Ученые Нового физтеха ИТМО и петербургский производитель зарядных станций для электротранспорта «Яблочков» разработали и испытали прототип первой в России системы беспроводной зарядки для электротранспорта. Благодаря единому стандарту беспроводной передачи энергии SAE J2954 система подойдет для любого вида электротранспорта с любым модулем заряда — от электромобиля и электробуса до беспилотных электротакси и складских погрузчиков. Прототип уже позволяет зарядить электрокар за 6 часов, однако в ближайшие полгода разработчики планируют увеличить мощность устройства, чтобы оно было способно заряжать аккумулятор электромобиля до 80% всего за час. Как работает беспроводная электрозарядная станция и какое будущее ее ждет ― рассказываем в материале ITMO.NEWS.

Прототип системы беспроводной передачи энергии, предназначенной для зарядки аккумуляторов электротранспорта мощностью 11 кВт. Фото предоставлены Новым физтехом ИТМО, фотограф Степан Лихачёв

Свобода от проводов

По данным аналитического агентства «Автостат», на протяжении последних пяти лет интерес к электромобилям в России постоянно растет ― только в 2021-м россияне купили в 3 раза больше электрокаров, чем в 2020-м. К 2022 году в стране было зарегистрировано почти 19 тыс. таких транспортных средств. К 2024 году, по прогнозу консалтинговой компании «Технологии доверия» (до 2022 года компания «Технологии доверия» называлась «PwC Россия» — прим. ред.), число электромобилей в России составит 26 тыс. единиц, а к 2030-му ― больше 600 тыс.

Вместе с количеством электрокаров растет и число электрозарядных станций (ЭЗС). По данным Росстата, в 2015 году в России было всего шесть ЭЗС, в 2020-м — 151. Летом 2021 года Минэнерго сообщило о наличии в стране 1600 автомобильных зарядных станций. А по данным 2chargers.net, по состоянию на 23 ноября 2022 года в России было уже 4367 зарядных станций для электромобилей, причем 3679 из них — это точки медленной зарядки, а 688 — для быстрой. Больше всего их в Москве (630 станций) и Московской области (360 станций). Дальше идут Краснодарский край (220 станций), Иркутская область (135 станций), Тюменская область (117 станций). Но в некоторых регионах до сих пор остается менее 100 точек для зарядки электротранспорта. И даже если ориентироваться на самые оптимистичные данные, получается, что зарядных станций в России все равно не хватает.

«Существующие на рынке решения для зарядки электромобилей подразумевают контактное соединение. Машине нужно подъехать к станции и подключить электрический кабель, чтобы получать энергию, а электробусам — подсоединиться к зарядной станции при помощи пантографа, прямо как троллейбусам. Подключаться к проводным станциям может быть не очень удобно рядовым пользователям, но главный вызов состоит в том, как к ним будут подключаться беспилотные электротранспортные средства. Поэтому мы считаем, что будущее электрозарядных станции за беспроводными технологиями, для использования которых не потребуется никаких дополнительных действий от пользователя. Электромобилю будет достаточно подъехать на парковочное место, чтобы автоматически получать энергию. А электробусы могут делать это на остановках, пока ждут пассажиров», — рассказывает ведущий инженер проекта, инженер Нового физтеха ИТМО Георгий Баранов.

В рамках партнерского соглашения ученые Нового физтеха ИТМО и разработчики  компании «Яблочков» уже приступили к работе над системой беспроводной зарядки, которая может быстро и удобно питать электротранспорт в городских условиях.

«На Новом физтехе мы уже более пяти лет развиваем направление беспроводной передачи энергии. Интерес к этой теме возник, когда мы изучали метаматериалы и метаповерхности и использовали их уникальные свойства для улучшения характеристик зарядных станций для мобильных устройств средней мощности. Но тогда это были скорее фундаментальные научные работы, а сейчас пришло время внедрять важные и нужные для общества технологии в реальный мир. Поэтому мы начали заниматься более прикладными и актуальными исследованиями и развивать высокомощную беспроводную передачу энергии для зарядки электротранспорта», — отмечает научный руководитель проекта, старший научный сотрудник Нового физтеха  ИТМО Полина Капитанова.

Компания «Яблочков» разрабатывает и производит зарядные станции для электромобилей и электробусов с 2017 года. Официальным партнёром ИТМО компания стала в августе 2022 года, а к лету 2023 года участники проекта планируют разработать и протестировать прототип беспроводного зарядного устройства мощностью 50 кВт для электромобилей.

«По опыту эксплуатации любых проводных зарядных станций, которым делятся с нами клиенты, кабель — один из тех компонентов, который чаще всего выходит из строя, он перекручивается, а изоляция портится от солнца, загрязнений и физических воздействий. С коллегами из ИТМО мы решили сделать проект на стыке беспроводных технологий. Наши исследовательские интересы и видение развития таких зарядных систем совпали. В идеальном будущем процесс заряда электрокара должен стать полностью "бесшовным"», — отметил сооснователь и директор по продукту компании «Яблочков» Самвел Аветисян.

Как работает беспроводная система зарядки

Система беспроводной зарядки включает в себя несколько компонентов — пару магнитосвязанных резонансных катушек, которые разработали в ИТМО, а также силовой импульсный преобразователь с цифровой системой управления, созданной компанией «Яблочков».

Работает устройство так: силовой преобразователь образует постоянный ток в переменный и направляет его на передающую резонансную катушку. Она создает ближнее электромагнитное поле на частоте 85 кГц. В приемной резонансной катушке, находящейся в магнитном поле передающей катушки на расстоянии от 160 до 300 мм, возникает ток и создается электродвижущая сила (ЭДС). Затем полученная ЭДС преобразуется в постоянный ток, стабилизируется и поступает на аккумулятор транспортного средства. Если говорить о расположении, то передающая резонансная катушка может быть вмонтирована в дорожное покрытие, а приемная резонансная катушка может крепиться к днищу электромобиля.

Сейчас удалось разработать и успешно протестировать первый прототип системы зарядки мощностью 11 кВт. Он позволяет зарядить аккумулятор электромобиля за 6–7 часов, при этом эффективность зарядки достигает 95%.

Чтобы начать заряжать электромобиль, от водителя практически не требуется никаких действий. Достаточно просто припарковаться в нужное место, подключиться к станции через мобильное приложение, чтобы система беспроводной зарядки определила электрокар как потребителя энергии, и оплатить зарядку. При этом технология абсолютно безопасна для человека и животных, так как в процессе численных расчетов и экспериментов соблюдаются нормы электромагнитного излучения, указанные в СанПиН.

«Еще одно преимущество беспроводной системы в том, что использовать ее можно в разных климатических условиях. Защитный слой, который покрывает изолированный корпус резонансного контура под землей, оберегает его от дождя, грязи и даже снега», — дополняет ведущий инженер-схемотехник компании «Яблочков» Максим Чиннов.

И наконец, как отмечают разработчики, благодаря единому стандарту беспроводной передачи энергии SAE J2954 система подойдет для любого вида электротранспорта с любым модулем заряда — от электромобиля и электробуса до беспилотных электротакси и погрузчиков, распределяющих товары на складах.

Что дальше

К лету 2023 года исследователи планируют оптимизировать технические характеристики системы зарядки, чтобы ее можно было вмонтировать в дорожное покрытие, и увеличить мощность устройства до 50 кВт. Это позволит зарядить аккумулятор электромобиля до 80% за час. А чтобы за это же время подпитать электробус, уже на следующем этапе разработчики намерены создать полноценную зарядную станцию мощностью до 300 кВт. Эта работа может занять около года.

Алёна Мамаева

Журналист