800V - De ce aveți nevoie de tensiunea dublă pentru a genera electricitate
Porsche Taycan Turbo S la IAA 2019
Sistemul de înaltă tensiune al majorității mașinilor electrice disponibile astăzi se bazează pe o arhitectură cu o tensiune a sistemului de aproximativ 400 de volți. Cu toate acestea, cu Aston Martin Rapid E, Porsche Taycan sau Rimac C_Two, sportivii electrici de top se află în blocurile de pornire care împing această limită de tensiune în sus și chiar o dublează. Dar care sunt avantajele tensiunii crescute?
De două ori tensiunea, de două ori mai bună? Deloc. Nu este atât de ușor să rezolvi această ecuație. Cu toate acestea, creșterea tensiunii are un potențial tehnic ridicat. O privire asupra dezvoltării vehiculelor hibride și electrice din ultimii ani arată de ce este necesară din punct de vedere tehnic creșterea nivelului de tensiune.
O mașină clasică cu motor cu ardere are doar un sistem electric de 12 V. În camioane, nivelul de tensiune al rețelei de bord este de 24 de volți. Primele vehicule cu un sistem electric suplimentar de 48 V sunt deja disponibile astăzi. Tensiunea a fost deja de patru ori comparată cu o mașină clasică. Pentru a înțelege această consecință, merită să aruncăm o privire asupra calculului pierderii de putere într-un cablu. Fiecare conductor electric are o rezistență ohmică, deși una mică. Rezistențele ohmice prin care curg curenții provoacă pierderi de căldură cauzate de frecare la nivel atomic. Rezistența cablului înmulțită cu pătratul (!) Curentului care curge prin cablu are ca rezultat pierderea de energie. Este important să mențineți acest lucru cât mai scăzut posibil pentru a crește eficiența sistemului electric și, în cele din urmă, pentru a minimiza consumul vehiculului.
Dacă pierderea de putere a cablurilor trebuie redusă, atunci pe de o parte rezistența cablului poate fi redusă prin mărirea secțiunii transversale sau reducerea lungimii liniei. Creșterea secțiunii transversale necesită totuși o cantitate mai mare de material (adică mai mult cupru), costuri mai mari asociate, greutate mai mare și spațiu mai mare. În plus, este mai dificil să așezi cabluri groase în jurul curbelor, deoarece raza de îndoire crește pe măsură ce crește grosimea cablului. La rândul său, aceasta are dezavantaje atunci când integrează cablul în vehicul.
Deci, de ce să nu ridicați toți consumatorii dintr-un vehicul la cel mai înalt nivel de tensiune posibil? Mai presus de toate, cerințele de siguranță sunt contrare acestui lucru. Un sistem cu tensiune înaltă necesită o mai bună izolare și protecție. Pentru consumatorii care trebuie să fie alimentați doar cu tensiune redusă și joasă tensiune, cum ar fi electronice de confort și componente multimedia, este suficientă o rețea de 12 V la bord. O tensiune mai mare nu ar oferi niciun avantaj aici.
Merită să măriți tensiunea pentru consumatorii care sunt la rândul lor acționați continuu cu o putere mare în gama de kilowați. În vehiculele hibride și electrice, sisteme precum aerul condiționat, încălzitoarele, mașinile electrice sau generatoarele de pornire sunt deci conectate la sistemul electric de înaltă tensiune sau 48 V.
Un exemplu practic: un sistem electric de aer condiționat cu putere de intrare de 3 kW (kilowati) este conectat la unitatea de stocare a energiei printr-un cablu lung de 1 m cu o secțiune transversală de 10 mm². Deoarece corpul acționează ca un conductor de retur la tensiuni sub 60 V, aici se ia în considerare doar linia de alimentare. Pe de altă parte, în sistemele de înaltă tensiune (tensiuni mai mari de 60 V), conductoarele de alimentare și retur sunt separate și izolate de corp. Într-un sistem electric de 12 V al vehiculului, pierderea de energie din cablu ar fi de 107 W. Într-o rețea de bord de 48 V, pierderea de energie este deja semnificativ redusă la 7 W și într-o rețea de bord de înaltă tensiune cu un nivel de tensiune de 400 V chiar și mai mic de 0,1 W - unul la mie din cantitatea de 12 V.
Prin urmare, pentru a menține pierderea de putere a conductoarelor electrice cât mai mică posibil, creșterea tensiunii este, prin urmare, o metodă extrem de eficientă.
