Хочу всё знать

Фото: Dukosi

Применительно к электромобилям словосочетание «умная зарядка» (smart charging) обычно означает систему управления рабочими режимами для зарядных станций и питающих их сетей. Но если зарядка в принципе может быть и «тупой», то самому электромобилю, точнее, его аккумулятору интеллект категорически необходим.

Макроуровень

Аккумуляторный электротранспорт, в противоположность электротранспорту с питанием от контактной сети, потребляет энергию не во время движения, а во время стоянки, которая, как правило, в несколько раз продолжительнее движения. Поэтому существует возможность заряжать тяговые аккумуляторы в часы низкой загрузки энергосистемы, тем самым сглаживая пики потребления. «Умная зарядка» – это система информационного обмена между электромобилями, зарядными станциями и операторами зарядных сетей, определяющая оптимальный режим работы этих станций. В специальной литературе о необходимости создания таких систем заговорили приблизительно в начале 2010-х, вскоре после этого были предприняты попытки коммерциализации идеи.

Различаются две разновидности «умной зарядки»: управляемая пользователем (User-managed charging, UMC) и управляемая поставщиком услуг (Supplier-managed charging, SMC), – но информационный обмен и интеллектуальные алгоритмы оптимизации реально есть только в SMC. В случае UMC просто используется двуставочный или трёхставочный тариф, и это побуждает пользователей ставить электромобили на зарядку ночью, когда плата за электроэнергию минимальна. Все люди ведут себя по-разному, но, как показывает статистика, большинство предпочитает начало действия низкого тарифа, и потому в соответствующий момент наблюдается электромобильный пик потребления. Конечно, это лучше, чем усиленный электромобилями вечерний пик потребления (а именно это происходит при одноставочном тарифе без какого-либо управления зарядными станциями), но для более сильного сглаживания пиков необходимо иметь больше данных.

В схеме SMC в реальном времени учитываются фактическая выработка энергии электростанциями и её потребление в пределах конкретного участка сети, а также состояние аккумуляторов, подключённых к зарядным станциям в данный момент. В случае двунаправленных станций аккумуляторы могут не только заряжаться, но и, наоборот, разряжаться, отдавая энергию в сеть, чтобы помочь ей справиться с пиковыми нагрузками. Пользователи, которые согласились интенсивнее эксплуатировать свои аккумуляторы, получают вознаграждение за проданную энергию, а сеть становится более гибкой.

Владельцы электромобилей, впрочем, не очень охотно передают контроль за процессом заряда в чужие руки. По крайней мере так было пять лет назад: по данным опроса, проведённого в 2019 году в Великобритании, около двух третей из них использовали UMC. Большинство респондентов, кроме того, сообщили, что ежедневно заряжают аккумулятор на 100%. Легко представить, как это выглядит: человек оставляет машину заряжаться на ночь, а с утра снимает её с зарядки и едет по своим делам.

Зарядка на полную катушку очень удобна для владельца – и столь же вредна для аккумулятора, недаром производители аккумуляторных батарей для электромобилей встраивают в них механизмы защиты. Если индикатор показывает 100% заряда, то практически всегда это не физически возможный предел, а некоторый разрешённый максимум (например, уровень 95%, который, конечно, больше рекомендуемых для щадящей эксплуатации 70–80%, но предотвращает наиболее разрушительные последствия для ячеек). Все батареи в обязательном порядке снабжаются блоком BMS (Battery Management System - система управления батареей), который регулирует ток зарядки и балансирует разницу напряжений на модулях.

Микроуровень

В сентябре 2024 года британский разработчик Dukosi (Эдинбург, Шотландия) объявил о готовности к запуску в производство своей инновационной системы мониторинга аккумуляторных ячеек DKCMS (DuKosi Cell Monitoring System), предназначенной для высоковольтных аккумуляторов. Это могут быть аккумуляторы не только для электромобилей, но и более мощные – для строительной техники, складских автопогрузчиков, карьерных самосвалов, автотягачей, кораблей (уже есть запрос от судостроителей), а также стационарных систем хранения электроэнергии. Как говорят в компании, DKCMS должна произвести настоящую революцию в производстве батарей высокой мощности, увеличив их эффективность, безопасность и долговечность.

Если в нынешних аккумуляторах блок BMS связан многочисленными проводами с модулями, из которых составлена батарея, и следит только за их параметрами, то архитектура DKCMS обеспечивает мониторинг всех без исключения ячеек внутри модулей. Каждая из них снабжена чипом, измеряющим температуру и электрическое напряжение и имеющим уникальный номер. Технология называется chip-on-cell.

Саму по себе идею с чипами, как объяснил глава Dukosi Марк Пинто, не назовёшь кардинально новой, но для её воплощения в жизнь нужно как-то обеспечить передачу результатов измерений в блок BMS. Раньше было неясно, как это можно сделать, ведь металлический корпус батареи мешает использовать такие протоколы беспроводной связи, как Wi-Fi и Bluetooth, а прокладывать провода к каждой ячейке неприемлемо из-за дороговизны, сложности сборки-разборки и увеличенной массы.

Проблему решил особый протокол беспроводной связи C-SynQ, работающий в том же диапазоне частот, что и Bluetooth, но в ближнем поле, аналогично протоколам NFC. Вместо многочисленных проводов над рядом ячеек прокладывается антенна как общая шина (см. рисунок). По этой шине данные от ячеек передаются в концентратор, который предполагается размещать на той же плате, что и главный процессор блока BMS. Взаимодействие между ними обеспечивает библиотека DKCMS.

Таким образом, BMS получает возможность работать с максимально точной и подробной информацией обо всех параметрах аккумуляторной батареи (см. таблицу). Новую архитектуру выгодно отличает от старой отсутствие хитросплетений проводов. Аккумулятор получается проще (согласно компании, для сборки потребуется в десять раз меньше компонентов), надёжнее (исключено множество подверженных вибрации контактов, контролируется температура каждой ячейки) и легче (провода имеют ощутимый вес). А ещё появляется возможность быстрого восстановления аккумулятора путём замены отдельных деградировавших ячеек. До сих пор их поиск был трудоёмок и требовал настолько много времени, что этим мало кто занимался, а с полной информацией обо всех ячейках диагностику можно провести в считанные минуты. Если DKCMS получит распространение, то, вполне вероятно, наберёт популярность и ремонт электромобильных аккумуляторов.