Зарядная инфраструктура электрического транспорта: к вопросу выбора моделей электрических зарядных станций

Денисов И.В.; I.V. Denisov

Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Техника средств транспорта

Зарядная инфраструктура электрического транспорта: к вопросу выбора моделей электрических зарядных станций

Автор: Денисов И.В.

Журнал: Технико-технологические проблемы сервиса @ttps

Рубрика: Диагностика и ремонт

Статья в выпуске: 2 (76), 2026 года.

Бесплатный доступ

Статья содержит обзор рынка зарядного оборудования, используемого для передачи электрической энергии (ЭЭ) в тяговые батареи колесных транспортных машин (КТМ) с электрическим приводом (ЭП). Все исследуемые электрические зарядные станции (ЭЗС) доступны в продаже в России. Установлено, что ассортимент зарядных терминалов (ЗТ) типа Mode-4 значительно шире, чем типа Mode-3. Для выбора конкретных моделей ЭЗС, которыми следует комплектовать объекты групповой зарядки электромобилей, предлагается использовать методику априорного ранжирования. В результате экспертного опроса и последующей обработки полученных данных осуществлен выбор критериев, которые были использованы в последующем подборе моделей ЗТ типа Mode-3 и Mode-4. Зарядную инфраструктуру электрического транспорта целесообразно строить из модулей групповой зарядки, укомплектованными станциями моделей «Фора» «ЭЗС-DС-2 Д150» (Mode-4) и «Кулон 2.GМ» (Mode-3).

Еще

Электрический транспорт, электрические зарядные станции, зарядная инфраструктура, сеть зарядных станций, априорное ранжирование

Короткий адрес: https://sciup.org/148333527

IDR: 148333527 | УДК: 629.331

Charging infrastructure of electric transport: recommendations for the development of a network of charging stations in settlements (using the example of the city of Vladimir)

This article provides a market overview of charging equipment used to transmit electrical energy (EE) to the traction batteries of electric wheeled vehicles (EVs). All electric charging stations (ECS) under study are commercially available in Russia. It has been established that the range of Mode-4 charging terminals (CTs) is significantly wider than that of Mode-3. An a priori ranking method is proposed for selecting specific CT models for use at electric vehicle group charging facilities. An expert survey and subsequent data processing yielded criteria for the subsequent selection of Mode-3 and Mode-4 CT models. It is advisable to build the charging infrastructure for electric vehicles using group charging modules equipped with Fora EZS-DC-2 D150 (Mode-4) and Kulon 2.GM (Mode-3) stations.

Еще

Текст научной статьи Зарядная инфраструктура электрического транспорта: к вопросу выбора моделей электрических зарядных станций

Повышение экологической безопасности в населенных пунктах Российской Федерации (РФ) неразрывно связано с автомобильным транспортом. Значительная доля вредных веществ, попадает в атмосферу в результате работы тепловых двигателей, преобразующих энергию сгорания углеводородного топлива в механическую. Переход от традиционных источников механической энергии, используемых в конструкции колесных транспортных машин (КТМ), к альтернативным позволит сократить валовые выбросы оксидов азота, углерода и сажи. Наиболее перспективными в настоящее время являются электрические машины с подвижным ротором. В сравнении с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) они имеют значительно более простую конструкцию и систему управления. Электрический привод (ЭП) ведущих колес автотранспортных средств (АТС) отличается простой кинематической схемой трансмиссии, меньшими механическими потерями, высокой надежностью. Развитие электрического транспорта на протяжении более 100 лет сдерживало отсутствие аккумуляторов, обеспечивающих приемлемый запас хода. Однако появление новых электрохимических устройств хранения электрической энергии (ЭЭ), в том

EDN PNZNZR числе, твердотопливных аккумуляторов, стало новым импульсом в развитии электромобилей. Некоторые современные модели КТМ с ЭП имеют запас хода сравнимый с автомобилями, оснащенными традиционными ДВС.

