XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Умный перекресток: беспроводная зарядка электромобилей по пути

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Цаур Р.Е. 1Сузин Я.В. 1Софин А.Е. 1Столопов Ю.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

3.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Все крупные и малоизвестные производители транспортных средств согласились с тем, что будущее за электрическими двигателями, которые уже сегодня превосходят ДВС. И такое распространение в дальнейшем повлечет за собой еще большее ускорение развития. Благодаря чему можно с полной уверенностью сказать, что через каких-то пять-десять лет мы сможем полностью отказаться от ДВС и пересесть на электрические автомобили.

Электромобиль быстро входит в современную жизнь людей. И вместе с готовностью человека к покупке дорогого транспортного средства возникают сложности с зарядкой: нет достаточного количества станций быстрой зарядки, особенно между городами, на заряд автомобиля пользователь тратит большое количество времени.

Цель: разработать идею альтернативного способа быстрой зарядки электромобилей по пути и представить её с помощью модели на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3.

Задачи:

узнать новую информацию об электромобилях: производители, марки, основные характеристики;

изучить статистику покупки и эксплуатации электромобилей в последние годы в нашей стране и в нашем городе Тюмень;

узнать о преимуществах и недостатках эксплуатации электромобилей;

выслушать отзыв владельца электромобиля о своем авто;

увидеть существующие и изучить альтернативные способы зарядки электромобилей;

сгенерировать идею быстрого альтернативного способа зарядки электромобилей по пути, начертить эскизы;

создать и запустить демонстрационную модель нашей идеи.

В качестве источников мы использовали информационный сайт wikipedia, интернет журналы: wekauto.ru, 1electrocar.ru, avto-flot.ru. При оформлении проекта мы опирались на знания, полученные во время обучения на курсах Школы Мистер Брейни [1], брали идеи из большой книги «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3» [2], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [3, 4], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями «Соревновательная робототехника: приемы программирования в среде EV3» [5].

Глава 1. Виды электромобилей и их основные характеристики

Слово «электромобиль» само говорит за себя. Это транспортное средство, которое приводится в движение при помощи электрического двигателя, питающегося от аккумулятора [6]. Главное его отличие от машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) – наличие у электрокаров автономного источника питания в виде огромного аккумулятора, как правило, набранного из небольших элементов.

Электромобили довольно быстро и активно набирают популярность. Производство постоянно развивается, и даже самые консервативные бренды уже начинают разрабатывать свои электрические модели, стараясь не отставать от современных тенденций. Производство электрокаров налажено в большинстве стран, где расположены крупнейшие автомобильные заводы [7,8]: Франции; Великобритании; США; Японии; Китае. Германии; России. и многих других. Все они производят такие популярные марки электромобилей: Tesla; Nissan; BMW; Chevrolet; Renault; Mitsubishi и многие другие всемирно известные бренды. Мы подробно изучили различные марки электромобилей и их основные характеристик, данные занесли в Таблицу 1.1.

Таблица 1.1 Марки электромобилей и их основные характеристики

При таком огромном количестве производителей электрических транспортных средств о монополии не может быть и речи [9]. Каждый борется за место под солнцем, предлагая новые и уникальные решения по приемлемым ценам. При этом кто-то делает ставку на дорогое и качественное оформление, обеспечивающее максимальный комфорт, кто-то следует по пути доступных электрокаров, жертвуя качеством и комфортом. Поэтому назвать конкретные цены крайне сложно.

Уже сегодня на рынке можно найти электромобиль под любой вкус и финансовые возможности. Можно купить JAC EV6S за 19 000 долларов, получив при этом средний китайский электрокар, а можно отдать 130 000 долларов и приобрести максимальной комфортный и мощный электромобиль, технические характеристики которого опережают время. Здесь выбор за вами и вашими возможностями. Стоимость электромобиля примерно на 30% выше, чем у аналога, оснащенного двигателем внутреннего сгорания.

Принимая во внимание такое разнообразие электромобилей в мире, приятно осознавать, что мы все же дошли то того момента, когда все крупные и малоизвестные производители транспортных средств согласились с тем, что будущее за электрическими двигателями, которые уже сегодня превосходят ДВС. И такое распространение в дальнейшем повлечет за собой еще большее ускорение развития. Благодаря чему можно с полной уверенностью сказать, что через каких-то пять-десять лет мы сможем полностью отказаться от ДВС и пересесть на электрические автомобили.