Să ne concentrăm acum pe comparația vehiculelor electrice cu o arhitectură de 400 volți și 800 volți. Un argument care este adesea menționat în acest context pentru 800 V este timpul de încărcare mai scurt. Prin urmare, merită să aruncați o privire la un încărcător de mare putere (HPC). Aceste „încărcătoare ultra-rapide”, care furnizează o putere de încărcare de până la 350 kW, sunt proiectate astfel încât vehiculele să poată fi încărcate atât cu tensiunea sistemului de 400 V, cât și cu cea de 800 V. Stațiile de încărcare instalate în prezent de Ionity, de exemplu, pot furniza un curent maxim de 500 A. Puterea maximă de încărcare pentru un vehicul cu o tensiune maximă a bateriei de 400 V este limitată la 200 kW, cu condiția ca acest curent să poată fi absorbit în vehicul fără contactele ștecherului și supraîncălzirea cablurilor.
Dacă creșteți tensiunea sistemului la 800 V, puterea de încărcare de până la 400 kW poate fi transferată vehiculului. Aici, însă, puterea de încărcare este limitată de puterea maximă de 350 kW a punctului de încărcare HPC.
În ambele cazuri, pe de altă parte, curentul de încărcare de 500 A poate fi privit ca un obiectiv înalt, deoarece acești curenți nu pot fi conduși cu ușurință prin tehnologia obișnuită de conectare la înaltă tensiune din vehicul. Din acest motiv, cablurile și mufa de încărcare de pe coloanele HPC sunt răcite cu mai mult de 200 A.
| Aston Martin Rapid E. | 449 kW | aproximativ 800 V | Sfârșitul anului 2019 |
| Audi e-tron GT | 434 kW | aproximativ 800 V | La începutul anului 2021 |
| Porsche Taycan | 460 - 560 kW | aproximativ 800 V | Sfârșitul anului 2019 |
| Rimac C_Two | 1.408 kW | până la 720 V | imediat |
| Pininfarina Battista | > 1.400 kW | până la 720 V | 2020 |
Privind la o stație de încărcare exemplară HPC cu un cablu de încărcare de 4 m și o secțiune transversală de 50 mm² pe linie de încărcare de înaltă tensiune (HV plus și HV minus) rezultă o rezistență a liniei de aproximativ 1,5 mΩ pe linie și include rezistență la contact pe conector. Cu o putere de încărcare de 150 kW, pierderile de aproape 400 W apar în cablul stației de încărcare în cazul unei încărcări de 400 V. Cu un proces de încărcare de 30 de minute, se poate spune că liniile de înaltă tensiune sunt sub sarcină constantă, iar cablurile și contactele devin în mod corespunzător fierbinți. Când tensiunea este dublată, aceste pierderi sunt reduse la un sfert ca urmare a relației pătratice.
Atunci când se ia în considerare o singură stație de încărcare HPC, se poate spune că tehnologia de 800 V este o necesitate pentru a putea utiliza capacitatea maximă de încărcare a infrastructurii de încărcare. La rândul său, aceasta este o condiție prealabilă pentru realizarea unor timpi de încărcare mai scurți.
Să ne transformăm acum privirea în vehicul. După cum sa menționat deja, direcționarea și distribuirea curenților mari în vehicul este o provocare. Spre deosebire de coloana HPC, mufele și cablurile răcite sunt implementate numai în prototipuri. Cablurile și contactele de priză care pot rezista la curenți mari timp de câteva minute sunt scumpe și necesită mai mult spațiu de instalare. Pentru a menține pierderile și generarea de căldură asociată scăzute, cablurile trebuie să fie groase corespunzător. La rândul său, acest lucru duce la dezavantaje în „pachetul vehiculului” - adică aspectul geometric al vehiculului. După cum sa menționat deja la început, cablurile mai groase nu numai că necesită mai mult spațiu, dar sunt și mai greu de îndoit și astfel se integrează în structura vehiculului.
În orice caz, pierderile de linie sunt „plătite” de două ori: o dată la încărcare și încă o dată la descărcare. Primul crește costurile de încărcare, în al doilea intervalul este redus, chiar dacă influența asupra consumului total de energie la conducere este mică. Pierderile de linie devin totuși mai importante atunci când se solicită deseori putere mare - atât la încărcare, cât și la descărcare. Acesta este cu siguranță unul dintre motivele pentru care vehiculele electrice de înaltă performanță, cu cerințe sporite de disponibilitate a energiei, cu arhitectură de 800 V, intră inițial pe piață.
Să aruncăm o altă privire asupra aplicației de „încărcare”: se presupune adesea că celulele pot fi încărcate mai repede cu o tensiune mai mare. Cu toate acestea, la o inspecție mai atentă, această ipoteză poate fi respinsă cu ușurință. Bateria Jaguar I-Pace sau Audi e-tron poate fi folosită ca exemplu. Ambele vehicule au sisteme de înaltă tensiune din clasa de tensiune 400V și baterii cu module de 36 de celule, fiecare cu 12 celule. La rândul lor, celulele sunt integrate în trei „pachete” cu patru conexiuni paralele în modulul celulei. Se vorbește aici de o interconectare în 4p3s (paralel de patru ori, serial de trei ori). Numărul de celule seriale definește nivelul de tensiune al bateriei - și, astfel, al întregului sistem de înaltă tensiune. Atât la Jaguar cât și la Audi, toate cele 36 de module celulare 4p3s sunt conectate în serie, astfel încât să existe o conexiune totală de 4p108s la nivelul bateriei.
