Зарядные станции для электромобилей на трассе: метод расчета времени и потерь

Если разделить их на 150 кВт, получится около 17 минут. Но это время существует только в идеальной арифметике: автомобиль должен всё время принимать полную мощность станции, а потерь и ограничений не должно быть вовсе.

В реальной поездке зарядная сессия зависит от нескольких величин сразу: полезной ёмкости батареи, начального и целевого уровня заряда, возможностей станции и автомобиля, температуры аккумулятора и того, как меняется мощность по мере заполнения батареи. Поэтому зарядные станции для электромобилей на трассе расчет времени требуют не одной операции деления, а последовательной оценки этих факторов. Так получается план, который можно сопоставить с расстоянием между точками и временем в пути, а затем скорректировать по данным автомобиля.

Сначала считаем энергию, которую нужно добавить

Обозначение SOC показывает уровень заряда батареи в процентах. Чтобы найти требуемую энергию, берут разницу между целевым и начальным SOC и умножают её на ёмкость батареи:

ΔE = C × (SOCцелевой − SOCначальный) ÷ 100

Здесь C, ёмкость батареи в кВт·ч, а ΔE, энергия, которую нужно добавить. Для примера с батареей на 70 кВт·ч и переходом с 20 до 80 процентов:

70 × (80 − 20) ÷ 100 = 42 кВт·ч.

Это оценка энергии, которая должна попасть в батарею, если указанная ёмкость подходит для расчёта. В документации к автомобилю могут фигурировать номинальная и доступная ёмкость. Для оценки SOC удобнее использовать полезную, то есть доступную водителю часть. Если известна только номинальная величина, результат будет ориентировочным.

Дальше нужно определить мощность, которую автомобиль действительно сможет принимать. На неё влияют и станция, и машина. Для первого приближения берут меньшую из двух величин:

Pсессии ≈ min(Pстанции, Pприёма автомобиля).

Если станция выдаёт до 150 кВт, а автомобиль способен принимать максимум 120 кВт, верхняя оценка мощности сессии будет 120 кВт. Но это ещё не средняя мощность за всю зарядку. Станция и автомобиль могут ограничивать её по разным причинам, а по мере роста SOC приём обычно снижается.

Для условного равномерного участка расчёт выглядит так:

t = ΔE ÷ Pсредняя.

Если нужно добавить 42 кВт·ч при средней мощности 100 кВт, получится 0,42 часа, то есть около 25 минут. Ключевое слово здесь «средняя». Подставлять вместо неё максимальную мощность на табличке станции можно лишь для грубой оценки, обычно оптимистичной.

Где учитывать потери

Важно не смешивать мощность станции и мощность, которую батарея получает в итоге. На дисплее станции может отображаться энергия, отпущенная через разъём. Часть энергии расходуется на потери в силовой электронике, кабеле и системах автомобиля, включая терморегулирование батареи. Величина зависит от оборудования, условий и способа измерения, поэтому универсальный коэффициент для каждой трассовой сессии назначить нельзя.

Если расчёт ведётся по энергии, которую нужно добавить именно в батарею, а мощность взята как оценка на стороне батареи, формулу потерь отдельно применять не следует. Иначе одна и та же поправка может оказаться учтена дважды. Если же известна только мощность, выдаваемая станцией, или энергия, отображаемая её счётчиком, полезно оставить запас на потери и сверить прогноз с данными автомобиля.

Для ориентировочной оценки потерь иногда используют диапазон КПД, но не стоит считать конкретный процент неизменным свойством всех DC-зарядок. При холодной батарее или активном её подогреве разница между энергией станции и изменением SOC может быть заметнее. Кроме того, оценка SOC сама по себе не является лабораторным измерением энергии: автомобиль рассчитывает её по показаниям системы управления батареей.

Для времени важна средняя мощность, которую принимает автомобиль, а не максимальная цифра на корпусе станции.

Мощность быстрой станции и пределы автомобиля

Мощность быстрых зарядных станций эв в поездке имеет смысл рассматривать вместе с пределом приёма конкретной машины. Если электромобиль ограничен 50 кВт, подключение к станции на 150 или 350 кВт само по себе не ускорит сессию. Если автомобиль способен принимать больше, ограничителем может стать станция, распределение мощности между её коннекторами или состояние аккумулятора.

Удобная первая проверка выглядит так:

Таблица показывает только потолок. Она не обещает, что указанная мощность сохранится на протяжении всей остановки. У одного и того же автомобиля приём может отличаться в зависимости от температуры ячеек, уровня заряда и условий эксплуатации. Если батарея холодная, система управления может ограничить мощность, пока аккумулятор не прогреется. Некоторые автомобили умеют заранее готовить батарею к быстрой зарядке при построении маршрута к совместимой станции. Если такой функции нет или она не активирована, в зимней поездке на высокий пик лучше не рассчитывать.

