не обязательно проводить карточкой по зарядке, чтобы войти в свой аккаунт и получать электроэнергию.

Сейчас самая сложная коммуникация реализована на уровне «зарядка-сервер», а не между авто и зарядкой.

— А что со стандартами в этой теме?

— Все начиналась с компаний, у которых был большой опыт в разработке железа. Потом рынку понадобилось больше программных приложений для обслуживания данных с этих зарядок. Каждый производитель пытался внедрить свой стандарт — сделать протокол для общения между своей зарядкой и своим сервером. 

Но клиенты не хотят быть привязанными к одному производителю. Например, город Монреаль как заказчик хочет быть свободен в выборе поставщиков: оставить за собой возможность покупать зарядные станции у разных компаний, а потом подключать их к своей единой системе.

Мало того, что каждый производитель пытался продвинуть свой протокол, так нельзя сказать, что эти протоколы были хорошо оптимизированы. Не хочу бросать камень в огород embedded-разработчиков, но и тогда и сейчас их протоколы были на бинарном уровне, где каждый бит имеет значение. Когда речь идет о больших данных, такой протокол тяжело обслуживать и модифицировать.

Требования от клиентов заставили нас переходить к более сложным протоколам. Стали появляться стандарты общения между зарядкой и сервером. В Европе появился OCPP — Open Charge Point Protocol — протокол открытой зарядной точки. Также стали появляться стандарты общения в сети зарядных станций. И в какой-то момент производители зарядных станций были вынуждены внедрить эти протоколы в свои решения.

Универсальные стандарты задействованы пока не везде, их продолжают внедрять, и они продолжают меняться, так как рынок еще достаточно сырой, и не все стабилизировалось.

— А как рождаются стандарты? Это противодействие на уровне компаний или важнее вклад отраслевых организаций, которые ищут компромисс? 

— OCPP — это открытый стандарт, его создавал комитет из представителей разных компаний в Нидерландах. В этом open source-проекте приняли участие не только производители станций и разработчики софта, но также институты. 

— А что, если посмотреть на эту тему с точки зрения умного города: зарядки — это ведь только часть подсистемы такого города. Что думаешь про наше будущее, можно ли согласовать всю эту инфраструктуру? 

— Я не верю в один общий стандарт. Есть определенные стандарты, которые решают определенные задачи. Например, есть стандарт OpenADR, который позволяет удаленно управлять электроэнергией подключенных электроустройств — он балансирует всплески потребления электроэнергии, и зарядки в него отлично вписываются. Он является частью умного города, но решает конкретную задачу. И таких специализированных стандартов будет достаточно много.

— А как вообще можно подключиться к подобным проектам по разработке инфраструктуры для электротранспорта?

Сложно предвидеть, что будет с этой индустрией через 5 лет. Сейчас можно экспериментировать с разными типами клиентов: работать с банками, с городами, с компаниями со своим парком электромобилей. Если сфокусироваться на решениях проблем клиентов, то ты автоматически будешь двигать индустрию в правильном направлении. А в сборе требований работает стандартная схема: менеджеры по продукту общаются с клиентами, записывают их проблемы, а потом вместе с инженерной командой приоритезируют и выбирают те, решение которых даст максимальный эффект не только в деньгах, но также в новых клиентах и партнерах.

* * *

В заключении — обнадеживающий прогноз британской консалтинговой фирмы IDTechEx: в течение следующего десятилетия рынок электрокаров вырастет на 25% и продолжит рост во всех регионах мира в течение 20 лет как минимум. Так что для тех, кто хочет войти в эту отрасль — сейчас — лучшее время.