800 В - для чого потрібна подвійна напруга - виробництво електроенергії
Porsche Taycan Turbo S на IAA 2019
Високовольтна система більшості доступних сьогодні електричних автомобілів базується на архітектурі із системною напругою близько 400 вольт. Однак з Aston Martin Rapid E, Porsche Taycan або Rimac C_Two у вихідних блоках знаходяться електричні спортсмени першого класу, які штовхають цю межу напруги вгору і навіть подвоюють її. Але в чому переваги підвищеної напруги?
Вдвічі більше напруги, вдвічі краще? Зовсім не. Розв’язати це рівняння не так просто. Однак збільшення напруги має високий технічний потенціал. Погляд на розвиток гібридних та електромобілів за останні роки показує, чому технічно необхідно підвищувати рівень напруги.
Класичний автомобіль з двигуном внутрішнього згоряння має лише електричну систему 12 В. У вантажних автомобілях рівень напруги бортової мережі становить 24 вольт. Перші машини з додатковою електричною системою 48 В вже сьогодні доступні. Напруга вже в чотири рази порівняно з класичним автомобілем. Щоб зрозуміти цей наслідок, варто поглянути на розрахунок втрат потужності в кабелі. Кожен електричний провідник має омічний опір, хоча і низький. Омічні опори, через які протікають струми, спричиняють втрати тепла, спричинені тертям на атомному рівні. Опір кабелю, помножений на квадрат (!) Струму, що проходить через кабель, призводить до втрати потужності. Важливо знижувати це якомога нижче, щоб підвищити ефективність електричної системи і, зрештою, мінімізувати споживання автомобіля.
Якщо втрати потужності в кабелях потрібно зменшити, то, з одного боку, опір кабелю можна зменшити, збільшивши перетин або зменшивши довжину лінії. Однак збільшення поперечного перерізу вимагає більшої кількості матеріалу (тобто більшої кількості міді), пов'язаних із цим більших витрат, більшої ваги та більших потреб у просторі. Крім того, складніше прокладати товсті кабелі навколо кривих, оскільки радіус вигину збільшується із збільшенням товщини кабелю. Це, в свою чергу, має недоліки при інтеграції кабелю в транспортний засіб.
То чому б не підняти всіх споживачів у транспортному засобі до максимально можливого рівня напруги? Насамперед вимоги безпеки говорять проти цього. Система з високою напругою потребує кращої ізоляції та захисту. Для споживачів, яким потрібно забезпечити лише низьку потужність та низьку напругу, такі як зручна електроніка та мультимедійні компоненти, достатньо бортової мережі 12 В. Більш висока напруга тут не дасть жодних переваг.
Варто збільшити напругу для споживачів, які в свою чергу постійно працюють з високою потужністю в діапазоні кіловат. Тому в гібридних та електричних транспортних засобах такі системи, як кондиціонер, обігрівачі, електричні машини або генератори стартерів, підключені до високовольтної або 48-В електричної системи.
Практичний приклад: Електрична система кондиціонування з вхідною потужністю 3 кВт (кіловати) підключається до накопичувача енергії за допомогою кабелю довжиною 1 м перетином 10 мм². Оскільки тіло діє як зворотний провідник при напрузі нижче 60 В, тут розглядається лише лінія живлення. У високовольтних системах (напруга більше 60 В), навпаки, лінії подачі та повернення відокремлені та ізольовані від корпусу. В електричній системі автомобіля на 12 В втрати потужності в кабелі становитимуть 107 Вт. У бортовій мережі з напругою 48 В втрати потужності вже значно зменшені до 7 Вт, а в бортовій мережі високої напруги з рівнем напруги 400 В навіть до менше 0,1 Вт - одна на тисячу з 12 В кількості.
Для того, щоб втрати потужності в електричних провідниках були якомога меншими, підвищення напруги є надзвичайно ефективним методом.
Зупинимося тепер на порівнянні електромобілів з 400-вольтовою та 800-вольтовою архітектурою. Аргументом, який часто згадується в цьому контексті для 800 В, є менший час зарядки. Тому варто поглянути на потужний зарядний пристрій (HPC). Ці "надшвидкі зарядні пристрої", що забезпечують зарядну потужність до 350 кВт, спроектовані таким чином, що транспортні засоби можуть заряджатися як на системній напрузі 400 В, так і на 800 В. Наприклад, зарядні станції, встановлені в даний час компанією Ionity, можуть забезпечувати максимальний струм 500 А. Максимальна потужність зарядки для автомобіля з максимальною напругою акумулятора 400 В обмежена до 200 кВт за умови, що цей струм може поглинатися в транспортному засобі без перегрівання контактів штекера та кабелів.
