Как быстро заряжается электромобиль

В прошлой статье рассказывал о прогрессе в области аккумуляторов и дальности пробега электромобилей. В принципе, нынешних 500-600 км достаточно даже для дальних вояжей, если перезарядка занимает, допустим, минут 10-15. И это то, к чему стремится индустрия, хотя есть и ряд проблем. В этом выпуске —  о типах электрозарядных станций (ЭЗС), их скорости и морозном факторе, конечно.

Два типа зарядки…

Глобально все зарядные станции делятся на два класса: переменного тока и постоянного. Электромобили могут заряжаться и тем, и другим, и для простоты можно запомнить, что зарядки переменного тока — медленные, зарядки постоянного — скоростные.

Переменный ток вы найдете в любой розетке, и старые электромобили можно было заряжать прямо от них. Однако стандартная 16-амперная 220-вольтовая розетка обеспечивает среднюю мощность зарядки на уровне 3,5 кВт, так что батарею ёмкостью 100 кВт*ч можно заряжать сутками. Зарядные станции переменного тока есть и большей мощности, в основном —  от 7 до 22 кВт. Такие бывают как публичные, так и частные (в домах), и по большому счёту в 90% случаях электромобиль должен заряжаться именно так: в гараже и не спеша. Переменный ток вполне подходит для того, чтобы полностью перезаряжать батарею дальнобойного электромобиля за ночь (что, вообще говоря, нужно нечасто).

Поскольку батарея электромобиля — это источник постоянного тока, для зарядки переменным в электромобилях есть выпрямители, что и ограничивает предельную мощность зарядки. И куда сподручнее наливать в них сразу постоянный и высокий ток, что обеспечивает и большую мощность: скажем, зарядки Tesla выдают в среднем порядка 240 кВт, а вообще анонсируются станции с чудовищной мощностью 640 кВт. Получается, батарею Zeekr 001 емкостью 100 кВт можно зарядить чуть ли не за 10 минут? Не совсем, и ниже расскажу подробнее, но в целом логика в этом есть: больше мощность ЭЗС — быстрее зарядка. Просто идёт она не с постоянной скоростью.

…и много зарядников

Помните мотки зарядных шнуров для разных телефонов с индивидуальным разъёмами? Увы, электромобиля проходят тот же мучительный путь, и единого стандарта пока нет. С переменным током чуть проще: в большинстве современных электромобилей есть разъем Type 2, принимающий мощность до 22 кВт (но к нему иногда нужен шнур, о чём рассказывал в истории «зикровода»). А вот для постоянного тока есть четыре типа разъемов: GB/T DC (китайский), CCS2 (европейский), CHAdeMO (японский) и NACS (тесловский). Последний обычно нужен только для Tesla, привезённых из США: европейские и китайские Tesla имеют соответствующие разъемы GB/T или CCS.

Многие современные ЭЗС поддерживают все основные стандарты (GB/T, CCS2, CHAdeMO), а на крайний случай есть переходники с одного стандарта на другой. Правда, они дорогие (до 150 тысяч), а главное, при высокой мощности зарядки любые контакты разогреваются, поэтому переходники снижают предельный темп зарядки, а порой ЭЗС в принципе отказываются работать с ними. Это особенно неудобно при планировании дальних поездок.

Но проблемы явно временные. Российский рынок электромобилей формируется стихийно, и в перспективе, думаю, появится универсальный стандарт и проблемы уйдут. Не удивлюсь, если это будет китайский GB/T (DC), хотя пока мы ориентированы на европейские CCS2. Например, такие используют липецкие электрокары Evolute и новая марка Exlantix (очередной суббренд Chery в России).

Что ограничивает скорость зарядки

При зарядке литий-ионных батарей можно получить высокие скорости, увеличивая напряжение, но проблема в том, что это убьёт батарею, в том числе, из-за её перегрева. Предельная скорость зависит и от типа батареи, например, литий-железо-фосфатные (LFP) батарее медленнее, чем NMC или NCA. Между скоростью зарядки и ресурсом есть зависимость, и при высоких мощностях электроника должна выполнить зарядку ювелирным образом, выдерживая оптимальные параметры. Электромобиль и сама ЭЗС имеют датчики и мозговые центры, которые в числе прочего контролируют температуру разъемов, проводников, батареи. Поэтому иногда скорость зарядки может сильно отличаться от теоретической: если электроника фиксирует аномальный рост каких-то параметров, она снизит скорость зарядки.

