«Яблочков» и ИТМО: заряженные на успех

Мы уже рассказывали о том, что инженеры компании «Яблочков» и ученые «Нового физтеха» Университета ИТМО разработали первую в России систему беспроводной зарядки электротранспорта. Без громоздких коннекторов, проводов, простая и безопасная в использовании, она может зарядить и электромобиль, и электробус — достаточно лишь припарковаться в отведенном для зарядки месте… Что необходимо, чтобы данная система была внедрена в городскую среду? Как ее разрабатывали? С какими сложностями столкнулись? И кто стоит за этим прорывным проектом? Подробно обо всем пообщались с представителями команды проекта: Александром Артемкиным и Алексеем Бардановым (компания «Яблочков»), Полиной Капитановой («Новый физтех», Университет ИМТО). 

— Как родилась идея проекта?

А. Артемкин: «Яблочков» является крупнейшим производителем зарядной инфраструктуры в России — много наших изделий работают штатно, например в Москве. К сегодняшнему дню мы накопили достаточно серьезный опыт эксплуатации зарядных станций, который показал, что концепция подключаемого проводного соединения, быстроразъемного и при этом выдерживающего большие токи и напряжения в условиях уличного использования, — достаточно сложная техническая задача, решение которой требует больших затрат. Посудите сами. Устройства, которые применяются для зарядки электробусов, — дорогостоящие, требуют постоянного обслуживания и обязательного соблюдения ряда факторов, например высокого качества покрытия. Ведь если из-за банальных неровностей на асфальте электробус встает под зарядку криво, контакт ухудшается, это приводит к отсутствию заряда, перегреву, искрению… А дальше — ремонт…

Если говорить про станции для электромобилей, здесь тоже можно найти нюансы. Например, кабели часто выходят из строя, особенно в зимнее время, когда влага попадает внутрь и замерзает, вызывая проблемы с контактом. Причем это происходит независимо от производителя как кабеля, так и станции, это чисто конструктивная особенность.  Кроме того, кабель периодически роняют, бросают на землю, это тоже приводит к преждевременному износу, загрязнению контактных поверхностей… Ну и сами по себе кабели на большие мощности являются очень громоздкими, а при превышении определенного порога мощности требуют дополнительного оборудования, которое осуществляет охлаждение кабеля и самого коннектора. Это делает систему дороже. 

Проанализировав собственный опыт, изучив мировые разработки в этой области, мы начали искать новое беспроводное решение и партнера для его реализации, совместно с которым мы смогли бы решить эту актуальную задачу. Так началось сотрудничество с научной группой Полины Капитановой и Университетом ИТМО . Вместе мы провели научные изыскания, разработали концепт и начали технические работы по этому проекту. 

П. Капитанова: Моя научная группа включает 10 научных сотрудников и несколько студентов. Последние пять лет мы активно исследовали методы улучшения характеристик систем для беспроводной зарядки аккумуляторов различных электронных устройств. Начинали с разных научных подходов и внедряли электромагнитные метаматериалы и метаповерхности. Примерно два года назад поняли, что тематика беспроводной зарядки электротранспорта становится все более и более актуальна. Мы задались целью разработать новое беспроводное решение для зарядки электромобилей и найти пути его вывода на российский рынок. Решили, что нужно напрямую искать индустриальных партнеров и компании, которые будут заинтересованы в этой технологии. Общались со многими, присматривались. Познакомившись с компанией «Яблочков», мы поняли, что наши компетенции идеально дополняют друг друга, и в дальнейшем стали партнерами. 

— За реализацию каких задач отвечала ваша компания?

А. Артемкин: Так как наша компания специализируется на зарядных станциях для электротранспорта и имеет очень серьезные компетенции в области системного проектирования, силовой электроники, систем управления, мы взяли на себя общую архитектуру, концепт проекта и силовую часть — создание силовой преобразовательной техники для этого проекта. 

Так, Алексей Барданов (кандидат технических наук, инженер-программист) отвечает за алгоритмы, систему управления, программное обеспечение, общий расчет и оценку правильности и корректности расчетов. Максим Чиннов (ведущий инженер-схемотехник) ответственен за техническую реализацию преобразователя, в «железе» — за его аппаратную часть, расчет, выбор режимов работы, подбор компонентов и проч. Я, как технический директор, отвечаю за общую координацию и общее видение проекта. Самвел Аветисян (директор по продукту) — идейный вдохновитель и инициатор нашего проекта. 

— Полина, а если говорить о вашей части команды проекта…

П. Капитанова: Нашей задачей было заменить толстый кабель, который идет от зарядной станции к электромобилю, на беспроводной аналог. И как раз за эту основную часть системы была ответственна моя группа. 