Глава 2. Статистика использования электромобилей за последние годы в мире, в России и в Тюмени

По состоянию на 1 января 2022 года парк легковых автомобилей на территории Российской Федерации (Рисунок 2.1, Приложение) составил 45,5 млн единиц [10. 11]. Наибольшее количество легковых автомобилей по итогам 2021 года зарегистрировано в Центральном ФО (12,87 млн шт.), которому принадлежит 28,3% от всего парка. Вторую позицию в рейтинге занимает Приволжский ФО, на долю которого приходится каждый пятый автомобиль (9,15 млн шт.). Доля автомобилей в 11,5%, состоящих на учете в ГИБДД, числится в Сибирском федеральном округе (5,25 млн шт.). В региональной разбивке парка лидируют Москва (3,67 млн шт.), Подмосковье (2,79 млн шт.) и Краснодарский край (1,96 млн шт.). За ними следуют Санкт-Петербург (1,73 млн шт.) и Свердловская область (1,39 млн шт.).

На 1 января 2022 года на территории РФ было зарегистрировано 16,5 тысячи электромобилей, подсчитали эксперты аналитического агентства «АВТОСТАТ» и АО «Электронный паспорт». Более 70% от общего количества таких транспортных средств, или 11 765 штук, принадлежат марке Nissan. На втором месте рейтинга, с большим отставанием от лидера, располагается Tesla (1 660 шт.), на которую приходится 10% от общего числа. Третье место занимает немецкий бренд Porsche (674 шт., 4% парка). В ТОП-5 вошли также марки Audi (522 шт.) и Mitsubishi (465 шт.). Эксперты отмечают, что на пятерку лидеров суммарно приходится 91% всего электромобильного парка в нашей стране. Заметим, что у четырех из пяти марок-лидеров присутствие на российском рынке характеризуется наличием в модельном ряду всего одной модели на электротяге. Так, у Nissan - это Leaf, у Porsche - Taycan, у Audi - e-tron, у Mitsubishi - i-MiEV. Toлько у Tesla модельный ряд представлен несколькими моделями. Что касается территориального распределения парка электрокаров, эксперты подсчитали, что 68% от их общего количества числится в трех округах - Центральном, Дальневосточном и Сибирском. Если же рассматривать данную статистику более детально, с разбивкой по регионам, заметим, что на начало 2022 года лидером по числу электромобилей в нашей стране является Москва, где на учете состоит 2 161 электрокар. На втором месте - Приморский край (1 652 шт.), далее следует Иркутская область (1 540 шт.). В ТОП-5 регионов также вошли Краснодарский (1 085 шт.) и Хабаровский (861 шт.) края

С 2018 года число заправок для электромобилей в России выросло втрое. Абсолютное лидерство по станциям удерживает Москва, в то время как в других мегаполисах страны, чтобы найти питание для «зеленого» авто, придется проехать полгорода. В итоге сложности с заправкой вынуждают владельцев электрокаров обратно пересаживаться на машины с бензиновыми двигателями, хотя эксплуатация неэкологичного авто выходит дороже.

Электромобили в Москве

6 мая 2022 года Московский политехнический университет сообщил о том, что примет участие в конкурсе Минобрнауки РФ по созданию передовых инженерных школ. Вуз планирует запустить учебное конструкторское бюро, где будут разрабатывать и создавать пилотные образцы, а также проводить испытания электромобилей. Подробнее здесь.

В конце апреля 2022 года в Москве запустили первую для российского рынка площадку для превращения обычного автомобиля в электрический (Рисунок 2.2, Приложение). Это проект компании Edison Technologies, занимающейся производство быстрых зарядных станций для электрокаров.

Электромобили в Тюмени

За пять лет количество электромобилей в Тюменской области выросло в 60 раз. Об этом URA.RU сообщили в пресс-службе администрации города [12]. «На 1 января 2021 года в России было зарегистрировано 10 836 электромобилей. Это на 71% больше, чем в прошлом году. Существенный прирост отмечают в Тюменской области. В 2016 году в столице региона было зарегистрировано всего три электромобиля, а на сегодня их почти 200», — рассказали в мэрии.