Однако на пути электрификации парка КТМ России возникала еще одна проблема - отсутствие или недостаточно развитая зарядная инфраструктура (ЗИ). Сеть электрических зарядных станций (ЭЗС) во многих населенных пунктах РФ отсутствует или слабо развита. В этих условиях планирование поездок на электромобиле сравнимо с решением оптимизационной задачи маршрутизации, поскольку прокладка трассы между зарядными терминалами (ЗТ) будет осуществляться исходя из критерия -запас хода КТМ с ЭП. В условиях неразвитой ЗИ процесс электрификации автомобильного транспорта (АТ) существенно затянется. Испытываемые собственниками электромобилей неудобства могут стать причиной возвращения к АТС с ДВС. Отсутствие ЗТ отпугнет и потенциальных покупателей электромобилей. Эту острую проблему необходимо решать и как можно быстрее. Однако расширять сеть ЭЗС следует, учитывая фактический спрос на услуги по передачи ЭЭ в тяговые батареи (ТБ) КТМ с ЭП. Это позволит более активно развивать ЗИ в первоочередном порядке в тех городских поселениях, где электромобили эксплуатируются в достаточном количестве, чтобы загрузить заявками ЭЗС и обеспечить рентабельность их функционирования.

В работе [3] отмечалось, что для снижения издержек на построение сети зарядных станций их следует группировать, т.е. размещать на автомобильных стоянках не одну, а несколько ЭЗС. Это даст возможность сократить расходы на технологическое присоединение ЗИ к существующей системе электроснабжения (СЭС). Практический опыт использования рассматриваемого подхода в зарубежных странах, и в первую очередь в Китайской Народной Республике (КНР), подтверждает целесообразность принятых решений. При этом число ЗТ, внедряемых в зарядную сеть значительно увеличивается, создавая благоприятные условия беспрепятственно их использования автолюбителями. Доступность ЭЗС собственникам КТМ с ЭП стимулирует скорую электрификацию парка АТС.

Выбор конкретных моделей ЗТ для формирования типовых модулей зарядки электромобилей является важным этапом построения ЗИ. ЭЗС должны иметь хорошие электротехнические характеристики, чтобы обеспечить передачу энергии в ТБ электромобилей в макси- мально короткие сроки, быть надежными и ремонтопригодными, отличаться доступной ценой. Эти и другие эксплуатационные свойства должны определять выбор зарядного оборудования [1,2].

Для рационального подбора оптимальных моделей зарядных станций в настоящей работе предлагается использовать методику априорного ранжирования. В практике научных исследований она хорошо зарекомендовала себя. Данный метод позволяет в условиях множества факторов с помощью опроса мнения экспертов, выбрать наиболее значимые из них для дальнейшего использования с целью подбора конкретных моделей ЭЗС. Это в значительной степени сокращает объем экспериментальных данных и их последующую обработку.

Постановка задачи исследования

С введением [12, 13] в РФ созданы благоприятные условия для развития ЗИ, что должно стимулировать процесс перехода автомобильного парка на электрический транспорт.

В ходе подготовки настоящей работы был проведен анализ технических характеристик ЭЗС, предлагаемых на рынке зарядного оборудования в РФ. Для выбора определенных моделей ЗТ типа Mode 3 и Mode 4, которыми следует укомплектовать объекты групповой зарядки, использован метод априорного ранжирования.

Для реализации данной методики привлекаются технические специалисты, компетентные в области электротехники и электроники, которые выставляют индивидуальные оценки предложенным критериям и моделям ЗТ. Минимальная оценка присваивается тому критерию или ЭЗС, которые, по мнению эксперта, предпочтительны к выбору. Результаты опроса сводятся по всем экспертам в таблицу, а затем подвергают обработке для получения результата. В качестве экспертов к опросу были привлечены специалисты кафедры «Электротехника и электроэнергетика» ВлГУ.

Для составления анкеты экспертного опроса потребовалось выделить несколько критериев, которые предъявляются экспертами при выборе модели зарядной станции [5,6,7]:

- выходная мощность терминала, отдаваемая в нагрузку - Р_эр_3с, кВт ( К -1);
- мощность устройства в режиме ожидания - Р^, Вт ( К -2);
- коэффициент полезного действия (КПД) устройства - ?7 эзс , % ( К -3);
- коэффициент мощности потребителя электрической энергии - cos
К-4);
- точность выходного тока - 1 эзс , % ( К "5);
- интерфейсы подключения коннектора ( К -6);
- возможность одновременной передачи энергии в тяговые батареи нескольких электромобилей (число каналов зарядки), п зк ( К -7);
- применения отечественной элементной базы в конструкции ЗТ ( К -8);
- безотказность ЭЗС в интервалах между плановыми техническими обслуживаниями (ТО) ( К -9);
- срок службы изделия, лет ( К -10);
- ремонтопригодность за счет использования модульной конструкции ( К -11);
- срок гарантийных обязательств производителя зарядного оборудования, месяцев ( К -12);
- цена оборудования - Ц эзс , руб ( К -13).

