ГЛАВА 7. ИНФРАСТРУКТУРА, ПРОБЛЕМЫ ЗАРЯДА ТЯГОВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

В состав инфраструктуры электромобильного транспорта входят зарядные устройства для ТАБ с внешними электрическими сетями (от ближайшего трансформатора), технологические комплексы для обслуживания ТАБ и ЭХГ, эксплуатационно-технические хозяйства, осуществляющие хранение, транспортировку, утилизацию и вторичную переработку материалов. Эксплуатация электромобилей будет осуществляться по дорожной сети, предназначенной для эксплуатации автомобилей.

Городские электрические сети напряжением 220/380 В хорошо развиты, но одновременный заряд большого количества электромобилей может потребовать значительного увеличения сечения кабелей, подводящих электроэнергию к зарядным станциям.

Заряд ТАБ электромобилей производится на специальных зарядных станциях, находящихся в ведении достаточно крупных электромобильных эксплуатационных хозяйств или муниципалитетов крупных городов. Нормальный заряд требует от 5 до 10 ч. Прогнозируют также возможность использования больших коммерческих зарядных установок в центральных районах городов. Здесь может производиться заряд ТАБ несколько повышенными токами по сравнению с нормальным зарядным током. Медленный ночной заряд улучшит использование мощности электростанций и не требует усиления электрических сетей. Заряд большого числа электромобилей в дневное время повышает максимум нагрузки и требует модернизации системы производства и распределения электроэнергии. Потребуется пересмотр тарифов на электроэнергию в дневные и ночные часы, причем ночной тариф должен быть существенно ниже. По специальному сигналу в часы максимума нагрузки заряд должен прерываться. Все это позволит потребителю получать энергию по более низким расценкам.

В будущем владельцам электромобилей будут предложены станции для ускоренного заряда, оборудованные мощными энергетическими установками; последние в настоящее время разрабатываются. При ускоренном заряде токи заряда для одной ТАБ будут достигать нескольких сот ампер. Большие зарядные токи обусловят большие пиковые нагрузки на местные системы энергоснабжения. Чтобы понизить эти нагрузки, предполагается использовать устройства для накопления энергии, например, мощные электрохимические батареи, маховичные установки и сверхпроводящие системы для накопления магнитной энергии. Станции для ускоренного заряда не должны быть рассчитаны на полный заряд разряженной батареи. Они должны обеспечивать электромобилю дополнительный запас хода в 100-150 км при заряде в течение 10-30 мин.

Можно предположить, что станции быстрого заряда в эксплуатационном отношении будут аналогичны современным бензозаправочным станциям. Они будут располагаться вдоль шоссейных дорог, где система энергоснабжения является достаточно слабой. Если системы быстрого заряда будут внедряться, то потребуется развитие экономичной системы энергоснабжения в данном районе.

Зарядные устройства представляют собой электронные установки, которые генерируют гармоники и потребляют реактивную энергию. Ожидаемые эксплуатационные условия на станциях нормального заряда могут быть оценены проведенными измерениями нагрузочного режима зарядной станции, обслуживавшей в 1994 г. гонки электромобилей в США. На рисунке 7.1 приведена запись изменения тока в питающем кабеле станции, осуществлявшей заряд ТАБ тридцати электромобилей различного типа. При этом максимальный зарядный ток каждого электромобиля ограничивался 50 А при помощи автоматического выключателя.

Рис. 7.1. Кривая изменения тока в питающем кабеле зарядной станции

Из рисунка 7.1 следует, что в кривой тока кабеля присутствуют значительные гармонические составляющие.

Измеренный коэффициент мощности для различных зарядных устройств изменяется от 0,75 до 1. Как показали измерения коэффициента мощности в питающем кабеле, 50% зарядных устройств имеют коэффициент мощности ниже 0,86.

Измеренный коэффициент гармонического искажения находится между 5 и 50%. Осредненное значение коэффициента гармонического искажения, измеренное в питающем кабеле, показывает, что 80% зарядных устройств работают с коэффициентом искажения не менее 30%. Полученный экспериментальный материал имеет очень тревожный характер и свидетельствует о необходимости улучшения показателей энергетики заряда.

Потребление реактивной энергии может быть уменьшено путем использования в качестве зарядного устройства выпрямителя вида «источник напряжения». В нём используются транзисторы вместо диодов или тиристоров. Транзисторами можно управлять таким образом, что питающее напряжение и ток окажутся в фазе. Другим средством управления реактивной мощностью является коррекция сдвига фаз посредством использования конденсаторов.

Содержание гармонических составляющих в кривой тока зарядной станции может быть значительным, но его можно уменьшить при использовании ШИМ зарядных устройств. Этот метод также требует применения транзисторов и значительно более сложных схем цепей управления. Содержание гармонических составляющих в кривой тока зарядной станции снижается, если число заряжаемых ТАБ возрастет. Это происходит благодаря наложению друг на друга гармоник, генерируемых зарядными устройствами различного типа. Наложение не совпадающих по фазе гармоник приводит к снижению их амплитуд. Тем не менее, гармонические составляющие, генерируемые при заряде большого числа ТАБ, могут обусловливать значительные проблемы для коммунальных предприятий.

Ток в тяговых цепях электромобиля может достигать нескольких сот ампер. Как следствие, образуются магнитные поля как внутри, так и снаружи электромобиля. Магнитное поле, обусловленное электроприводом постоянного тока, в действительности имеет постоянные и переменные составляющие. Последние по своему действию более вредны, чем постоянные составляющие наведенного магнитного поля. Переменные составляющие поля искажают при заряде синусоидальную форму кривых напряжения тока в подводящих проводах. Какая из составляющих определяет процесс, зависит от скорости электромобиля. Высокочастотные гармоники, вплоть до десятой гармоники, нельзя не принимать в расчёт.

Наиболее сильное магнитное поле было зафиксировано во время разгона и рекуперативного торможения. В этих условиях максимальное значение магнитной напряжённости, отмечалось в моторном отсеке и составило около 120 мГс. Магнитное поле в пассажирском салоне было значительно слабее благодаря экранизирующему действию кузова электромобиля.

Возможное магнитное поле на перспективных зарядных станциях можно прогнозировать по результатам измерений, проведенных на упомянутой выше зарядной станции, обслуживавшей гонки электромобилей. Эти измерения показали, что наиболее сильное поле около 50 мГс было зафиксировано непосредственно у зарядных кабелей. Сила поля на расстоянии 50 см от электромобилей была между 20 и 30 мГс. Эти цифры показывают, что при проектировании будущих зарядных станций следует предусматривать использование бронированных кабелей и кабельной арматуры с низким выходом магнитного потока.