Для всех тех, кто задумывается о покупке экотранспорта, немаловажна тема станций для его зарядки, ведь обычные не подойдут. Количество станций для зазядки электротранспорта также выросло, сейчас их в Тюмени более 15 [13] (Рисунки 2.3-2.4, Приложение).

Глава 3 Преимущества и недостатки при эксплуатации электромобилей. Интервью с собственником электрокара Nissan Leaf фотографом Александрой Михальчук

В России плюсов у электрокаров немного, но они есть. В центральные районы городов нашей страны без ограничений пускают любой дизель «Евро-0», поэтому такие опции нас не касаются. А вот нулевая ставка транспортного налога – вполне. Освобождение от платы за парковку касается только москвичей, но это тоже серьезный аргумент в пользу «экотранспорта». Да, «эко». Все производители ставят нулевые выбросы во главу угла – дескать, с электротранспортом загазованность городов пойдет на спад. Вопрос на самом деле дискуссионный: все-таки подавляющая часть электроэнергии пока что вырабатывается сжиганием углеводородов, так что выбросы на питание электромашин все равно есть – просто в другом месте. А в городе от такого авто реально будет ноль копоти.

Куда важнее россиянам, что электромобили практически не требуют обслуживания. Можно забыть про замену свечей, прокладок клапанной крышки, масла в двигателе – там этого всего просто нет. А ТО зачастую сводится к обновлению ПО автомобиля и замене масла в редукторе (у моделей, где это требуется).

Мы взяли интервью с собственником электрокара Nissan Leaf - фотографом Александрой Михальчук. Александра любезно поделилась информацией о первом путешествии на электромобиле Тюмень – Самара – Тюмень летом 2021 года. Основным фактором выбора такого автомобиля стало экологичность и экономичность. Несмотря на это, семья столкнулась с рядом трудностей, прежде всего ограниченное количество быстрых зарядок (Рисунок 3.1, Приложение). Но на пути следования было достаточно обычных станций АЗС, где также можно было подзарядится от обычной розетки, пока пьешь кофе, например. Был случаи, когда в отсутствии даже таких возможностей, заряд производился через удлинитель, выброшенный из окна номера кемпинга. Самое не приятное было когда все-таки заряда не хватило на рассчитанные 290 км и пришлось просить помощи на дороге и эвакуироваться через лебедку. Не смотря на все сложности, семья провела прекрасно время в путешествии и сейчас рекомендует использование электрокара прежде всего в городских условиях, где по близости есть станция быстрой зарядки.

Глава 4. Технологии беспроводной зарядки

Технология беспроводной зарядки аккумулятора появилась в сфере смартфонов, но сейчас используется во многих других областях (Рисунок 4.1, Приложение). Первоначально она была нацелена на небольшие электронные устройства, среди которых смартфоны, планшеты, умные часы и так далее. Сейчас технологию беспроводной зарядки аккумуляторов можно встретить в таких далеких друг от друга устройствах, как зубные щётки и электромобили. Например, в Formula E применяются напольные беспроводные зарядки Qualcomm.

Выделяют три вида беспроводных зарядок (Рисунок 4.2, Приложение):

- с использованием жестко связанной электромагнитной индукционной зарядки без излучения.

- устройства сквозного типа, использующие слабосвязанную электромагнитную резонансную зарядку с излучением на несколько сантиметров.

- несвязанная радиочастотная беспроводная зарядка, обеспечивающая заряд на расстоянии нескольких метров.

Жестко связанная и слабосвязанная разновидности зарядки основаны на одном физическом принципе - магнитное поле индуцирует ток в замкнутом проводнике. Для функционирования катушек на одной и той же частоте может быть добавлена соответствующая емкость. Это даёт увеличение индуцированного тока, повышает эффективность и обеспечивает передачу энергии на большее расстояние. Увеличение размера катушек и их количества также увеличивает расстояние, на которое передается энергия. Сейчас выпускаются автомобильные зарядные системы, обеспечивающее передачу электроэнергии на расстояние до 250 мм. В них используются крупные медные катушки с диаметром более 250 мм у приёмника. Например, такие системы выпускает компания WiTricity. B приводящую петлю добавляются конденсаторы для увеличения захватываемой энергии. Эффективность таких зарядок составляет не менее 92%, и они передают уровень мощности до 11 кВт.