Поскольку выбор зарядных станций осуществлялся в соответствии с её типом, то все устройства были сгруппированы по выходной мощности, а, следовательно, этот параметр не использован в качестве критерия при выборе ЭЗС, т.е. К -1 исключался.

Методика обработки результатов экспертного опроса подробно рассмотрена в [15].

На первом этапе определятся сумма ран- гов результатов опроса по каждому критерию с использованием выражения

F k =Y i=i^akm , ⁽¹⁾

где F k —сумма рангов к -фактора;

akm — ранг к -фактора, присвоенный m - экспертом.

Затем рассчитывается общая сумма рангов по формуле

F^^Fi.(2)

На третьем этапе обработки результатов устанавливается средняя сумма рангов с использованием математической зависимости

Fcp = (Ek=1Fi)/k.(3)

Возможные отклонения рассчитанного значения суммы рангов каждого фактора от средней суммы рангов находят по выражению

D^Ft — Fp.(4)

На пятом этапе для оценки степени согласованности мнений экспертов выполняют расчет коэффициента конкордации по формуле

12(y i=k Dd

W = ^= ■ ,°< W<1,0. (5)

m2(k3 — к)

При W > 0,5 полагают, что мнения экс- пертов согласованы.

На шестом этапе рассчитывают удельный вес каждого фактора с использованием следующей математической зависимости

2(k — L t + 1)

^Ш ' = к(к —1) • ⁽⁶⁾

где L t — место на априорной диаграмме.

Седьмой этап включает в себя проверку гипотезы о неслучайности согласия экспертов. Для её реализации выполняется расчет критерия Х ² -Пирсона. При этом должно соблюдаться условие Х р ^> Х т — гипотеза о неслучайности верна. Расчетное значение критерия / р -Пир-сона устанавливают по формуле

Х р = Wm(k — 1). (7)

Количество привлекаемых к опросу экспертов определяет достоверность результатов, полученных при использовании методики априорного ранжирования [4,14,15]. Работы [4,14] содержат глубокое исследование методов определения количества экспертов.

В настоящем исследовании принято допущение, в соответствии с которым распределение мнений экспертов подчиняется нормальному закону.

Расчет минимального количества экс- пертов выполнено в соответствии с рекомендациями [14] по формуле т = (^)2, (8)

м% где tp- коэффициент Стьюдента, выбираемый от значения вероятности P, %; V - коэффициент вариации; М%- ошибка среднего, %.

Приняв в качестве исходных данных P=95%, М%=0,2%, tp =1,96 и V =0,25, установлено минимально необходимое количество экс- пертов по формуле (8)

1,96^0,25 ²

^{m (} 02 J

= 6.

Результаты исследования и их обсуждение

На первоначальном этапе выбора зарядного оборудования требовалось установить наиболее значимые критерии, которые будут использованы в ходе экспертного опроса. Всего экспертам было предложено двенадцать критериев, которые обозначены: К-2^ К-13. Группировка моделей ЭЗС по типу и мощности позво- лила исключить критерий К-1 из опроса.

В таблице 1 показаны результаты априорного ранжирования мнений экспертов по предложенным факторам.

Полученные данные потребовалось обработать.

Средняя сумма рангов согласно формуле

(3) составит

_ ⁴ 68 _

^F' ^p = 1Т = ^39.

