Зарядка электромобилей и накопление энергии: как системы накопления энергии (BESS) снижают пиковую нагрузку и обеспечивают быструю зарядку
Пункты зарядки электромобилей становятся энергоемкими коммерческими объектами. Одновременный запуск нескольких зарядных устройств высокой мощности может вызвать кратковременный резкий скачок спроса, превышающий договорную мощность объекта, что приведет к начислению платы за потребление или задержит модернизацию электросети. Зарядка электромобилей и накопление энергии предоставляет владельцам объектов ещё один способ управлять этой энергией: система аккумулирования энергии (BESS) может заряжаться, когда в энергосистеме имеются свободные мощности, и разряжаться, когда транспортным средствам требуется быстрая зарядка.
В данной статье объясняется, как аккумуляторные системы для зарядки электромобилей способствуют сглаживанию пиковых нагрузок, балансировке нагрузки и управлению спросом. Кроме того, в ней приводятся сведения о проекте, необходимые для оценки решения по накоплению энергии для зарядной станции. Приведенные примеры носят исключительно иллюстративный характер; при разработке технического проекта необходимо использовать данные об измеренной нагрузке на объекте, правила энергоснабжающей компании, параметры управления зарядным устройством и требования безопасности.
Почему зарядка электромобилей приводит к появлению сложного профиля коммерческой нагрузки
Потребляемая зарядным устройством для электромобилей энергия — не единственный фактор, который необходимо учитывать при его проектировании. Когда Объем потребляемой энергии, количество зарядных устройств, работающих одновременно, а также то, как быстро водители рассчитывают уехать, могут определить необходимую электрическую инфраструктуру.
На ночь в депо может подключаться большое количество транспортных средств, в то время как на автомагистрали или в центре обслуживания автопарка может наблюдаться пик прибытия транспортных средств в течение ограниченного временного интервала. На объектах розничной торговли, рабочих местах, логистических центрах или в сфере гостеприимства спрос на зарядку накладывается на нагрузки, связанные с холодильным оборудованием, системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещением, производством и другими потребностями здания. Если одновременно запускаются несколько зарядных устройств мощностью 150 кВт или выше, суммарная нагрузка может значительно превышать обычную базовую нагрузку объекта.
МЭА классифицирует общественные зарядные станции мощностью от 22 кВт до 150 кВт как «быстрые», а зарядные станции мощностью 150 кВт и выше — как «сверхбыстрые». Согласно анализу на 2025 год, в 2024 году общее количество быстрых зарядных станций в мире достигло примерно 2 миллионов, а количество сверхбыстрых зарядных станций в том же году выросло более чем на 50%.1 Такое расширение повышает значимость планирования качества электроэнергии, пропускной способности сети и управляемости — а не просто установки дополнительных розеток для зарядных устройств.
Ограничение, связанное с подключением к энергосистеме
Подключение к энергосети, как правило, ограничивается доступной пропускной способностью сети, номинальной мощностью трансформаторов и распределительных устройств, настройками систем защиты, местными градостроительными требованиями, а также коммерческими условиями подключения. Даже если годовой объем потребления электроэнергии на объекте достаточен, ему все равно может не хватать мгновенной мощности для одновременной быстрой зарядки.
Более мощное подключение может устранить «электрическое узкое место», но может потребовать укрепления сетей, проведения строительно-монтажных работ, длительных циклов согласования или более высокой фиксированной платы за мощность. Кроме того, это может привести к тому, что объект останется с избыточным подключением, которое будет использоваться лишь во время эпизодических пиков нагрузки. Система аккумулирования энергии (BESS) может выступать в качестве управляемого буфера между подключением к сети и зарядными устройствами при условии получения разрешения от энергосбытовой компании и с учетом ограничений, заложенных в конструкции системы.
МЭА отмечает, что воздействие электромобилей зависит от потребностей в мощности и энергии, используемой энергосистемы, одновременности зарядки, сегментов транспортных средств, предпочтений пользователей и местных моделей мобильности. Кроме того, МЭА рекомендует, по возможности, отдавать предпочтение управляемой зарядке перед неуправляемой.2 Эти принципы напрямую применимы к коммерческим проектам по зарядке электромобилей.