И в любом случае мощность не постоянна. Для зарядки смартфонных батарей обычно используются две ступени: сначала — постоянным током (напряжение при этом плавно растёт), потом — постоянным напряжением (ток плавно падает). В электромобилях алгоритм сложнее, и обычно в середине цикла есть фаза, когда и ток, и напряжение высоки, а мощность близка к максимальной. Но всё же эта мощность не сохраняется на протяжении всего цикла. Так, при подключении к ЭЗС выход на полную мощность происходит плавно, и  в первые минуты значения могут быть гораздо ниже номинальных. Скорость зарядки падает и по мере наполнения батареи, а особенно сложными являются последние 20% (в этот момент ионам лития становится всё сложнее находить слоты между слоями графитового анода). Поэтому время скоростной зарядки чаще всего указывается для диапазона от 10% до 80% — предпочтительно использовать батарею именно в этих пределах.

Скорость зарядки увеличивают разными способами, например, за счёт водяного охлаждения зарядного кабеля и контактов, как у тесловских суперчарджеров. Влияет и рабочее напряжение в бортовой сети электромобиля. Ещё несколько лет назад оно было 200-400 В, сейчас многие переходят на 800 В и больше. Увеличение напряжения в 2 раза снижает ток на ту же величину, а тепловые потери уменьшает в 4 раза.

Предельная мощность указывается и для электромобиля, и для зарядной станции. Понятно, что при подключении одного к другому мощность не превысит наименьшую из двух величин, а по факту средняя мощность будет ещё ниже.

Кстати, для оценки скорости зарядки иногда используют уровни: 1C — это полная зарядка за час, 2C — за полчаса, 3C — за четверть часа и так далее. Для электромобильных батарей в основном актуален уровень 1C, хотя в теории некоторые литий-ионнные батареи принимают до 3C-5С.

Как быстро заряжаются реальные электромобили

Уже достигнуты неплохие результаты, например, Zeekr 001 от зарядной станции мощностью не менее 200 кВт с 10% до 80% заряжается за полчаса: это соответствует пробегу примерно в 430 км (70% от предельных 620 км). При этом компания заявляет, что батарея способна принимать до 350 кВт, что сокращает время до 20 минут.

Иногда для сравнения электромобилей используют скорость увеличения пробега во время зарядки. В рейтинге сайта Edmunds лидирует Hyundai Ioniq 6, который пополняет батарею с интенсивностью 1389 км за час. Понятно, что сам «Ионик» не проедет такого расстояния на одной зарядке, и батарея емкостью 77 кВт*ч обеспечивает ему пробег в 614 км (цикл WLTP) или 578 (цикл EPA). Но это значит, что с 10 до 80% на пробег порядка 400 км Ioniq 6 зарядится примерно на 18 минут. Средняя мощность зарядки составляет 210 кВт, пиковая — 242 кВт. Результат Hyundai достигается благодаря сочетанию двух факторов: с одной стороны, он довольно экономичен (15 кВч*ч/100 км), а с другой средняя мощность близка к пиковой, то есть он способен выдерживать большие токи в течение всей зарядки. Для сравнения Porsche Taycan 4S в том же тесте показал максимальную мощность в 270 кВт, но средняя была 223 кВт, а с учётом большего расхода (20,2 кВт*ч/100 км) средняя прибавка километража составила 1104 км за час. То есть зарядка «Тайкана» с 10 до 80% на пробег примерно 250 км займёт 14 минут. А старичок Chevrolet Bolt обеспечивает зарядку с пиковой мощностью 54 кВт, средней — 46 кВт, и за час добавляет пробег в 286 км. И это, кстати, показательно: модель 2016 года демонстрирует, какой прогресс достигнут в скорости зарядки за 8 лет.

В целом можно ориентироваться на цеховой стандарт для современных электромобилей на уровне 145-150 кВт: в тесте Edmund такие или большие величины выдаёт 2/3 протестированных машин. Для электромобиля со средним расходом 20 кВт*ч/100 км (это соответствует довольно бодрой езде) и батарее 100 кВт*ч зарядка с 10 до 80% будет добавлять 350 км менее чем за полчаса.

Нужно также учитывать потери при зарядке, которые в среднем составляют порядка 10%. То есть заливая в батарею 50 кВт, мы оплачиваем 5 кВт сверху.

А как в России?