Беспроводные зарядки — пока еще не очень распространенные устройства, которые к тому же требуют оснащения электромобиля специальным оборудованием и не способны предоставить такую мощность, как, например, Tesla Supercharger. Зато полностью освобождают от проблем с проводами и разъемами. Как и беспроводные зарядки для смартфонов, основаны на принципе магнитной индукции. Базовая станция монтируется на специальной парковке (или в собственном гараже), а приемник устанавливается под днище электрокара. Самое интересное применение этой технологии — в возможности заряжать «электрички» на ходу. В ряде стран, в частности в Великобритании, строят экспериментальные трассы со специальными полосами для безостановочной зарядки [14].

В Германии представили универсальную индукционную (беспроводную) зарядку для электрических электросамокатов (кикскутеров). Новинка под названием Easy Charge выпускается компаниями Metz и Intis для своей продукции, но, как заявляется, будет работать с моделями и от других производителей. По словам разработчиков, беспроводное зарядное устройство будет доступно в нескольких конфигурациях, что позволит применять его также и для электроскутеров, и электровелосипедов, в том числе грузовых [15].

Глава 5. Создание и запуск демонстрационной модели «Умный перекресток» на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3

Электромобиль быстро входит в современную жизнь людей. И вместе с готовностью человека к покупке дорогого транспортного средства возникают сложности с зарядкой: нет достаточного количества станций быстрой зарядки, особенно между городами, на заряд автомобиля пользователь тратит большое количество времени.

Мы предлагаем альтернативный способ зарядки автомобиля по пути – во время остановки на светофоре. Многие электронные устройства уже используют беспроводной способ зарядки, первое транспортное средство с дистанционным способом зарядки уже активно работает – это самокат. Мы предлагаем использовать беспроводной способ зарядки и для электромобиля. Это произойдет уже в ближайшем будущем. Наша идея: установить беспроводные станции зарядки в дорожное покрытие на перекрестках со светофорами. Такие умные перекрести будут способны определить тип автомобиля: на бензине или электромобиль, и начать быструю зарядку. Мы разработали эскиз умного перекрестка с установкой беспроводных станций для зарядки электромобилей (Рисунок 5.1, Приложение).

5.1 Конструирование

Модель умного перекреста с беспроводными станциями зарядки электромобилей мы создали на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3. Перед началом сборки мы создали эскиз модели с распределением основных частей робота: программируемого блока EV3, моторов и датчиков (Рисунок 5.1.1, Приложение).

Модель умного перекреста состоит из двух роботизированных частей:

Блок EV3-1 «светофор», два датчика цвета для сканирования типа ДВС: бензиновый или электро;

Блок EV3-2 «авто», два мотора для автомобилей и два датчика для обнаружения стоп линии.

Мы распределили обязанности по созданию конструкции и приступили к работе. Андрей и Рома отвечали за конструирование платформы умного перекрестка, установку двух датчиков цвета и блока EV3 в роли светофора (Рисунок 5.1.2, Приложение). Юра и Ярослав создавали автомобили и устанавливали в них по одному датчику цвета (Рисунок 5.1.3, Приложение). Зеленый автомобиль – это экомобиль и заряжается от электричества, именно к этому авто умный перекресток подаст быстрый заряд. Красный автомобиль на бензиновом ДВС, этот автомобиль не будет заряжаться, умный перекресток его проигнорирует.

5.2 Программирование

Передачу данных между двумя блоками EV3 мы организовали с помощью связи Bluetooth. Перед созданием программы мы начертили блок-схему всего процесса работы умного перекрестка (Рисунок 5.2.1, Приложение).

Таким образом, программа для запуска модели «Умный перекресток» конечная и имеет одно ветвление при определении типа автомобиля (Рисунок 5.2.2, Приложение).

5.3 Демонстрация

Мы продемонстрировали работу нашей модели «Умный перекресток» в школе нашим одноклассникам и родителям (Рисунок 5.3.1, Приложение).