Как работает система накопления энергии для зарядки электромобилей
Система аккумулирования энергии для зарядки электромобилей (BESS) обычно включает в себя аккумуляторные модули, систему управления аккумуляторной батареей, оборудование для преобразования энергии, систему управления энергопотреблением, средства защиты и коммутационное оборудование, систему терморегулирования, средства связи, а также корпус или иную монтажную конструкцию. Точная архитектура зависит от условий на объекте и требуемых режимов работы.
В базовой схеме сглаживания пиковых нагрузок система BESS заряжается в периоды низкого спроса или при наличии электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками. Система управления энергопотреблением отслеживает потребление электроэнергии из сети на объекте и совокупную нагрузку зарядных устройств. Когда прогнозируемая или измеренная нагрузка приближается к заданному пределу потребления, система BESS разряжается, чтобы покрыть часть потребности в зарядке. По окончании события система может заряжаться в пределах выбранного тарифного или рабочего окна.
Аккумулятор не всегда заменяет электроэнергию из сети. Чаще всего он добавки намеренно ограниченное подключение к сети, позволяющее зарядным устройствам обеспечивать более высокую кратковременную выходную мощность, не заставляя при этом всю сеть объекта работать на теоретической максимальной нагрузке зарядных устройств. Номинальная мощность аккумуляторной батареи определяет объем доступной мгновенной поддержки; количество полезной энергии определяет, как долго может длиться эта поддержка. Размеры обоих параметров должны рассчитываться с учетом профиля зарядки.
Сглаживание пиковых нагрузок, балансировка нагрузки и управление спросом
Эти термины частично пересекаются, но описывают разные задачи проектирования.
| Функция | Что контролирует контроллер | Коммерческие цели | Типичный вопрос по проектированию |
|---|---|---|---|
| Сглаживание пиковых нагрузок при зарядке электромобилей | Максимальный объем электроэнергии, поступающей в сеть с объекта во время зарядки | Сократите расходы, связанные со спросом, или не превышайте лимит подключения | Какой предельный объем импорта нельзя превышать? |
| Распределение нагрузки между зарядными устройствами для электромобилей | Распределение мощности между зарядными устройствами и транспортными средствами | Обслуживать больше транспортных средств, избегая при этом одновременного достижения максимальной производительности | Какие транспортные средства должны иметь приоритет и к какому сроку? |
| Управление спросом | Нагрузка на объект, тарифы, графики и эксплуатационные ограничения | Скоординировать взимание платы с ценовыми сигналами, исходящими от здания и коммунальных служб | Когда следует осуществлять зарядку, переходить на работу от аккумулятора или ограничивать потребление? |
| Поддержка быстрой зарядки | Кратковременная разрядка аккумулятора для увеличения доступной мощности зарядного устройства | Обеспечить более удобный процесс зарядки в условиях ограниченной мощности электросети | Как долго и как часто система BESS должна обеспечивать высокую мощность? |
Сглаживание пиковых нагрузок
Для сглаживания пиковых нагрузок используется пороговое значение. Например, если объект стремится удержать потребление электроэнергии из сети ниже согласованного предела, система аккумулирования энергии (BESS) разряжается всякий раз, когда совокупная нагрузка здания и зарядных устройств превышает этот предел. При определении порогового значения следует учитывать задержку измерений, погрешность прогноза, уровень заряда аккумулятора, требования к резервам, а также характеристики отклика зарядных устройств и системы преобразования энергии.
Сглаживание пиковых нагрузок не всегда равнозначно сокращению общего потребления энергии. Оно изменяет временные рамки и источники подачи энергии. Экономическая выгода зависит от структуры тарифов, интервала расчета спроса, потерь в аккумуляторах, эксплуатационных ограничений и затрат на циклическое зарядно-разрядное циклирование. Поэтому финансовая модель должна сравнивать полную эксплуатационную стоимость системы аккумулирования энергии (BESS) с затратами, которые удалось избежать в связи с мощностью, спросом или подключением, а не исходить из того, что каждый разряженный киловатт-час является бесплатным.
