Электромобили набирают популярность, но сеть не всегда успевает за спросом. Что делать, если подстанция тянет лишь 50–70 киловатт, а для быстрой зарядки нужно 150–300? Именно эту проблему взяла в работу кафедра Промэлектроники МЭИ: проект по «усилению» мощности зарядных станций с помощью накопителей энергии.
Проблема — не в зарядке, а в сети
На практике при размещении быстрых зарядных станций критическим фактором остаются резервы мощности распределительных сетей. Исследование показывает: подключить станцию мощностью 300 кВт к удалённой или перегруженной подстанции чаще всего невозможно — только около 3% таких подстанций имеют необходимые резервы.
Даже в Московском регионе, где зарядок становится всё больше, ситуация далека от идеала: в ряде районов — одна станция на сотни электромобилей, и сеть не выдерживает пиковых нагрузок. На междугородних трассах пробелы ещё заметнее. Например, на трассе М11 (Москва — Санкт-Петербург) быстрые станции свыше 100 кВт сосредоточены вблизи столицы, а на участке длиной более 350 км таких точек вообще нет. На трассе М5 (в сторону Рязани и далее на Урал) расстояние между мощными станциями превышает тысячу километров — в таких условиях владельцы электромобилей рискуют просто не доехать до полноценной зарядки.
Очевидное предложение — строить новые подстанции и тянуть линии. Но это дорого и занимает годы. Альтернатива — локальные накопители энергии, которые работают в паре со «слабой» сетью: запасают энергию в периоды низкой нагрузки и отдают её в моменты пикового потребления. Такое решение снижает требования к сетевой мощности и расширяет географию размещения быстрых зарядок, но поднимает вопросы экономической целесообразности и оптимального дизайна установки.
Как искали решение — шаги команды
Команда проекта подошла к задаче комплексно: от анализа сетей до моделирования силовой электроники и разработки программных средств оптимизации размещения. Ключевые шаги исследования:
— картирование реальной ситуации распределительных сетей и существующей зарядной инфраструктуры в городах и на автомагистралях;
— обзор и анализ архитектур накопителей энергии и их применения в зарядных станциях;
— технико-экономический анализ стоимости установки накопителей против строительства или модернизации подстанций;
— моделирование силовых схем преобразователей зарядных станций и алгоритмов управления ими;
— разработка программного инструмента для оптимального выбора мест и параметров станций.
Как компьютер нашёл места зарядок
Авторы создали программу на Python, которая решает многокритериальную задачу: на вход подаются ограничения мощности сети (например, 50–70 кВт), ёмкость накопителей, стоимость оборудования, интенсивность трафика электромобилей, характеристики их батарей, вероятность остаточного заряда и допустимое время ожидания (в работе — не более 15 минут). На выходе программа выдаёт оптимальные места размещения станций, их количество и мощность.
В основе лежит генетический алгоритм с адаптивной мутацией и улучшенными операторами скрещивания — подход, который доказал эффективность для сложных оптимизационных задач. Результаты оформлены как объекты интеллектуальной собственности (две регистрации ЭВМ) и опубликованы: две статьи индексируются в Scopus, одна из них — в журнале квартиля Q1.
Что обнаружили
— Подключение станций 300 кВт к удалённым подстанциям возможно лишь единично (≈3%).
— В крупных городах есть районы, где даже при наличии станций не хватает сетевой мощности для быстрой зарядки.
— На ряде трасс сохраняются «пустые зоны» — сотни километров без станций >100 кВт.
— В некоторых сценариях стоимость установки накопителей сопоставима со строительством новой подстанции, но часто решение оказывается быстрее и гибче.
— Оптимизация размещения с учётом накопителей и допустимого времени ожидания снижает инвестиции в инфраструктуру и обеспечивает стабильный сервис для водителей.
Техническая часть — что выбрали и что будут делать
По результатам анализа была определена силовая часть преобразовательного модуля зарядной станции. Сейчас команда проводит цифровое моделирование процессов в выбранной схеме; следующий этап — реализация макета преобразователя, который будет имитировать работу станции в паре со слабой сетью и накопителем. Практическая реализация позволит отработать алгоритмы управления зарядом и взаимодействия с сетью.
Где решение с накопителем улучшит ситуацию
— городские районы с дефицитом мощности;
— трассы и удалённые участки, где прокладка новых линий экономически нецелесообразна;
— логистические хабы и склады, где требуются пиковые мощности на короткое время.
Что говорят сами инженеры
Как пояснил руководитель проекта Александр Николаевич Рожков, команда ставила задачу не только показать техническую реализуемость, но и оценить экономику решений: «Накопители — это инструмент, который в ряде случаев расширяет возможности размещения быстрых зарядок, но не является универсальной заменой развитию сетей» (информация предоставлена руководителем проекта).
Дальнейшие расчёты
План на ближайшую перспективу — завершить моделирование и собрать макет преобразователя с накопителем, после чего провести стендовые испытания в условиях, приближённых к реальным. Параллельно необходимы более глубокие расчёты технико-экономических сценариев для конкретных регионов и пилотные демонстрации, которые покажут, где накопитель действительно выгоднее подстанции, а где — нет.
Проект кафедры Промэлектроники — пример инженерного подхода: не просто найти «такое» техническое решение, а сопоставить его с экономикой, логистикой и поведением пользователей. Накопители энергии на зарядных станциях способны «подтянуть» инфраструктуру там, где сеть слабая, но окончательное решение всегда зависит от баланса стоимости и доступности — задаче, которую исследователи МЭИ уже двигают в практическом направлении.
Работа выполняется в рамках проекта «Разработка и исследование методов и способов усиления мощности «быстрых» зарядных станций электромобилей с помощью накопителей электроэнергии» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2024-2026 гг.