Автоматические станции замены аккумуляторов в инфраструктуре современных городов

В статье рассматривается важность электрификации транспортного сектора как ключевого элемента в переходе на устойчивые источники энергии, с акцентом на развитие инфраструктуры для электромобилей. Традиционные методы зарядки электромобилей сталкиваются с проблемами, такими как длительное время зарядки и нехватка зарядных станций, что замедляет их распространение. В ответ на эти вызовы предлагается концепция станций автоматической замены аккумуляторов, которая позволяет быстро заменять разряженные батареи на полностью заряженные, сокращая время ожидания до нескольких минут. Проанализированы различные аспекты проектирования и размещения таких станций, подчеркивая их функциональность и интеграцию в городскую среду в условиях растущей урбанизации.

Ключевые слова: транспорт, электроавтомобиль, батарея, замена аккумулятора, зарядная станция, инфраструктура.

Введение

Транспортный сектор занимает одну из ключевых позиций среди мировых потребителей энергии, составляя около одной трети общего потребления. Традиционная транспортная система, основанная на двигателях внутреннего сгорания, является основным источником загрязнения воздуха и выбросов парниковых газов.

В настоящее время ряд стран внедряет политику энергетического перехода, направленную на достижение целей по снижению углеродных выбросов и декарбонизации транспортной системы, а также на оптимизацию структуры потребления электроэнергии. Электромобили становятся всё более распространёнными, поскольку они играют важную роль в этом переходе, выступая в качестве перспективного решения для хранения прерывистой энергии, получаемой из возобновляемых источников. В этом контексте исследования электромобилей рассматриваются как безопасная альтернатива.

Во всем мире электромобили получили широкое распространение за последние десять лет. И в России рынок электромобилей демонстрирует динамичное развитие. Российский парк достиг 37,8 тыс. единиц в 2023 г., продемонстрировав совокупный среднегодовой темп роста в 134,8 % (2015–2023 гг.). По итогам 2023 г. в России было реализовано 14 тыс. новых электромобилей. Это в 4,7 раза (или на 369,9 %) больше, чем годом ранее. В январе — феврале 2024 г. было продано 3 390 электромобилей, что в 3,7 раза больше, чем за аналогичный период 2023 г. [10].

С увеличением количества электромобилей на дорогах становится всё сложнее управлять их зарядкой и разрядкой в короткие сроки. Неправильная интеграция электромобилей в энергосистему может привести к проблемам с контролем, управлением и функционированием этой системы, а также создать новые пики нагрузки, угрожающие её стабильности. Координация этих процессов минимизирует негативное воздействие электромобилей на энергосистему. Электромобили могут эффективно использовать возобновляемые источники энергии, заряжаясь в периоды низкой нагрузки, когда выработка возобновляемой энергии высока, и разряжаясь в часы пикового потребления. Кроме того, управление зарядкой и разрядкой электромобилей помогает предотвратить перегрузку трансформаторов и линий электропередачи, что защищает оборудование от преждевременного износа.

Но несмотря на то, что электромобили стремительно завоевывают популярность, некоторые потенциальные покупатели испытывают сомнения из-за связанных с ними проблем. Одной из таких проблем является длительное время зарядки. Заправка бензинового автомобиля занимает менее пяти минут, тогда как самое быстрое доступное зарядное устройство для электромобилей может зарядить аккумулятор до 80 % всего за 30 минут. Одним из новых решений проблемы медленной зарядки является замена аккумуляторов [4].

В данной статье исследуется потенциал создания станций быстрой зарядки для электромобилей с возможностью замены батарей, что может стать аналогом традиционных автозаправочных станций.

С точки зрения промышленного дизайна, внимание уделяется важности функциональности проектирования и внедрения в среду таких станций. Рассматривается, как дизайн может влиять на восприятие пользователями, удобство эксплуатации и интеграцию с городской средой.

Станция замены аккумуляторов — это место, где владельцы электромобилей могут быстро заменить разряженный аккумулятор на полностью заряженный (рис. 1). Эта концепция была предложена в качестве нового метода устранения препятствий, связанных с традиционными методами зарядки.