Распределение нагрузки
Балансировка нагрузки зарядных устройств для электромобилей — это стратегия управления, направленная на распределение доступной мощности. Вместо того чтобы позволять каждому зарядному устройству запрашивать максимальную номинальную мощность, контроллер станции может распределять мощность с учетом уровня заряда аккумулятора транспортного средства, времени отправления, приоритета автопарка, минимальных уровней обслуживания и ограничения по потребляемой мощности станции. Система аккумулирования энергии (BESS) добавляет ещё один управляемый ресурс: контроллер может комбинировать энергию из сети, энергию из аккумуляторов, энергию солнечных батарей (при наличии) и заданные значения зарядных устройств.
В случае автопарка это позволяет соблюдать график отправления. В случае общественного объекта это позволяет снизить вероятность того, что сеанс зарядки одного транспортного средства приведет к ограничению скорости зарядки всех остальных. Желаемый результат — это не всегда максимальная мгновенная мощность; зачастую это максимальная полезная пропускная способность в рамках технических и коммерческих ограничений.
Управление спросом и тарифы
Тарифы могут влиять на выбор оптимального графика работы. Тарифы с дифференциацией по времени могут стимулировать зарядку в непиковые часы, в то время как плата за потребление может рассчитываться на основе максимального среднего потребления за определенный интервал. Некоторые объекты также могут сталкиваться с ограничениями по договорной мощности, ограничениями на подачу энергии или динамическими сигналами от энергоснабжающей компании. Система управления энергопотреблением должна учитывать фактические тарифы и правила расчетов, а не использовать общие допущения о пиковых и непиковых нагрузках.
МЭА рассматривает структуру тарифов, контракты и рынки гибкости в качестве инструментов, позволяющих стимулировать управляемую зарядку, и рекомендует учитывать ценность гибкости в тех случаях, когда она приносит пользу системе.2 Для владельца коммерческого объекта это означает, что в экономическом обосновании следует учитывать как прямую экономию, так и операционную ценность обеспечения доступности зарядных устройств в периоды ограниченной мощности.
Наглядный график нагрузки «до и после»
Приведенная ниже таблица представляет собой Пример приведён в целях пояснения; это не данные реальных измерений по проекту и не результаты работы клиента компании DAXIN.. В расчётах предполагается, что объект имеет фиксированную целевую мощность импорта из сети, а система аккумулирования энергии (BESS) компенсирует разницу в пиковые моменты зарядки. Фактическая производительность зависит от настроек зарядного устройства, степени заряженности аккумулятора, потерь при преобразовании, времени отклика и измеренной нагрузки объекта.
| 30-минутный интервал | Нагрузка на здание (наглядное изображение) | Спрос на зарядные устройства до появления систем аккумулирования энергии (BESS) (наглядное изображение) | Импорт электроэнергии из сети до подключения системы аккумулирования энергии (BESS) | Обслуживание аккумуляторов после использования в системе BESS | Импорт электроэнергии из сети после подключения системы аккумулирования энергии (BESS) |
|---|---|---|---|---|---|
| 08:00–08:30 | 180 кВт | 120 кВт | 300 кВт | 0 кВт | 300 кВт |
| 08:30–09:00 | 190 кВт | 260 кВт | 450 кВт | 100 кВт | 350 кВт |
| 09:00–09:30 | 210 кВт | 390 кВт | 600 кВт | 250 кВт | 350 кВт |
| 09:30–10:00 | 220 кВт | 330 кВт | 550 кВт | 200 кВт | 350 кВт |
| 10:00–10:30 | 200 кВт | 180 кВт | 380 кВт | 0 кВт | 380 кВт |
В данном примерном профиле цель управления заключается в том, чтобы ограничить потребление энергии из сети примерно до 350 кВт в пиковые интервалы зарядки. В таблице не утверждается, что реальная система достигнет именно такого результата. Она иллюстрирует логику проектирования: аккумулятор находится в режиме покоя, когда нагрузка ниже порогового значения, и разряжается, когда совокупная нагрузка превышает его.