Есть и электрические ограничения. Мощность зависит от напряжения и силы тока, а архитектура автомобиля и параметры станции определяют, какой режим будет доступен конкретной паре. Поэтому надпись «до 350 кВт» на станции не означает, что каждое подключённое авто получит именно столько. Перед дальней дорогой полезно выяснить максимальную DC-мощность своей модели и посмотреть, как она меняется в зависимости от уровня заряда. Производитель указывает пределы, а опыт владельцев может помочь понять типичное поведение, но условия отдельных поездок различаются.

Для выбора точки на маршруте также важны разъём и доступность терминала. На карте может быть отмечена быстрая станция, но конкретный коннектор окажется занят, неисправен или несовместим с автомобилем. Это уже не физика батареи, но для расписания разница существенная: время подъезда и ожидания относится к остановке, а не к чистому времени зарядки.

Профиль DC-зарядки: почему одной средней цифры мало

При зарядке литий-ионной батареи система управления регулирует ток и напряжение. В упрощённом описании выделяют участки постоянного тока и постоянного напряжения, CC и CV. Это полезная модель, но переход между ними не обязан приходиться ровно на 80 процентов SOC. Конкретная кривая зависит от химии ячеек, конструкции батареи, температуры и настроек BMS.

На начальном и среднем участке SOC автомобиль может принимать относительно высокую мощность, если батарея достаточно тёплая и станция способна её обеспечить. По мере роста заряда система постепенно снижает ток. Водитель видит это как падение мощности на экране станции или автомобиля. Иногда оно начинается заметно раньше 80 процентов, иногда кривая держится дольше. Поэтому универсального правила «до 80 процентов полная мощность» нет.

Полезнее думать о сессии как о нескольких участках. До начала снижения мощности зарядка может идти быстро. Затем автомобиль начинает ограничивать приём, и каждый следующий процент даётся медленнее. На последних процентах кривая может стать особенно пологой. Именно поэтому расчёт от начального до целевого SOC по максимальной мощности станции даёт слишком короткий прогноз, особенно если цель близка к полному заряду.

Если доступна кривая зарядки именно вашей модели, можно разбить диапазон на интервалы и оценить время отдельно для каждого:

tобщ = t₁ + t₂ + t₃ …

Например, для перехода с 20 до 80 процентов можно отдельно оценить участок 20–50 и участок 50–80, используя для каждого ожидаемую среднюю мощность. Без данных по конкретной модели не стоит придумывать точные значения для этих интервалов. Практический способ получить реалистичную оценку, посмотреть на автомобильный дисплей во время сессии и пересчитать остаток по текущей мощности и прогнозу машины.

Порог 80 процентов удобен как ориентир для планирования остановок, а не как физическая граница, одинаковая у всех электромобилей. На трассе часто выгоднее зарядиться до уровня, достаточного для следующей точки с запасом, и продолжить путь, чем ждать медленного добора до 100 процентов. Но решение зависит от расстояния, погоды, доступности следующих зарядок и того, насколько надёжна сеть на выбранном участке.

Метод расчёта для конкретной остановки

Расчёт можно вести в несколько шагов. Он не заменяет маршрутный планировщик, который учитывает рельеф и расход, зато помогает проверить, реалистично ли выглядит предложенное время остановки.

1. Определить начальный и целевой SOC. Начальный уровень берут из текущего прогноза машины к моменту прибытия на станцию, а не обязательно из показания при выезде. Целевой выбирают по расстоянию до следующей надёжной точки и нужному резерву.

2. Посчитать энергию. Умножить полезную ёмкость батареи на разницу SOC, разделённую на 100. Для батареи 60 кВт·ч при зарядке с 20 до 75 процентов расчётная прибавка составит 33 кВт·ч.

3. Установить ограничение по мощности. Сопоставить предел станции и максимальный приём автомобиля. Если машина способна принимать до 100 кВт, а станция ограничена 50 кВт, для первичной оценки берут не более 50 кВт. Далее учитывают, что фактическая средняя мощность может быть ниже.

4. Учесть форму кривой. Если цель выходит в область, где автомобиль заметно снижает приём, разделить расчёт на участки. Без кривой конкретной модели лучше закладывать запас, а не переносить на неё чужой сценарий.

5. Добавить время вне зарядной сессии. Заезд к площадке, поиск свободного терминала, подключение и запуск оплаты не входят в время, которое машина тратит на набор энергии. На загруженной точке ожидание может оказаться важнее нескольких минут разницы между двумя расчетами.