Таблица 1 - Априорное ранжирование критериев, используемых при выборе зарядного оборудования

Критерии выбора зарядного оборудования	i	Условные номера экспертов, j ( а km )						F i	D i		Место на априорной диаграмме, L i	Весовая оценка, W ;
Критерии выбора зарядного оборудования	i	А1	А2	А3	А4	А5	А6	F i	D i		Место на априорной диаграмме, L i	Весовая оценка, W ;
K-2	x1	1	2	3	2	5	2	15	-24	576	2	0,141
K-3	x2	2	1	2	3	2	1	11	-28	784	1	0,154
K-4	x3	3	3	5	1	3	3	18	-21	441	3	0,128
K-5	x4	5	4	1	4	1	6	21	-18	324	4	0,115
K-6	x5	8	12	11	8	8	5	52	13	169	8	0,064
K-7	x6	4	6	6	5	4	7	32	-7	49	6	0,09
K-8	x7	9	7	8	9	7	12	52	13	169	9	0,051
K-9	x8	7	8	7	12	9	8	51	12	144	7	0,077
K-10	x9	12	9	9	10	11	9	60	21	441	11	0,026
K-11	x10	10	10	10	7	10	10	57	18	324	10	0,038
K-12	x11	11	11	12	11	12	11	68	29	841	12	0,013
K-13	x12	6	5	4	6	6	4	31	-8	64	5	0,103
Итого		78	78	78	78	78	78	468	-	4326		1,0

Коэффициент конкордации, рассчитываемый по выражению (5), примет значение 12'4326

РИ - —-----

^VV 6² • (12 3

—

— = 0,84 > 0,5,

что подтверждает согласованность мнений экспертов.

Критерий Х ²– Пирсона составит

Х ² р = 0,84^.6^. (12-1) =55,4.

Х ² т =21,0, для α = 0,05 и ( k -1) = 11 [15]. Гипотеза верна.

На рисунке 1 показана сумма рангов критериев выбора моделей ЭЗС. В соответствии с представленными графическими данными параметры, находящиеся ниже средней суммы рангов, целесообразно использовать для подбора зарядного оборудования.

Рисунок 1- Сумма рангов критериев выбора моделей ЭЗС

Таким образом, наиболее значимыми критериями, которые следует использовать при выборе зарядного оборудования, являются мощность устройства в режиме ожидания ( К -2), КПД устройства ( К -3), коэффициент мощности ( К -4), точность выходного тока ( К -5), число каналов обслуживания ( К -7) и цена оборудования

( К -13). При выборе модели ЗТ были использованы перечисленные выше критерии.

В таблице 2 представлены технические характеристики наиболее популярных ЭЗС мощностью, отдаваемой в тяговую батарею электромобилей, равной 150 кВт. В таблице 3 показаны результаты экспертного опроса по критерию «Мощность устройства в режиме ожидания» (К-2).

Результаты обработки данных экспертного опроса представлены ниже.

Средняя сумма рангов равна будет равна

F = ср

216 т

= 27.

Коэффициент конкордации примет значе-

ние

12 • (144 + 225 + 9 + 196 + 324 + 1 + 49 + 400) W =------------------------------------------= 0,89 .

6² ( 8³ - 8 )

Критерий Х ²– Пирсона будет равен Х? = 0,89 . 6 . (8-1) =37,44.

/ 2 =14,06, для а = 0,05 и ( k -1) = 7 [15]. Гипотеза верна.

Аналогично выполняется обработка данных по другим критериям.

Результаты априорного ранжирования моделей ЭЗС типа Mode 4 мощностью 150 кВт по различным критериям представлены в таблице 4 и на рисунке 2.

Таблица 2 – Технические характеристики ЭЗС Mode 4 мощностью, отдаваемой в нагрузку, равной 150 кВт [5,6,7,8,9,10]

Параметр	Значение парамет					а
Модель	SE-DC -150-3	ПСС-150	E-Prom 150	ЭСЭМ-16-150К-2-ДБ	ЭЗС-DС-2 Д150	Touch Swift 150 kW	X-Electro 150 kW	SVDC 150 кВт
^Э ЗС , кВт	150	150	150	150	150	150	150	150
D ОЖ ^ ЭЗС , Вт	200	180	210	250	180	200	220	250
^ эзс , %	94	93	95	96	95	95	93	94
cosp	0,94	0,95	0,95	0,95	0,93	0,96	0,94	0,99
^ ЭЗС , %	0,1	0,2	0,3	0,2	0,1	0,4	0,3	0,5
Коннектор:
- CCS 2	+	+	+	+	+	+	+	+
- CHAdeMO	+	+	+	+	+	+	-	+
- GB/T(DC)	+	+	+	-	+	-	+	+
^ зк	1	3	3	2	3	1	2	1
Ц эзс , тыс. руб.	4096,5	3750,0	3621,0	4058,1	4300,0	3717,0	3290,0	4300,0