Как рассчитать мощность системы аккумуляторных батарей для быстрой зарядки (BESS)
Разработка практичного проекта начинается с анализа нагрузки, а не с выбора предпочтительного размера аккумулятора. Особое значение имеют следующие исходные данные.
| Ввод | Почему это влияет на дизайн |
|---|---|
| Посещаемость сайта | Объемы прибывающих транспортных средств, особенности формирования очередей, сезонность и концентрация транспортных потоков в часы пик определяют вероятность одновременной зарядки. |
| Номинальные параметры зарядного устройства и количество одновременно подключаемых устройств | Номинальная мощность не совпадает с фактической суммарной мощностью; здесь важны количество разъемов, логика совместного использования и поведение сеансов. |
| Время нахождения в системе и гарантия обслуживания | Короткие сроки стоянки требуют более высокой мощности или большего объема доступной энергии на один автомобиль; более длительные сроки стоянки позволяют осуществлять контролируемую зарядку. |
| Тарифы и правила регулирования спроса | Стоимость эксплуатации определяется платами за мощность, интервалами спроса, тарифами в зависимости от времени суток и правилами экспорта. |
| Пропускная способность сети | Допустимый предел импорта определяет мощность, которая должна обеспечиваться за счет сети, регулироваться на зарядных устройствах или дополняться за счет накопителей. |
| Оперативный резерв | Политика резервирования обеспечивает доступность для поздних прибытий и снижает риск разрядки аккумулятора в часы пиковой нагрузки. |
| План расширения | Будущие зарядные устройства, солнечная энергия, электрификация автопарка или энергопотребление зданий могут повлиять на требуемую мощность и энергетические рамки. |
Полезный первоначальный расчет носит исключительно иллюстративный характер: если зарядные устройства запрашивают 600 кВт, а разрешённый импорт объекта составляет 350 кВт, то мгновенная потребность в поддержке составляет примерно 250 кВт без учёта резервов и потерь. Если такая поддержка требуется в течение одного часа, номинальная потребность в энергии составит примерно 250 кВт·ч; в реальной проектной расчетной основе эта величина будет увеличена или скорректирована с учётом полезного диапазона заряда, КПД, износа, резерва и ожидаемой продолжительности события. Если событие длится 15 минут, потребность в энергии будет ниже, но номинальная мощность преобразования энергии может оставаться решающим фактором.
Систему аккумулирования энергии (BESS) не следует выбирать, ориентируясь исключительно на мощность. Система с высокой мощностью и коротким временем работы может подойти для автомагистральной остановки с кратковременными пиками нагрузки, тогда как на автопарке может потребоваться непрерывное питание в течение всего периода отправления. Конструкция также может сочетать распределение мощности со стороны зарядного устройства с аккумулированием, что позволит использовать систему BESS меньшей мощности для обеспечения необходимого обслуживания при меньшей интенсивности циклов заряда-разряда.
Разница: сглаживание пиковых нагрузок с помощью системы BESS и управление нагрузкой исключительно с помощью зарядного устройства
Управление зарядными устройствами и хранение аккумуляторов — это взаимодополняющие, а не взаимозаменяемые процессы.
| Подход | Сила | Ограничение |
|---|---|---|
| Управление только зарядным устройством | Не требует батареи и позволяет снизить пиковую нагрузку за счет планирования или распределения мощности | При достижении предельного значения нагрузки на сеть скорость зарядки или пропускная способность могут снизиться |
| BESS с управлением зарядными устройствами | Позволяет сохранить более высокую мощность зарядки в течение короткого периода времени при одновременном соблюдении ограничения на подачу энергии в сеть | Включает капитальные затраты, потери при преобразовании, расходы на техническое обслуживание, интеграцию систем управления и требования к безопасности |
| Подключение к энергосистеме большей мощности | Обеспечивает более значительные импортные мощности | Может потребоваться усиление конструкции, более высокие расходы на подключение и более длительный процесс разработки |
| Гибридный подход | Координирует пропускную способность подключений, управление зарядными устройствами, хранение энергии и, возможно, использование солнечной энергии | Требует комплексного проектирования, четких приоритетов в области управления и надежного ввода в эксплуатацию |
Выбор оптимального варианта зависит от экономики транспортных потоков, обязательств по предоставлению услуг, условий эксплуатации, имеющихся площадей и стоимости альтернативных решений. С решениями и опытом компании DAXIN ENERGY в реализации проектов можно ознакомиться на сайте Страница решений DAXIN ENERGY и страница проектов; вопрос о пригодности для конкретного проекта по-прежнему требует инженерной оценки.
