Тема бездротової зарядки для електромобіля «на слуху» останні кілька років, але 2021 рік обіцяє стати знаковим: тут і перші готові продукти для клієнтів, і спроба стандартизації, і подальші ідеї для розвитку. У цій статті ми спробували зібрати всі окремі нотатки про цю технологію, щоб отримати загальну картину.

Бездротова зарядка: сьогодні та завтра
Одним із приводів для матеріалу стала новина від компанії BMW про початок продажів власної системи бездротової зарядки. Поки що тільки для гібрида BMW 530e, але надалі – потенційно для всього модельного ряду електрифікованих автомобілів (гібриди і електромобілі, що заряджаються) від BMW. Суть бездротової зарядки BMW Wireless Charging ідентична тому, що вже відомо у світі смартфонів: передавач та приймач у вигляді котушок, електромагнітне поле між ними. Тільки тепер усі елементи помітно більші у розмірах. Передавач являє собою пластину, яку можна покласти на підлогу гаража або місця для паркування (або зовсім вмонтувати на постійній основі). Приймач встановлений на днищі гібрида або електромобіля та підключений до тягового акумулятора.

В цілому ідея не нова і щось подібне також реалізує компанія Mercedes для свого гібрида S-класу, що підзаряджається. Цікаво, що в двох вищенаведених прикладах йдеться не про електромобілі в чистому вигляді, а про гібриди, що заряджаються, з розміром тягового акумулятора близько 9 кВтг, який вимагає для зарядки близько 3,5 годин. Чому так? Тому що серійні зразки бездротових зарядних пристроїв для клієнтів сьогодні розраховані на потужність близько 3-3,5 кВт, що порівняно із зарядкою від розетки 220В. А ще цікаво, що над бездротовою зарядкою працює не тільки компанії BMW та Mercedes, а й Renault – причому у всіх трьох випадках використовуються напрацювання Qualcomm.

Йдеться про систему Halo WEVC (Wireless Electric Vehicle Charging), яка дозволяє працювати з потужністю до 20 кВт та обіцяє високу ефективність (90%) передачі енергії бездротовим способом. Якщо для гібридів сьогодні достатньо потужності 3-3,5 кВт (йдеться про банальну зручність – не потрібно щоразу підключати провід до розетки), то у випадку електромобіля Renault ZOE реально потрібна більш висока потужність, аж до 20 кВт.

Крім того, у Renault є ідеї безпроводової зарядки, вбудованої в дорожнє полотно. Згідно з розрахунками інженерів компанії, достатньо встановити одну точку зарядки кожні 250 м - і цього буде достатньо, щоб заряджати електрокар протягом тривалої поїздки. Сьогодні Renault вже проводить випробування бездротової зарядки з компонентами від Qualcomm та робочою потужністю 5-20 кВт, проте впровадження цієї технології очікується до 2025-2027 рр., причому, швидше за все, на моделі ZOE вже наступного покоління.

Розповідаючи про Renault, ми вже заглядаємо в недалеке майбутнє: висока потужність зарядки, траси із зоною бездротової зарядки (такі напрацювання вже є в Китаї та Великій Британії). У цій галузі, крім BMW, Mercedes, Renault також працюють інші автомобільні компанії. Наприклад, компанія WiTricity вже створює бездротові зарядки (7-11 кВт) для GM, Honda, Hyundai, Nissan. Поки вони заявлені лише для концептів, що були показані на виставках, проте початок співпраці покладено – тим більше, що всі перераховані вище автомобільні компанії націлені на гібриди і електромобілі, що підзаряджаються. А значить – технології бездротової зарядки їм стане в нагоді вже в найближчому майбутньому: хоча б для того, щоб в очах покупців не відставати від конкурентів.

Якщо говорити про сторонні компанії, які безпосередньо не пов'язані з автомобільними брендами, то крім Qualcomm, тут працюють і інші фірми IT-сектору. Наприклад, Google співпрацює з двома компаніями у пошуках оптимального рішення бездротової зарядки для електромобілів та автономних автомобілів: йшлося про партнерські домовленості та тестування різних бездротових зарядок від HEVO Power та Momentum Dynamics. У першому випадку – HEVO Power – це проект бездротової зарядки потужністю від 1,5 кВт до 200 кВт, плюс фірмовий додаток, який дозволяє віддалено керувати зарядкою, резервувати місце, правильно позиціонувати електромобіль/гібрид над робочими ґратами бездротової зарядки.

У другому випадку – Momentum Dynamics – це вже навіть не плани, а реально реалізовані проекти швидкого бездротового заряджання для електричних автобусів: 200 кВт! Йдеться про електричні автобуси BYD з акумуляторами 200 кВтг, які вдається заряджати приблизно за годину - тобто. швидкість заряду становить близько 3-3,5 кВтг на хвилину. На даний момент робоча потужність 200 кВт виглядає абсолютним рекордом серед бездротових зарядок, що реально працюють.

Хоча Momentum Dynamics також пропонує зарядки потужністю 50-75 кВт – і подібні результати вже вдалося досягти кільком компаніям. Так, дослідницька лабораторія Oak Ridge National Laboratory, яка працює з електромобілями Toyota, досягла робочої потужності 20 кВт і зараз націлена на позначку 50 кВт. При цьому обіцяючи ККД зарядки близько 90% і навіть вище. Словом, якщо бездротові зарядки починалися з потужності 3-3,5 кВт як заміна звичайної розетки, то сьогодні можна говорити про зростання їхньої потужності вже в найближчому майбутньому – як бачите, є реальні та працюючі проекти з потужністю до 200 кВт. Тільки зі зростанням потужності пропорційно зростають розміри передавача та приймача. Плюс ефективність передачі електроенергії залежить від відстані між ними: що менше – то краще. Ось чому потужність 200 кВт підходить тільки для електричного автобуса або вантажівки: фактично все його місце для паркування в зоні стоянки - це один великий передавач площею 15-20 кв.м.