Условный пример: электромобилю на 60 кВт·ч нужно перейти с 20 до 75 процентов, то есть добавить около 33 кВт·ч. Автомобиль способен принимать до 100 кВт, станция предлагает до 150 кВт. Верхний предел задаёт машина. Если для грубой оценки взять среднюю мощность 80 кВт, получится около 25 минут. Это не обещание точного времени: при холодной батарее, снижении мощности на верхнем участке или ограничениях станции сессия будет дольше. Если дисплей автомобиля показывает более низкий прогноз, для расписания разумнее ориентироваться на него.

Для расчёта с потерями можно отдельно сопоставить энергию, которую показывает станция, с изменением заряда батареи. Если оценка времени строится по ΔE внутри батареи, не следует ещё раз увеличивать время на коэффициент потерь, уже заложенный в используемую среднюю мощность. И наоборот, если известна только мощность на выходе станции, а нужна оценка прироста энергии в батарее, поправка должна быть явно обозначена как приближённая.

Как превратить сессию в маршрутный тайминг

Планирование маршрута на электромобиле по россии начинается не с поиска самой мощной станции, а с проверки, можно ли до неё доехать и есть ли разумная альтернатива. Расстояние между точками нужно сопоставить с ожидаемым расходом. На него влияют скорость, температура, осадки, встречный ветер, рельеф, загрузка автомобиля и работа отопления или кондиционера. Паспортный запас хода не заменяет расчёт для конкретного участка.

Для каждой остановки полезно записывать не только название станции и километраж, но и четыре вещи: предполагаемый SOC при прибытии, цель зарядки, ожидаемую продолжительность сессии и следующую доступную точку. Такая запись сразу показывает, где расчёт зависит от одного терминала, а где есть выбор.

Зарядная сессия не равна остановке по часам. К расчётному времени стоит добавить организационные действия и возможное ожидание, но не маскировать ими ошибку в оценке мощности. Если планировщик обещает короткую зарядку за счёт пикового значения, а автомобиль в действительности держит его лишь недолго, дополнительный запас времени проблему не объяснит. Лучше пересмотреть среднюю мощность и профиль SOC.

При нескольких остановках небольшая ошибка повторяется. Если на каждой точке закладывать только идеальное время, поездка постепенно уходит от расписания. Особенно чувствительны маршруты с редкими зарядными узлами: там задержка может вынудить менять не только время прибытия, но и саму последовательность остановок. Поэтому для планирования полезны два сценария. Основной строится по ожидаемым условиям, запасной учитывает более медленную зарядку или недоступность выбранного терминала. Это не повод закладывать произвольные часы, а способ увидеть, насколько маршрут зависит от одной удачной сессии.

На трассе обычно нет необходимости каждый раз заряжать батарею до 100 процентов. Если следующая подходящая станция находится в пределах достижимого запаса, остановка на более низком целевом SOC часто экономит время. Но фиксированное правило «всегда уезжать на 80 процентах» тоже не универсально. При большом расстоянии до следующей точки, неблагоприятной погоде или сомнительной доступности зарядок дополнительный запас может быть оправдан, даже если последние проценты набираются медленно.

Для конкретного решения сравните время двух вариантов: уехать раньше и зарядиться на следующей точке или задержаться сейчас ради большего запаса. В первом случае учитывайте вероятность, что следующая станция свободна и работает. Во втором, дополнительную энергию и падение мощности на верхнем участке. Так становится понятно, сколько стоит запас именно на этом отрезке маршрута, а не в абстрактной таблице.

Расчёт как проверка, а не обещание

Простая формула остаётся полезной, если верно определить её переменные. Сначала считается энергия, нужная для перехода между двумя уровнями SOC. Затем оценивается средняя мощность сессии с учётом автомобиля, станции и кривой зарядки. Потери учитываются отдельно и только тогда, когда они ещё не заложены в исходные показатели.

Номинальная мощность терминала показывает его предел, а не гарантированную скорость для любой машины. Значение SOC около 80 процентов удобно для первого планирования, но снижение мощности может начаться раньше или позже. Прогноз автомобиля во время сессии обычно полезнее расчёта, основанного только на цифре на станции: он учитывает текущую температуру батареи и фактическое ограничение приёма.

Тогда зарядка перестаёт быть случайной паузой в поездке. Время можно оценить до выезда, проверить по поведению автомобиля на точке и скорректировать для следующего участка. На маршруте это надёжнее, чем делить нужные киловатт-часы на максимальную мощность и считать получившиеся минуты гарантией.