К преимуществам электромобилей (EV) перед традиционными автомобилями принято относить более высокую энергоэффективность, отсутствие выхлопных газов, влияющих на качество воздуха, более стабильные, чем у бензина и дизтоплива, цены на энергию, а также снижение общей стоимости владения транспортным средством. Основными недостатками обычно считаются слабо развитая или медленно развивающаяся зарядная инфраструктура в сравнении с сетями АЗС, дорогие аккумуляторы (особенно, в случае гибридов) и высокая дополнительная нагрузка электрозарядных станций на распределительные электросети, а иногда и на генерацию.
В статье группы авторов (Ноа Хореш, Джейсон К. Куинн, Дэвид А. Тринко, Марио Харпер, Хонджи Ванг, Хуррам К. Африди, Патрик А. Синглтон, Брэндон Аллен, Стив Д. Пекарек и Риган Зейн), опубликованной в № 4 журнала IEEE Electrification Magazine (т. 13 за декабрь 2025 года), описан ряд инновационных решений, которые могут в корне изменить подход к развитию электротранспорта.
Контекст и масштаб проблемы
Автотранспорт в США в год перевозит более 20 млрд тонн грузов, а его суммарный пробег превышает 3 трлн миль. Ежегодные затраты на дизельное топливо и бензин для транспорта в Соединенных Штатах превышают $500 млрд. Кроме того, этот сектор производит больше выбросов в атмосферу и парниковых газов, чем любой другой.
Электромобили, которые потребляют в четыре раза меньше энергии для выполнения той же работы, что и ДВС, могут ежегодно экономить сотни миллиардов долларов за счет снижения затрат на топливо и техническое обслуживание. Задача состоит в том, чтобы использовать это фундаментальное преимущество в масштабе, не теряя его из-за недостаточного использования современной инфраструктуры зарядки, дорогих и тяжелых аккумуляторов, низких темпов внедрения, а также избегая затрат на существенную модернизацию электросетей.
Стоимость технологий
По мере развития технологий электромобилей экономика транспорта меняется. В отличие от автомобилей с ДВС, стоимость которых в основном фиксирована, электромобили выигрывают от постоянного снижения цен на аккумуляторы. Цены на электроэнергию во многих странах исторически более стабильны, чем цены на бензин или дизельное топливо. Помимо экономии топлива, электропривод имеет меньше движущихся частей, затраты на его техническое обслуживание ниже.
В статье приведено сравнение совокупной стоимости владения для четырёх типов транспортных средств: электромобилей с динамической беспроводной подзарядкой, электромобилей с обычной домашней зарядкой или зарядкой в коммерческом депо, гибридного электромобиля и автомобиля с ДВС. Сравнение показывает, что во многих регионах электрификация малотоннажных транспортных средств уже является экономически выгодной, тогда как электрификация автомобилей средней и большой грузоподъемности находится на ранней стадии развития.
Электрические дороги
Для переосмысления времени, места и способа обеспечения электрических транспортных средств энергией, авторы предлагают выйти за рамки сегодняшних представлений о традиционном транспортном средстве и модели заправки бензобака.
Инженерно-исследовательский центр ASPIRE Национального научного фонда США разрабатывает беспроводные и проводные зарядные устройства, которые интегрируются в транспортные системы и работают в режиме динамической оптимизации во взаимодействии с электросетями.
Одним из потенциальных нововведений являются электрифицированные дороги, которые позволяют электромобилям заряжаться по беспроводной сети во время движения с помощью встроенной в дорожное полотно зарядной инфраструктуры (рис. 1). Этот подход отличается от обычной стационарной зарядки и позволяет значительно сократить объем бортовых аккумуляторов на электромобилях.
Беспроводные зарядные системы
Основой инфраструктуры электрифицированных дорог являются динамические беспроводные зарядные системы (WPT) двух типов: индуктивного и емкостного.
На сегодняшний день большинство систем динамической зарядки используют индуктивную технологию благодаря ее зрелости и эффективности. Индуктивный WPT основан на магнитной связи между катушками, встроенными в дорожное полотно и транспортное средство. Переменный ток, протекая через первичную катушку, создает изменяющееся во времени магнитное поле, которое создает напряжение и индуцирует ток в соседней вторичной обмотке, обеспечивая передачу энергии через воздушный зазор.
Емкостный WPT использует для передачи энергии взаимодействие электрического поля между проводящими пластинами, соединенными с емкостными элементами силовой электроникой. Переменное напряжение подается на пару передающих пластин и генерирует электрическое поле, которое индуцирует токи смещения в паре приемных пластин. Емкостные системы WPT обычно работают на более высоких частотах, чем индуктивные, обладают меньшим весом и стоимостью. Но эта технология находится на более ранней стадии готовности.