Ще не пішла голова навколо кількості різних фірм і компаній, задіяних у цьому питанні? При розробці кардинально нового продукту завжди спостерігається подібний «розбрід і хитання», що призводить до необхідності впорядкувати все.

Бездротова зарядка: перші спроби стандартизації
Першою – і, схоже, поки що єдиною – спробою навести лад у сегменті бездротових зарядок для електромобілів та гібридів є стандарт SAE J2954. Причому це навіть не «стандарт» і не «правила», як ми їх сприймаємо: спочатку організація SAE випустила т.зв. рекомендації під номером J2954.

Згідно з SAE J2954, всі бездротові зарядки повинні бути поділені на три типи WPT (Wireless Power Transfer). Перший тип призначений для роботи із потужністю до 3,6 кВт; другий – до 7,7 кВт; третій – до 11 кВт, плюс передбачений один стандартний тип робочої (передаючої) решітки-котушки. Нехай спочатку SAE J2954 був лише «рекомендацією», однак компаніям потрібно було на чомусь зупинитися та «зафіксувати» свої напрацювання – і де-факто саме J2954 зараз став загальноприйнятим стандартом «за умовчанням» для бездротових зарядок. Фактично це перший крок, перший доробок до створення сумісних зарядок від різних виробників.

Крім того, як і раніше ведуться дослідження впливу форми передавальної та приймальної решітки-котушки на потужність, з якою можна працювати. У разі потужності понад 11 кВт можна говорити про рішення, що виходять за межі стандарту J2954. Крім того, ще немає остаточного рішення про робочу частоту. Ряд досліджень дає оптимальну частоту для електромагнітного поля близько 22,5-22,7 КГц: тут вдається досягти найкращої ефективності (близько 85-90%) під час передачі електроенергії практично незалежно від потужності. Однак коли компанія-розробник хоче підвищити ефективність своєї бездротової зарядки та показати «приємну» цифру ККД аж 92-95%, то зазвичай відступають від загальноприйнятих правил – у результаті, приходячи до того, що різні бездротові зарядки будуть несумісні між собою.

Словом, зарядка BMW має працювати з електромобілем Renault і навпаки. все має працювати на рівні сумісності технологій. Це не питання безпеки – адже якщо необхідно блокувати зарядку для неможливості її використання чужими електромобілями/гібридами, то для цього є різні технології розпізнавання «свій/чужий» (різні RFID-мітки).

Питання сумісності зарядок для електромобілів потрібно вирішувати вже зараз, на етапі впровадження технології: згадайте мобільні телефони 10-20 років тому, кожен зі своїм роз'ємом для зарядки, і до чого всі дійшли сьогодні. Але сумісність – це лише одне з питань майбутнього до бездротової зарядки.

Бездротова зарядка: підсумки та висновки, плюси та мінуси
Може, так не виглядає на перший погляд, але технологія бездротової зарядки – це міні-революція з дійсно корисним результатом. Адже бездротова зарядка дає кілька суттєвих достоїнств. По-перше, це зручно – для зарядки електрокара не потрібно підключати дроти і замислюватися над сумісністю зарядних роз'ємів, достатньо лише поставити електромобіль на потрібне місце для паркування з облаштованою бездротовою зарядкою. По-друге, неочевидне, але важливе зауваження – бездротове заряджання дозволяє зробити акумулятор електромобіля менше. Тепер електромобіль або гібрид можна підзаряджати під час проміжних зупинок, а при їзді по трасі з вбудованою бездротовою зарядкою тяговий акумулятор взагалі виступатиме таким собі буфером або резервним накопичувачем для нетривалої автономної поїздки. Третє – вже створюються бездротові зарядки з функцією передачі електроенергії від електромобіля до побутової мережі (т.зв. V2H «Vehicle to Home» або V2G «Vehicle to Grid»). Це свідчить, що розвиток бездротових зарядок йде у нарощуванні потужності, а й у нарощуванні функціональності, порівнянної із звичайним провідним з'єднанням.

Однак і зауважень вистачає. Наприклад, будівництво траси із вбудованою зарядкою буде дорогим (поки що експериментальні проекти – це ділянки довжиною максимум у пару км). Можна зменшити витрати та будувати траси з однією смугою-зарядкою (наприклад, для громадського транспорту та електромобілів). Але хто тоді стежитиме за цією смугою, триматиме її вільною від різних порушників? Наступне зауваження – це ефективність роботи зарядки: зазвичай заявлена ​​ефективність близько 90% і низка компаній зазначає, що навіть у звичайному дроті та розетках/роз'ємах є втрати електроенергії. Так є. Але бездротова зарядка (її передавальний блок) також підключена до джерела електроенергії по дроту: отже, втрати треба підсумовувати. А це підводить до наступного зауваження – також неочевидного, але важливого: чим більше втрат – тим більше розмивається ідея економічності та екологічної чистоти електромобіля, що є критично важливим для тих людей, які обирають електричний транспорт «з калькулятором у руках» або за власними еко-переконаннями. .

Однак, усім відомо, що є двигуном прогресу. Ми повертаємося до першої переваги подібних систем – зручність: відсутність необхідності підключати кабель для заряджання та думати про сумісність різних зарядних роз'ємів. Тому бездротовим зарядкам для електромобілів обов'язково знайдеться місце в нашому світі.