Таблица 3 – Априорное ранжирование ЗТ по критерию «Мощность устройства в режиме ожидания» ( К -2)

Зарядный терминал	i	Условные номера экспертов, j ( а km )						F	D	Место на априорной диаграмме, L i	Весовая оценка, W_t
Зарядный терминал	i	А1	А2	А3	А4	А5	А6	F	D	Место на априорной диаграмме, L i	Весовая оценка, W_t
SE-DC-150-3	x1	1	3	3	3	2	3	15	-12	3	0,167
ПСС-150	x2	3	2	1	2	3	1	12	-15	2	0,194
E-Prom 150	x3	5	5	5	4	6	5	30	3	5	0,111
ЭСЭМ-16-150К-2-ДБ	x4	7	6	7	8	7	6	41	14	7	0,056
ЭЗС-DС-2 Д150	x5	2	1	2	1	1	2	9	-18	1	0,222
TouchSwift 150 kW	x6	4	7	4	5	4	4	28	1	4	0,139
X-Electro 150 kW	x7	6	4	6	6	5	7	34	7	6	0,083
SVDC 150 кВт	x8	8	8	8	7	8	8	47	20	8	0,028
Итого		36	36	36	36	36	36	216			1,0

Таблица 4 - Результаты априорного ранжирования ЗТ типа Mode 4 мощностью 150 кВт по различным критериям

Зарядный терминал	Критерий оценки						Ито говая оценка
Зарядный терминал	Мощность устройства в режиме ожидания	КПД устройства	Коэффициент мощности	Точность выходного тока	Число каналов об-служи-ва-ния	Цена обо-рудова-ния	Ито говая оценка
SE-DC-150-3	3	5	8	2	6	6	30
ПСС-150	2	8	3	4	3	3	23
E-Prom 150	5	4	4	5	2	4	24
ЭСЭМ-16-150К-2-ДБ	7	1	5	3	4	5	25
ЭЗС-DС-2 Д150	1	2	7	1	1	7	19
TouchSwift 150 kW	4	3	2	7	8	2	26
X-Electro 150 kW	6	7	6	6	5	1	31
SVDC 150 кВт	8	6	1	8	7	8	38
W	0,89	0,90	0,87	0,90	0,89	0,91	-
W >0,5	да	да	да	да	да	да	-
Х р	37,44	37,83	36,6	38,6	37,44	38,55	-
х Т	14,06	14,06	14,06	14,06	14,06	14,06	-
х р > Х т²	да	да	да	да	да	да	-

Рисунок 2 – Результаты априорного ранжирования моделей ЗТ типа Mode -4 по выбранным критериям

Таким образом, зарядная станция «Фора» «ЭЗС-DС-2 Д150» Касимовского приборного завода, расположенного в Рязанской области, является, по мнению экспертов, оптимальным выбором.

Аналогичным образом был осуществлен выбор ЭЗС типа Mode 3. В [2] рассматривался вопрос вероятности отказа в обслуживании при поступлении заявки в ЗТ. Согласно графическим зависимостям рисунка 6 [2], в случае функционирования двухканальной системы СМО с неограниченным входящим потоком, вероятность отказа при поступлении электромобиля на ЭЗС не превышает 0,3 при интенсивности входящего потока не более 7 КТМ в сутки. При этом время работы системы при средней продолжительности передачи электроэнергии в ТБ машины в 180 мин не превысит 22 часов. Таким образом, для обеспечения высокой доступности ЗТ, а также с учетом перспективы интенсивного перехода парка автомобилей на ЭП, целесообразно укомплектовать каждую зарядную группу ЭЗС типа Mode 3 с числом каналов не менее двух. Следовательно, критерий «Число каналов обслуживания» (К-7) при выборе модели зарядного оборудования использован не был.