Рис. 1. Принцип автоматической замены аккумуляторов

Сервис Evogo (рис. 2 а) от компании CATL предлагает модульную систему замены аккумуляторов, ориентированную на удобство и скорость обслуживания. Дизайн станций минималистичный, что может позволить вписываться в городские ландшафты. Однако, если станции будут расположены в малозаметных местах, это может снизить спрос на сервис. Компания Beijing Automotive Group с сервисом Blue Park Smart Technology (рис.2 б) сосредоточилась на умных технологиях и автоматизации [2]. Дизайн станции функционален, с акцентом на технологичность. Сервис Power Swap от компании NIO выделяется своим элегантным и современным дизайном, который акцентирует внимание на пользовательском опыте. Дизайн станций компания Ample акцентирует внимание на компактности и функциональности. Важно, чтобы дизайн станций не только соответствовал современным стандартам, но и учитывал потребности пользователей, обеспечивая удобство, доступность и интеграцию в городскую среду.

Рис. 2. Станции автоматической замены аккумуляторов а) Компания CATL сервис Evogo; б) Компания Beijing Automotive Group сервис Blue Park Smart Technology; в) Компания NIO сервис Power Swap; г) Компания Ample

Замена аккумулятора

Замена аккумулятора является одним из самых быстрых способов получения полностью заряженного аккумулятора для электромобиля. Этот подход значительно сокращает время зарядки для владельца и приносит пользу самой станции, позволяя эффективно управлять процессами зарядки, разрядки и замены аккумуляторов (рис.3). Оптимальное управление этими процессами на станции также способствует повышению эффективности работы и общей производительности энергосистемы [6].

Рис. 3. Работа станции для замены аккумуляторов

Процесс работы станции по замене аккумуляторов включает несколько ключевых этапов:

– На входе каждый электромобиль имеет один полностью заряженный аккумулятор, а разряженный аккумулятор соединяется со станцией;

– Внутри зарядной станции батареи подключаются к микросети для оптимизации процесса зарядки, при этом регулируются мощности зарядки и разрядки;

– На станции всегда должно быть достаточное количество полностью заряженных аккумуляторов для обслуживания прибывающих электромобилей. Если в момент времени «t» на станцию приезжают «n» электромобилей, система управления энергией должна обеспечить зарядку «n» электромобилей в момент времени «t−1» и сохранить их полностью заряженными для обслуживания в момент времени «t». Эти электромобили не разряжаются и не участвуют в управлении энергией, так как должны быть готовы к следующей подзарядке;

– При замене аккумуляторов мощность заменяемого и нового разряженного аккумулятора устанавливается на ноль, поскольку они не подключены к электросети;

– Общее количество аккумуляторов на станции должно превышать максимальное количество электромобилей, ожидаемых за определённый период.

Оптимальное размещение станции зарядки электромобилей

Размещение и определение размеров станции зарядки электромобилей признано одной из самых сложных проблем, связанных с перезарядкой, из-за возросшего использования транспортных средств, работающих на альтернативных видах топлива, а также ограниченного диапазона и ограниченного доступа к зарядным станциям [5]. Однако, надлежащая реализация в основном важна для снижения потерь энергии в электросетях и электромобилях, а также для удовлетворения возросшего спроса на зарядку, одновременно улучшая устойчивое планирование городских инфраструктур [9]. В разных источниках литературы было представлено множество практичных и эффективных методы с точки зрения вычислительных затрат для исследования и улучшения стратегий размещения станций зарядки электромобилей [7].

Согласно их выводам, соответствующая инфраструктура зарядки для поддержки полностью электрического парка такси из 17 395 транспортных средств в таком крупном городе, как Стамбул, должна включать приблизительно 1 363–1 834 зарядных станций, в зависимости от стратегии развертывания. Они также показывают, что небольшие изменения в количестве зарядных станций (менее 1 300 зарядных станций в этом исследовании) приведут к значительным изменениям в доступности зарядки такси и надежности услуг такси [8].