Якщо ви збільшите системну напругу до 800 В, до автомобіля може бути передана потужність до 400 кВт. Однак тут потужність зарядки обмежена максимальною потужністю 350 кВт точки зарядки HPC.
В обох випадках, з іншого боку, струм зарядки 500 А можна розглядати як високу мету, оскільки такі струми не можуть бути легко спрямовані за допомогою звичайної високовольтної технології підключення в транспортному засобі. З цієї причини кабелі та зарядний штекер на колонках HPC також охолоджуються понад 200 А.
| Aston Martin Rapid E. | 449 кВт | приблизно 800 В | Кінець 2019 року |
| Audi e-tron GT | 434 кВт | приблизно 800 В | На початку 2021 року |
| Porsche Taycan | 460 - 560 кВт | приблизно 800 В | Кінець 2019 року |
| Rimac C_Two | 1408 кВт | до 720 В | зразу |
| Пінінфаріна Баттіста | > 1400 кВт | до 720 В | 2020 рік |
Дивлячись на зразкову зарядну станцію HPC з 4-метровим зарядним кабелем і перерізом 50 мм² на високовольтну зарядну лінію (HV плюс і HV мінус), виходить опір лінії близько 1,5 мОм на лінію, включаючи контактний опір на роз'ємі. При потужності зарядки 150 кВт у кабелі зарядної станції виникають втрати майже 400 Вт у разі заряду 400 В. За 30-хвилинного процесу зарядки високовольтні лінії можуть бути постійно навантаженими, а кабелі та контакти відповідно нагріваються. Коли напруга подвоюється, ці втрати зменшуються - в результаті квадратичного співвідношення - до чверті.
Розглядаючи одну зарядну станцію HPC, можна сказати, що технологія 800 В є необхідною для того, щоб мати можливість використовувати максимальну зарядну потужність зарядної інфраструктури. Це, в свою чергу, є передумовою для реалізації коротшого часу завантаження.
Давайте тепер переведемо наш погляд на транспортний засіб. Як уже зазначалося, маршрутизація та розподіл сильних струмів у транспортному засобі є проблемою. На відміну від колонки HPC, охолоджувані штекери та кабелі реалізовані лише в прототипах. Кабелі та штепсельні контакти, які витримують сильний струм протягом декількох хвилин, дорогі і потребують більше місця для встановлення. Для того, щоб втрати та пов'язане з ними виробництво тепла були низькими, кабелі повинні бути виконані відповідно товстими. Це, в свою чергу, призводить до недоліків у "транспортному пакеті" - тобто геометричної компоновки транспортного засобу. Як уже згадувалося на початку, товсті кабелі не тільки вимагають більше місця, але їх також важче зігнути і, таким чином, інтегрувати в компоновку автомобіля.
У будь-якому випадку втрати на лінії «оплачуються» двічі: один раз при зарядці та ще раз при розряді. Перші збільшують витрати на зарядку, в останніх діапазон зменшується, навіть якщо вплив на загальне споживання енергії під час руху невеликий. Однак втрати на лінії стають важливішими, коли часто вимагають високих рівнів потужності - як при зарядці, так і при розряді. Це, безумовно, одна з причин, чому високопродуктивні електромобілі з підвищеними вимогами щодо доступності енергії з архітектурою 800 В спочатку виходять на ринок.
Давайте подивимось ще раз на додаток «зарядка»: Часто вважається, що елементи можуть заряджатися швидше за допомогою вищої напруги. Однак при детальному розгляді це припущення легко спростувати. Як приклад можна взяти акумулятор Jaguar I-Pace або Audi e-tron. Обидва транспортні засоби мають високовольтні системи класу напруги 400 В та акумулятори з 36 комірковими модулями, кожен із встановленими 12 елементами. У свою чергу, комірки інтегровані у три "пакети", кожна з яких має чотириразове паралельне з'єднання в модулі комірки. Тут говориться про взаємозв'язок за 4p3 с (чотириразовий паралельний, трикратний послідовний). Кількість послідовних комірок визначає рівень напруги акумулятора - і, отже, всієї високовольтної системи. Як в Jaguar, так і в Audi, усі 36 модулів 4p3s стільникових елементів підключені послідовно, так що загальний зв’язок становить 4p108s на рівні акумулятора.