Контрольный список данных по проекту для оценки систем накопления энергии при зарядке электромобилей
Прежде чем заказать эскизный проект, подготовьте следующую информацию:
- Адрес объекта, вид энергоснабжения, уровень напряжения, однолинейная схема, номинальные характеристики трансформатора, сведения о средствах защиты и предельные значения импорта/экспорта тока.
- Данные счетчика за период не менее нескольких недель, предпочтительно охватывающие типичные будние дни, выходные, различные погодные условия и сезонные пики.
- Марка и модель зарядного устройства, номинальная мощность, количество разъемов, алгоритм распределения мощности, протокол связи, планы по расширению, а также записи фактических сеансов, если таковые имеются.
- Прогнозы интенсивности движения, распределение прибытий и отправлений, классы транспортных средств, время пребывания, допустимая длина очереди и минимальный уровень обслуживания, который оператор хочет гарантировать.
- Категории нагрузок здания, графики работы, собственное энергопроизводство, резервные системы и другие виды гибких нагрузок, которые могут взаимодействовать с системой зарядки.
- Счета за электроэнергию, тарифные сетки, определения платы за пиковую нагрузку, условия договоров на договорную мощность, штрафные санкции, а также любые возможности участия в программах регулирования пиковой нагрузки или обеспечения гибкости.
- Площадь, доступ, условия окружающей среды, требования пожарной безопасности, предельно допустимые уровни шума, водоотвод, трассы прокладки кабелей, а также ограничения, связанные со строительством или техническим обслуживанием.
- Коммерческие приоритеты, в том числе отказ от модернизации энергосети, пропускная способность зарядных станций, отказоустойчивость, интеграция возобновляемых источников энергии, сокращение эксплуатационных расходов или будущее расширение площадки.
Эти данные позволяют проводить более достоверное сравнение мощности накопителя, полезной энергии, систем управления, стратегии подключения и экономических показателей на протяжении всего жизненного цикла. Кроме того, они снижают риск расчета емкости аккумулятора исходя из теоретического пикового потребления зарядного устройства, которое возникает крайне редко, или, напротив, выбора аккумулятора недостаточной емкости с учетом реальной картины транспортного потока.
Вывод: необходимо повысить гибкость мощности зарядки
Системы накопления энергии для зарядки электромобилей могут помочь коммерческим объектам справиться с несоответствием между высокой номинальной мощностью зарядных устройств и ограниченной пропускной способностью энергосистемы. Благодаря сглаживанию пиковых нагрузок, балансировке нагрузки и управлению спросом с учетом тарифов система накопления энергии (BESS) может обеспечивать быструю зарядку, удерживая при этом потребление энергии из сети в пределах заданных рабочих параметров. Наиболее эффективные проекты основываются на данных о фактической нагрузке и интенсивности движения, а затем обеспечивают координацию работы аккумуляторной батареи, зарядных устройств, подключения к энергосети и нагрузок объекта с помощью четкой стратегии управления.
Компанию DAXIN ENERGY можно рассматривать как одного из участников этого первоначального технического обсуждения. Чтобы обсудить эксплуатационные характеристики проекта и необходимую информацию, не привязываясь при этом преждевременно к конкретной технологии или техническим требованиям, воспользуйтесь Страница контактов компании DAXIN ENERGY.
Список литературы
Примечание к статье: Приведенные в данной статье примерные расчеты и профили нагрузки носят исключительно пояснительный характер. Они не являются результатами измерений по конкретным проектам, коммерческими предложениями, техническими характеристиками продукции, сертификатами, ценами, сроками поставки или гарантиями.