Приведённые рассуждения справедливы, если речь о скоростных зарядках постоянного тока, которые выдают мощности, необходимые для конкретной модели на пике её возможностей. Разного рода колхозанство с переходниками и прочими ухищрениями может существенно снижать скорость зарядки, то есть в идеале ЭЗС должны сразу иметь те разъемы и параметры, на которые рассчитывал конкретный производитель.

В России постепенно растёт сеть скоростных ЭЗС постоянного тока, но, насколько знаю, пока предельной мощностью является 150 кВт. Владелец Zeekr 001 рассказал мне, что даже на таких станциях не видел значений более 100 кВт. С другой стороны, даже это уже приемлемо: зарядить батарею с 10 до 80% удаётся примерно за 40 минут. Думаю, со временем появятся и более мощные ЭЗС, что особенно важно на междугородних трассах.

Сколько стоит зарядка электромобиля

Домашние зарядные станции переменного тока работают по бытовому тарифу, который зависит от конкретного адреса, но если взять 5 рублей за кВт*ч, при расходе 20 кВт*ч на 100 км и потерях при зарядке в 10% один километр пробега обойдется в 1,1 рубля. Для автомобиля с расходом топлива 10 л/100 км он составит примерно 5,5 рублей. Скоростные ЭЗС дороже: на Punkt E цена кВт*ч составляет 16 рублей, то есть километр пробега с учётом потерь при зарядке составляет 3,5 рубля. Впрочем, пока электромобили в России являются транспортом для обеспеченных людей, которых вряд ли волнуют такие вещи.

А вообще для владельца электромобиля первостепенным является наличие зарядной станции дома: скоростные ЭЗС нужны разве что в дальних поездках и в тех случаях, когда пополнить батарею нужно в форс-мажорных обстоятельствах. Домашняя зарядка и дешевле, и меньше сказывается на ресурсе батареи.

Как влияет температура

При падении температуры скорость зарядки как правило снижается, а при отрицательных температурах многие литий-ионные батареи в принципе прекращают заряжаться (и это может сократить ресурс). Однако при езде и во время зарядки батарея естественным образом разогревается, поэтому её температура выше окружающей среды. У большинства электромобилей есть режим подготовки к зарядке, который активируется, например, если владелец выбрал на системе навигации ЭЗС: к моменту прибытия на станцию электроника постарается вывести батарею на оптимальную температуру. Плюс батареи утепляют, чтобы снизить потери энергии на их разогрев.

Наверное, вы слышали о проблемах тесловодов в США во время недавних морозов: на ЭЗС скапливались очереди, многие удивлялись возросшему времени зарядки. В статье по ссылке специалисты комментируют, что в основном сказалась неосведомлённость американцев об особенностях зимней зарядки, и многие приезжали на ЭЗС с холодной батареей (не включая режим подготовки), отчего процесс шёл медленно или не шёл вообще.

Поскольку электромобили распространились изначально в тёплых регионах, холодной эксплуатации уделялось не так много внимания. Но в целом неразрешимых проблем тут нет, хотя пока и скорость зарядки, и ресурс батарей в морозы снижается.

Перспективные типы ЭЗС

Гонка вооружений продолжается, и, если для самых быстрых зарядных станций Tesla Supercharger пока доступна максимальная мощность 250 кВт, то сейчас появляется всё больше проектов под вдвое большую мощность. Так, например, тайваньская Zerova презентовала станции мощностью 480 кВт.

На такую же мощность рассчитаны ЭЗС XPeng, и, по оценкам самой компании, при зарядке кроссовера XPeng G9 средняя мощность в 400 кВт будет добавляет 210 км пробега каждые пять минут, правда, пробег тут считается по оптимистичному циклу CLTC. В пересчёте на час получается плюс 2520 км пробега, в реальности, думаю, будет минимум на треть меньше, но всё равно выглядит перспективно.

Компания Nio известна благодаря сети станций для быстрой замены разряженных батарей на полностью заряженные. Недавно она презентовала зарядную станцию мощность 640 кВт, которая выдает 1000 В (то есть подходит для электромобилей с напряжением 800-900 В) и ток в чудовищные 765 А. Для сравнения, в бытовой розетки пределом являются 16 А. Для этого пришлось делать кабель с водяным охлаждением, но для скоростных ЭЗС это норма. C 2023 года Nio ставила в Китае зарядные станции мощностью 500 кВт.

Все статьи об электромобилях собраны под отдельным тэгом.