По сути, вместо кабеля мы предложили использовать систему магнито-связанных контуров, которые за счет ближнего магнитного поля передают энергию. И в наши основные задачи входила разработка этой электромагнитной системы. Я выполняла роль научного наставника и научного куратора проекта. Георгий Баранов — ведущий инженер проекта со стороны «Нового физтеха» — занимался ведением проекта и планированием по разработке электромагнитной части, системным моделированием и подбором параметров системы для работы с электроникой «Яблочков». Сутану Чаттерджи (студент) занимался конечно-элементным моделированием системы и подбором геометрии приемо-передающей части. Полина Терентьвена (кандидат технических наук, научный сотрудник «Нового физтеха») занималась численными оценками безопасности системы и моделированием ее влияния на живые организмы. Александр Золотарёв (аспирант «Нового физтеха») занимался схемотехническим моделированием и конструированием макета связанных контуров.

— Как создавали прототип?

А. Барданов:  Над созданием прототипа мы работаем уже полгода. Вместе с командой из ИТМО проанализировали мировой опыт, изучили существующие аналоги и рассмотрели ограничения, связанные с безопасностью и электромагнитной совместимостью. ИТМО взял на себя моделирование, разработку конструкции и сборку электромагнитной части системы, мы взяли на себя комплексное моделирование изделия вместе с силовой частью и силовую электронику. 

П. Капитанова: Мы сделали систему магнитосвязанных контуров, которая позволяет передавать энергию на расстояние без провода. Система представляет собой передающий резонатор и приемный резонатор, которые находятся на расстоянии 16 см друг над другом. Мы ориентировались на это расстояние, так как это средний размер клиренса легкового транспортного средства. Принцип, по которому работает наша система, основан на резонансном методе взаимодействия. Передающий резонатор создает ближнее магнитное поле на фиксированной частоте. Как только в зоне передающего резонатора размещен приемный резонатор, настроенный на ту же частоту, он начинает принимать энергию посредством этого ближнего поля. 

Команда Университета ИТМО разрабатывала уникальную геометрию передающего и приемного резонаторов, а партнеры из компании «Яблочков» разработали силовую электронику и силовые преобразователи для того, чтобы обеспечивать сигнал на входе нашей электромагнитной системы. 

Наш проект — это полноценная кооперация двух команд, которые сильны каждая в своей области и результатом этой кооперации стал прототип, который мы тестировали буквально неделю назад. 

— Расскажите немного о тестировании…

П. Капитанова: Тестирование проходило на площадке «Яблочков». Мы убедились, что прототип позволяет передавать энергию мощностью 11 кВт на расстояние 16 см между передатчиком и приемников с эффективностью 95%. Проверили характеристики нашего прототипа на безопасность: на 11 кВт эта система безопасна. 

А. Барданов:  Остро стоял вопрос безопасности эксплуатации системы. Одной из основных задач тестирования была проверка интенсивности электрического поля вблизи приемника и передатчика. Было важно убедиться, что мы удовлетворяем стандартам, принятым в мире. Мы этого добились: уровень электрического поля вблизи системы не превышает порогового значения и соответствует самому строгому стандарту в мире — российскому СанПИНу. 

— Какие планы по развитию проекта?

А. Артемкин: Создание более мощной, 50-киловаттной системы, ее тестирование и испытание в лабораторных и приближенных к реальности условиях. Поиск технологического партнера, который смог бы нам обеспечить реальную опытную эксплуатацию данной системы в реальных условиях. И после тестирования, сбора статистики, анализа данных будем говорить о том, как и где лучше применять подобные решения. 

— Стоимость вашего беспроводного решения по сравнению с проводными зарядными станциями сильно отличается?

А. Артемкин: В целом, стоимость нашего беспроводного решения на серийном производстве будет плюс-минус сопоставима с проводным решением. Конечно, затраты на разработку, изготовление единичного прототипа, использование несерийных технологий высоки, и на них не стоит ориентироваться. Ведь сейчас наша главная задача — проработка технического решения для реализации определенного функционала. 

— Есть ли подобные реализованные проекты в других странах? 

А. Барданов:  В других странах действительно существуют подобные решения. Например, беспроводные зарядные станции для электромобилей реализованы компаниями Momentum Dynamics, Volvo. Есть пилотный проект в Норвегии, там при помощи беспроводной зарядки заряжают паромы. Хочется отметить и такое интересное возможное применение технологии, как беспроводная зарядка на автономных автоматизированных складах.

— То есть направление действительно перспективное и рабочее… А как оно может быть еще внедрено в городскую среду?

А. Барданов: Можно отметить такое интересное применение технологии в городской инфраструктуре, как зарядка электробусов прямо на маршруте, а точнее на остановках, пока осуществляется посадка-высадка пассажиров. За счет этого можно реально увеличить длительность маршрута электробуса и организовывать более гибкую логистику: электробус не будет привязан к своему депо, где он заряжается.