Автомобили подъезжают к умному перекрестку, загорается красный свет на светофоре (на блоке EV3-1 «светофор» индикатор состояния загорается красным) происходит передача сигнала остановки от блока EV3-1 «светофор» к блоку EV3-2 «авто», автомобили останавливаются в момент, когда датчики цвета на авто определяют белый цвет стоп линии. В этот момент происходит сканирование дня каждого автомобиля. Зеленый цвет – это электромобиль, красный – бензиновый автомобиль. На экране блока EV3-1 «светофор» высвечивается направление зарядки: стрелка налево или стрелка направо.

После окончания заряда передается сигнал от блока EV3-1 «светофор» к блоку EV3-2 «авто» для продолжения пути.

Заключение

Уже сегодня на рынке можно найти электромобиль под любой вкус и финансовые возможности. Можно купить JAC EV6S за 19 000 долларов, получив при этом средний китайский электрокар, а можно отдать 130 000 долларов и приобрести максимальной комфортный и мощный электромобиль, технические характеристики которого опережают время. Здесь выбор за вами и вашими возможностями. Стоимость электромобиля примерно на 30% выше, чем у аналога, оснащенного двигателем внутреннего сгорания. По состоянию на 1 января 2022 года парк легковых автомобилей на территории Российской Федерации составил 45,5 млн единиц. За пять лет количество электромобилей в Тюменской области выросло в 60 раз. С одной стороны, это полезно для города – меньше вредных выхлопов от бензиновых ДВС, однако городская среда ещё не готова к такому большому количеству электромобилей, нет нужного количества быстрых станций зарядки, особенно между городами.

Мы узнали, что альтернативный способ зарядки – беспроводной, уже внедряется на станциях для зарядки электросамокатов. В ближайшем будущем этот способ будет использован и для зарядки электромобилей. Мы предлагаем удобный и эффективный способ установки беспроводных станций зарядки – на светофорах! Представьте, вы подъезжаете на своем электромобиле к светофору, загорается красный свет, вы останавливаетесь и начинается быстрая зарядка вашего авто. Это очень удобно!

Для демонстрации нашей идеи мы создали модель «Умный перекресток» на базе конструктора LEGOMindstormsEV3. Модель состоит из двух роботизированных систем (светофор и автомобили), передающих задачи друг другу с помощью связи Bluetooth. Датчики цвета распознают тип автомобиля: бензиновый или электро, и, если электромобиль, то включают беспроводную зарядку.

Наш проект можно использовать на занятиях по окружающему миру при изучении альтернативных источников энергии и робототехнике при знакомстве с передачей данных по связи Bluetooth.

А также, мы очень надеемся, что наша идея «Умный перекресток с беспроводной зарядкой электромобилей» будет реализована.

Список используемой литературы:

Курс «Лаборатория роботов», курс «Робототехнический Центр», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с

Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Вязов С.М., Калягина О.Ю., Слезин К.А. Соревновательная робототехника: приемы программирования в среде EV3: учебно-практическое пособие. – Москва: Издательство «Перо», 2014. – 132 с.;

Интернет источники:

https://wekauto.ru/vse-elektromobili-kotorye-oficialno-prodautsia-v-rossii/

https://1electrocar.ru/proizvoditeli/marki-i-modeli-elektromobilej.html

https://avto-flot.ru/blog/electromobili-statistika.html

https://e-cars.tech/elektromobili/akkumulyatory-elektromobilej-osobennosti-primeneniya/

https://www.autostat.ru/infographics/51535/? © Автостат

https://www.autostat.ru/research/product/438/ © Автостат

https://russian.rt.com/russia/news/904976-tyumenskaya-oblast-elektrokar#:~:text=%C2%AB%D0%9D%D0%B0%201%20%D1%8F%D0%BD%D0%B2%D0%B0%D1%80%D1%8F%202021%20%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D0%B0,200%C2%BB%2C%20%E2%80%94%20%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D0%BB%D0%B8%20%D0%B2%20%D0%BC%D1%8D%D1%80%D0%B8%D0%B8

https://2gis.ru/tyumen/search/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%B7%D0%B0%D1%80%D1%8F%D0%B4%D0%BA%D0%B8%20%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82%D0%B0/rubricId/110320?m=65.581168%2C57.139292%2F12.3

https://akbinfo.ru/stati/besprovodnoj-akkumulyator-texnologiya-iustrojstva

https://wireless-e.ru/peredacha-energii/tehnologii-besprovodnoj-zaryadki-1/

Приложение