Щоб створити (гіпотетичну) архітектуру 800 В з цих систем 400 В, необхідно лише збільшити кількість послідовних комірок і зменшити кількість паралельних комірок. З модулем комірки 2p6s батареї (тепер із підключенням 2p216s) тепер мали б більше 800 В з інакшими ідентичними розмірами та однаковим числом елементів.
Для того, щоб зарядити обидва варіанти акумуляторів потужністю зарядки 200 кВт, це дає зарядний струм 500 А в системі 400 В і 250 А в системі 800 В. Цей струм зарядки ділиться на чотири паралельно підключені в модулі комірки 4p3s Клітини, тобто кожна клітина заряджається 125 амперами. У системі 800 В струм зарядки 250 А розподіляється між двома елементами, які тому також заряджаються 125 А. Тому ефективний струм зарядки на осередок не залежить від рівня напруги загальної системи з постійною кількістю осередків у акумуляторі.
Кожна комірка має внутрішній опір, через який втрати потужності падають як під час зарядки, так і при розряді. Ця втрата потужності розігріває клітину. Якщо клітина стає занадто теплою, її потрібно охолодити або зменшити вихід. Як ми вже встановили, струм, який протікає через комірку з однаковою потужністю зарядки, становить 400 В або 800 В., незалежно від питання. Втрати потужності в комірці однакові в обох випадках.
Акумулятор складається не тільки з комірок, але також із шин і кабелів, які з'єднують комірки та модулі комірок між собою. Вони повинні бути якомога меншими, щоб для комірок було доступно якомога більше місця, а отже, енергія та продуктивність батареї можуть бути збільшені. Тут застосовуються ті самі твердження, які вже були зроблені: Якщо струм зменшується вдвічі, відбувається лише чверть втрат потужності. Або по-іншому: навіть якби перетин кабелю подвоїли, втрати кабелю в системі 400 В були б вдвічі більшими, ніж у системі 800 В. Однак це не повинно приховувати того факту, що основні втрати під час зарядки та розрядки в акумуляторі відбуваються безпосередньо на елементах. Загальний внутрішній опір комірок швидко в 15-50 разів перевищує загальний опір лінії в транспортному засобі. При низьких температурах цей фактор ще більше зростає, оскільки клітини тоді мають значно вищий внутрішній опір. На відміну від цього, опір лінії в мідному кабелі навіть незначно падає при падінні температури.
Для того, щоб зменшити час зарядки акумулятора, важливо знати «найслабшу ланку» загальної системи. Якщо комірка вже на межі енергетичного споживання, подвоєння напруги системи з такою ж кількістю комірок не матиме помітного ефекту. Якщо поточне навантаження кабелів та з'єднувачів є вузьким місцем, але ємність елемента ще не вичерпана, підвищення системної напруги є адекватним засобом збільшення швидкості зарядки.
Допоміжні блоки також повинні бути спроектовані послідовно для відповідного рівня напруги, щоб отримати переваги щодо ваги, простору установки та втрат лінії. В якості альтернативи потрібно було б встановити додаткові перетворювачі постійного струму/постійного струму, щоб з'єднати компоненти, розраховані на клас напруги 400 В, із бортовою електричною системою 800 В, що частково протиставляє досягнутим перевагам.
Зрештою, звичайно, виникає питання, чому 800 В ще не є стандартом для сучасних електромобілів. Насправді клас напруги 400 В швидко зарекомендував себе як стандарт для всіх виробників. Це створило широкий ринок комплектуючих постачальників, що в свою чергу призводить до зниження цін. Крім того, більшість переваг підвищеної напруги вже збільшуються на 400 В, як показує приклад компресора кондиціонера потужністю 3 кВт, пояснений на початку. Нарешті, але не менш важливим є те, що більша напруга системи призводить до підвищених вимог до безпеки високовольтної системи. Тим не менш, можна очікувати, що високопродуктивні електромобілі надалі працюватимуть з напругою 800, а не 400 В.
Оновлення - 04.04.2019
Стаття оновлена 04.09.2019.