Pentru a crea o arhitectură (ipotetică) de 800 V din aceste sisteme de 400 V, este necesar doar să creșteți numărul de celule seriale și să reduceți numărul de celule paralele. Cu un modul de celule 2p6s, bateriile (acum cu conexiune 2p216s) ar avea acum mai mult de 800 V cu dimensiuni altfel identice și număr identic de celule.
Pentru a încărca ambele variante de baterii cu o putere de încărcare de 200 kW, rezultă un curent de încărcare de 500 A în sistemul de 400 V și 250 A în sistemul de 800 V. Acest curent de încărcare este împărțit în cele patru conectate în paralel în modulul de celule 4p3s Celulele aprinse, adică fiecare celulă este încărcată cu 125 A. În sistemul de 800 V, curentul de încărcare de 250 A este împărțit între doar două celule, care sunt, prin urmare, încărcate și cu 125 A. Prin urmare, curentul de încărcare efectiv pe celulă este independent de nivelul de tensiune al sistemului general, cu un număr constant de celule în baterie.
Fiecare celulă are o rezistență internă peste care scade o pierdere de putere atât în timpul încărcării, cât și al descărcării. Această pierdere de putere încălzește celula. Dacă celula devine prea caldă, aceasta trebuie răcită sau puterea redusă. După cum am stabilit deja, curentul care curge printr-o celulă cu aceeași putere de încărcare este de 400 V sau 800 V, indiferent de întrebare. Pierderea de putere din celulă este identică în ambele cazuri.
O baterie nu constă doar din celule, ci și din bare și cabluri care conectează celulele și modulele de celule între ele. Acestea ar trebui să fie cât mai mici posibil, astfel încât să fie disponibil cât mai mult spațiu posibil pentru celule și astfel energia și performanța bateriei să poată fi mărite. Aceleași afirmații se aplică aici care au fost deja făcute: Dacă curentul este înjumătățit, apare doar un sfert din pierderea de energie. Sau altfel spus: Chiar dacă secțiunea transversală a cablului ar fi dublată, pierderile de cablu din sistemul de 400 V ar fi de două ori mai mari decât în sistemul de 800 V. Cu toate acestea, acest lucru nu ar trebui să ascundă faptul că principalele pierderi în timpul încărcării și descărcării în baterie apar direct pe celule. Rezistența internă totală a celulelor este rapid de 15 până la 50 de ori mai mare decât rezistența totală a liniei din vehicul. La temperaturi scăzute, acest factor crește și mai mult, deoarece celulele au o rezistență internă semnificativ mai mare. În schimb, rezistența liniei din cablul de cupru scade chiar și odată cu scăderea temperaturilor.
Pentru a reduce timpul de încărcare a unei baterii, este important să cunoaștem „cea mai slabă verigă” din sistemul general. Dacă celula este deja la limita sa în ceea ce privește consumul de energie, dublarea tensiunii sistemului cu același număr de celule nu va avea niciun efect vizibil. Dacă sarcina curentă a cablurilor și a conectorilor este blocajul, dar capacitatea celulei nu este încă epuizată, creșterea tensiunii sistemului este un mijloc adecvat de creștere a vitezei de încărcare.
Unitățile auxiliare ar trebui, de asemenea, să fie proiectate în mod consecvent pentru nivelul de tensiune corespunzător, pentru a obține avantaje în ceea ce privește greutatea, spațiul de instalare și pierderile de linie. Alternativ, ar trebui instalate convertoare DC/DC suplimentare pentru a cupla componentele proiectate pentru clasa de tensiune de 400 V la sistemul electric de la bord de 800 V, ceea ce contracarează parțial avantajele obținute.
În cele din urmă, desigur, se pune întrebarea de ce 800 V nu este deja standardul vehiculelor electrice actuale. De fapt, clasa de tensiune de 400 V s-a impus rapid ca standard pentru toți producătorii. Acest lucru a creat o piață largă pentru componentele furnizorilor, ceea ce are ca rezultat prețuri mai mici. Mai mult, majoritatea avantajelor tensiunii crescute sunt deja crescute cu 400 V, așa cum arată exemplul compresorului de aer condiționat de 3 kW explicat la început. Nu în ultimul rând, o tensiune mai ridicată a sistemului duce la creșterea cerințelor privind siguranța sistemului de înaltă tensiune. Cu toate acestea, este de așteptat ca mașinile electrice de înaltă performanță să continue să funcționeze cu 800 V mai degrabă decât 400 V în viitor.
Actualizare - 09.04.2019
Articolul a fost actualizat la 04.09.2019.