Пилотные проекты
Для оценки эффективности системы в реальных условиях разрабатываются пилотные проекты по внедрению электрифицированных автодорог во многих штатах США, включая Юту, Индиану и Флориду.
В штате Юта создается зарядное устройство нового поколения для электромобилей средней и большой грузоподъемности. На экспериментальной площадке представлены беспроводные и подключаемые системы зарядки мощностью в 1 МВт, сегмент динамической зарядки на дороге протяженностью четверть мили для грузовых автомобилей и компактный твердотельный трансформатор, разработанный для обеспечения эффективного двунаправленного взаимодействия с сетью.
В Индиане на шоссе 52/231 недалеко от Уэст-Лафайета развернут испытательный стенд для динамической беспроводной зарядки протяженностью четверть мили, включающий 85 трехфазных передающих катушек и силовую электронику, способную передавать 165 кВт на транспортные средства на скоростях, с которыми они как правило движутся по шоссе. Для проведения испытаний в реальных условиях электрический грузовик класса 8 оснащается совместимым трехфазным приемником.
Во Флориде на Центральной скоростной автомагистрали строится полоса динамической беспроводной зарядки протяженностью в милю с использованием трехфазной индуктивной системы.
Аналогичные пилоты реализуются в Европе: электрифицированная дорога Electreon Smartroad на Готланде (Швеция) для автобусов и грузовиков, а также Arena del Futuro в Италии, создаваемая в партнерстве со Stellantis – совместный проект автопроизводителей и разработчиков инфраструктуры по внедрению динамической индуктивной зарядки для легковых автомобилей.
Мегаваттные зарядные хабы
Для подзарядки аккумуляторов транспортных средств во время плановых остановок по-прежнему будут необходимы мощные зарядные станции, которые смогут координировать и балансировать нагрузку на различные типы транспортных средств.
Ключевыми технологиями мегаваттных станций являются твердотельные трансформаторы и системы распределения постоянного тока, системы управления парком транспорта и энергией с применением ИИ, а также интеграция с распределительными сетями среднего напряжения. В качестве примера конфигурации такого хаба в статье описан узел мощностью 10 МВт с интеграцией 480 В переменного и постоянного тока, солнечной генерацией и системами хранения энергии.
Интеллектуальные транспортные системы и их интеграция
Согласно концепции ASPIRE, припаркованные электромобили могут выступать в качестве накопителей энергии для поддержки электросети, а зарядные станции могут быть расположены там, где высокий спрос на транспорт совпадает с высокой пропускной способностью сети. Различные носители энергии должны координироваться в мультимодальных зарядных центрах, объединяющих транзитные, грузовые и пассажирские транспортные средства в единую зарядную площадку. Каждый такой узел расположен в точке с высокой транспортной активностью и имеет доступ к электросетям.
Объединяя потребности различных автопарков, сосредоточенных на этих объектах, система использует преимущества скоординированного управления нагрузкой для снижения затрат на электроэнергию и оптимизации инфраструктуры. Например, железнодорожная станция принимает грузовые составы, самосвалы и дальнемагистральные грузовики, в то время как на пассажирских вокзалах пересекаются потоки поездов, автобусов и частных автомобилей. Такие объекты являются приоритетными для электрификации.
Планирование, проектирование и эксплуатация интегрированной транспортной и энергетической экосистемы требует инноваций в системах передачи данных, применения цифровых двойников и интеллектуальных платформ. Модели типа цифровых двойников должны учитывать пространственные и временные характеристики спроса на электроэнергию для зарядки электромобилей, управления спросом и предложением на уровне региональной сети. Для оптимизации графиков зарядки, распределения заряда батарей и реагирования на изменение цен на электроэнергию в модели должны быть встроены инструменты машинного обучения и ИИ.
Выводы
Авторы считают потенциал рынка электротранспорта весьма значительным. Статья завершается призывом к запуску ряда национальных инициатив: строительства в США 1000 миль электрифицированных дорог, создания интеллектуальных, связанных между собой электросетей и транспортных магистралей, включающих мультимодальные узлы, которые пересекают несколько штатов, а также межгосударственной стандартизации обучения персонала для электрифицированного транспорта.
По сути, электрификация дорожного покрытия, а не только вспомогательных элементов транспортной инфраструктуры (дорожного освещения, камер наблюдения, информационных панелей, навигации и знаков), превращает автомобильные дороги в элемент мульти-инфраструктуры, объект одновременно транспортной и электроэнергетической сетей, и хорошо иллюстрирует расширяющиеся перспективы "электрической" революции, не заканчивающейся на электрификации транспортных средств.
Подробнее читайте исходную статью в журнале IEEE Electrification Magazine (т. 13, № 4 за 2025 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России