Вывод

В ходе исследования стало очевидно, что на данный момент самым оптимальным пользовательским сектором зарядок со сменой батареи будет общественный транспорт и такси, так как пользователи автомобилей пока не готовы к рискам о постоянной смене батареи на личном транспорте и так же производителю сложно будет унифицировать станцию под разные виды батарей.

Влияния внедрения станций смены батарей на городскую мобильность и экологическую устойчивость станет важным аспектом для городских планировщиков. Эффективность работы автобусной системы с точки зрения её пропускной способности и энергопотребления в основном определяется размером автопарка, а также расположением депо и соответствующих объектов.

Проанализировав конкурентов зарядных станций (рис.2), лучшим из аналогов является проект компании Nio. Егоможно рассматривать как успешный пример с точки зрения промышленного и средового дизайна по нескольким причинам. Во-первых, станции Nio имеют современный и минималистичный дизайн, что делает их визуально привлекательными и гармонирующими с городской средой. Использование чистых линий и современных материалов создает впечатление высоких технологий. Кроме того, процесс замены аккумулятора автоматизирован, что минимизирует время обслуживания и делает его простым для пользователей. Во-вторых, станции Nio спроектированы так, чтобы занимать минимальное пространство, что делает их подходящими для установки в городских условиях, где пространство ограничено. Система замены аккумуляторов позволяет уменьшить зависимость от традиционных зарядных станций, что может быть особенно полезно в густонаселенных городах с ограниченной инфраструктурой зарядки.

Литература:

1. Видманов, Д., Алфимцев, А. «Адаптация пользовательского интерфейса мобильного устройства на основе модели вознаграждения за удобство использования и многоагентного обучения с подкреплением», REEPE 2023, 2023.
2. Лабунец, Л., «Интеллектуальный анализ импульсного RCS для распознавания 3D объектов с помощью оптической системы позиционирования», Труды SPIE, 2023.
3. Локтев, Д.А., Локтев, А.А., Сальникова, А.В, Фоллагабер, А.Н., Слепнева, М.А. «Моделирование размытия изображения для оценки поведения реальных объектов системами мониторинга», Материалы 5-й Международной молодежной конференции по радиоэлектронике, электротехнике и энергетике 2023 г. — С. 1–6, 2023.
4. Малозёмов, Б.В., Мартюшев, Н.В., Кукарцев, В.В., Конюхов, В.Ю., Опарина, Т.А., Севрюгина, Н.С., Гозбенко, В.Е., Кондратьев, В.В. «Определение эксплуатационных характеристик тяговой батареи в электромобиле», World Electric Vehicle Journal, 2024.
5. Мохаммед А., Саиф О., Або-Адма М., «Многокритериальная оптимизация для определения размеров и размещения зарядных станций для электромобилей с учетом комплексных неопределенностей», Energy Inform, 131, 2024.
6. Чжань, Ц., Чжан, С., Тянь, Г., Фам, Д.Т., Иванов, М., Александров, А., Фу, Ц., Чжан, Дж., Ву, З. «Экологически ориентированное планирование демонтажа аккумуляторов транспортных средств с истекшим сроком службы на основе усовершенствованного алгоритма оптимизации», Environmental Science and Pollution Research, 2023.
7. Ma, TY., Fang, Y. «Survey of charging management and infrastructure planning for electrified demand-responsive transport systems: Methodologies and recent developments» Eur. Transp. Res. Rev. 14, 36, 2022.
8. Viswanathan S., Appel J., Chang L., «Development of an assessment model for predicting public electric vehicle charging stations», Eur. Transp. Res. Rev. 10, 54, 2018.
9. Payam S. B., Abbas R. G. «Optimal fast charging station placing and sizing», 2014.
10. Анализ российского рынка электромобилей [Электронный ресурс]. URL: https://strategy.ru/media/uploads/2024/04/Анализ_российского_рынка_электромобилей.pdf (дата обращения: 04.12.2024)