В таблице 5 представлены основные технические характеристики ЗТ Mode 3 мощностью, отдаваемой в нагрузку, равной 22 кВт.

Результаты экспертного опроса и априорного ранжирования моделей ЗТ типа Mode 3 по различным критериям показаны в таблице 6 и на рисунке 3.

Таблица 5 – Технические характеристики ЭЗС типа Mode 3 мощностью, отдаваемой в нагрузку, равной 22 кВт [5,6,7,8,9,10]

Параметр	Значение параметра
Модель	ЭСЭМ-3-43К-2	Кулон 2. GМ	E-Prom 44	Punkt E FloorDual	ПСС 44	eCars	НЭК-31	Orbis
^Э ЗС , кВт	2х22	2х22	2х22	2х22	2х22	2х22	2х11	2х22
D ОЖ ^ ЭЗС , Вт	22	14	18	20	24	22	18	16
Л эзс , %	99	98	96	97	95	96	93	94
cosp	0,97	0,96	0,95	0,97	0,93	0,94	0,94	0,99
^ эзс , %	0,3	0,1	0,4	0,2	0,3	0,2	0,3	0,5
Коннектор:
- Type 1	-	-	-	-	-	+	-	-
- Type 2	+	+	+	+	+	+	+	+
- GB/T(AC)	+	+	+	+	-	-	+	+
^ зк	2	2	2	2	2	2	2	2
Ц эзс , тыс. руб.	380	286,9	349,5	394,5	267	280	278,5	305,2

Таблица 6 – Результаты априорного ранжирования ЗТ типа Mode- 3 по различным критериям

Зарядный терминал	Критерий оценки					Итоговая оценка
Зарядный терминал	Мощность устройства в режиме ожидания	КПД устройства	Коэф-фи-циент мощности	Точность выходного тока	Цена оборудования	Итоговая оценка
ЭСЭМ-3-43К-2	6	1	3	6	6	22
Кулон 2.GМ	1	2	4	1	4	12
E-Prom 44	3	4	5	7	7	26
Punkt E FloorDual	5	3	2	2	8	20
ПСС 44	8	6	8	5	1	28
eCars	7	5	7	3	3	25
НЭК-31	4	8	6	4	2	24
Orbis	2	7	1	8	5	23
W	0,87	0,88	0,87	0,90	0,91	-
W >0,5	да	да	да	да	да	-
Х р	36,77	37,11	36,66	37,83	38,55	-
х Т	14,06	14,06	14,06	14,06	14,06	-
х р > Х т ²	да	да	да	да	да	-

Заключение

На основании данных таблицы 6 установлено, что зарядная станция «Кулон 2 .GМ » компании «СтримЭлектро», расположенной в г. Могилев Республики Беларусь, является оптимальной для укомплектования ею зарядной группы. Среди моделей отечественного производства наиболее близкими эксплуатационными свойствами обладает терминал Punkt E FloorDual. Однако стоимость данного изделия более чем на треть выше, чем у аналога из Республики Беларусь.

Таким образом, после обработки данных результатов экспертного опроса было установлено, что оптимальным выбором для включения в комплект группы зарядных станций будут ЭЗС «Фора» «ЭЗС-DС-2 Д150» и «Кулон 2. GМ ».

Произведен обзор рынка ЭЗС типа Mode 3 и Mode 4, подобраны модели, удовлетворяющие требованиям, установленным в [12,13], подпадающие под субсидирование их стоимости при последующем монтаже.

На основании методики экспертного опроса установлены критерии выбора зарядного оборудования: мощность устройства в режиме ожидания, КПД устройства, коэффициент мощности, точность выходного тока, число каналов обслуживания и цена оборудования. В соответствии с перечисленными критериями осуществлен подбор моделей ЗТ, которыми следует укомплектовывать модули групповой зарядки инфраструктуры электрического транспорта, принадлежащего гражданам. После обработки данных установлено, что оптимальным выбором будут

ЭЗС «Фора» «ЭЗС-DС-2 Д150» ( Mode -4) и «Кулон 2. GМ » ( Mode -3).

Рисунок 3 – Результаты априорного ранжирования моделей ЗТ типа Mode 3 по выбранным критериям