800V - За какво ви е необходимо двойно напрежение - производство на електричество
Porsche Taycan Turbo S на IAA 2019
Системата за високо напрежение на повечето електрически автомобили, които се предлагат днес, се основава на архитектура със системно напрежение около 400 волта. Въпреки това, с Aston Martin Rapid E, Porsche Taycan или Rimac C_Two има първокласни електрически спортисти в стартовите блокове, които бутат тази граница на напрежението нагоре, дори я удвояват. Но какви са предимствата на повишеното напрежение?
Два пъти напрежението, два пъти по-добро? Въобще не. Не е толкова лесно да се реши това уравнение. Увеличаването на напрежението обаче има висок технически потенциал. Поглед върху развитието на хибридни и електрически превозни средства през последните години показва защо е технически необходимо да се повиши нивото на напрежението.
Класически автомобил с двигател с вътрешно горене има само 12 V електрическа система. При камионите нивото на напрежение на бордовата мрежа е 24 волта. Първите превозни средства с допълнителна 48-V електрическа система вече са на разположение днес. Напрежението вече се е увеличило четирикратно в сравнение с класически автомобил. За да разберете тази последица, струва си да разгледате изчислението на загубата на мощност в кабел. Всеки електрически проводник има омично съпротивление, макар и ниско. Омичните съпротивления, през които протичат течения, причиняват топлинни загуби, причинени от триене на атомно ниво. Съпротивлението на кабела, умножено по квадрата (!) На тока, протичащ през кабела, води до загуба на мощност. Важно е да поддържате това възможно най-ниско, за да увеличите ефективността на електрическата система и в крайна сметка да сведете до минимум разхода на автомобила.
Ако загубата на мощност в кабелите трябва да бъде намалена, тогава, от една страна, съпротивлението на кабела може да бъде намалено чрез увеличаване на напречното сечение или намаляване на дължината на линията. Увеличаването на напречното сечение обаче изисква по-голямо количество материал (т.е. повече мед), свързано с по-високи разходи, по-голямо тегло и по-големи изисквания за пространство. Освен това е по-трудно да се полагат дебели кабели около кривите, тъй като радиусът на огъване се увеличава с увеличаване на дебелината на кабела. Това от своя страна има недостатъци при интегриране на кабела в автомобила.
И така, защо да не вдигнете всички потребители в превозно средство до възможно най-високото ниво на напрежение? Преди всичко изискванията за безопасност говорят против това. Високоволтовата система се нуждае от по-добра изолация и защита. За потребители, които трябва да се захранват само с ниска мощност и ниско напрежение, като удобна електроника и мултимедийни компоненти, е достатъчна 12 V бордова мрежа. По-високото напрежение няма да предложи никакви предимства тук.
Струва си да се увеличи напрежението за потребители, които от своя страна работят непрекъснато с висока мощност в диапазона на киловата. Следователно в хибридни и електрически превозни средства системи като климатизация, нагреватели, електрически машини или стартерни генератори са свързани към електрическата система с високо напрежение или 48 V.
Практически пример: Електрическа климатична система с 3 kW (киловата) входна мощност е свързана към блока за съхранение на енергия чрез кабел с дължина 1 m с напречно сечение 10 mm². Тъй като тялото действа като връщащ проводник при напрежения под 60 V, тук се разглежда само захранващата линия. В системите с високо напрежение (напрежения над 60 V), от друга страна, захранващите и връщащите линии са отделни и изолирани от корпуса. В 12 V електрическа система на автомобила загубата на мощност в кабела ще бъде 107 W. В 48-V бордова мрежа загубата на мощност вече е значително намалена до 7 W, а в бордова мрежа с високо напрежение с ниво на напрежение 400 V дори до по-малко от 0,1 W - една на хиляда от количеството 12 V.
За да се запазят загубите на мощност в електрическите проводници възможно най-ниски, увеличаването на напрежението е изключително ефективен метод.
Нека сега се съсредоточим върху сравнението на електрическите превозни средства с 400-волтова и 800-волтова архитектура. Аргумент, който често се споменава в този контекст за 800 V, е по-краткото време за зареждане. Следователно си струва да разгледаме зарядно устройство с висока мощност (HPC). Тези "свръхбързи зарядни устройства", които осигуряват до 350 kW мощност на зареждане, са проектирани така, че автомобилите да могат да се зареждат както с 400 V, така и с 800 V системно напрежение. Зарядните станции, инсталирани в момента от Ionity, например, могат да осигурят максимален ток от 500 А. Максималната мощност на зареждане за превозно средство с максимално напрежение на батерията 400 V е ограничена до 200 kW, при условие че този ток може да бъде погълнат в автомобила, без контактите на щепсела и кабелите да се прегрят.
Ако увеличите системното напрежение до 800 V, до 400 kW мощност за зареждане може да бъде прехвърлена към автомобила. Тук обаче мощността на зареждане е ограничена от максималната мощност от 350 kW на точката за зареждане на HPC.
И в двата случая, от друга страна, токът за зареждане 500 A може да се разглежда като висока цел, тъй като такива токове не могат лесно да бъдат проведени чрез обичайната технология за свързване на високо напрежение в автомобила. Поради тази причина кабелите и щепселът за зареждане на HPC колоните се охлаждат с повече от 200 А.
| Aston Martin Rapid E. | 449 kW | около 800 V | Край на 2019 г. |
| Audi e-tron GT | 434 kW | около 800 V | В началото на 2021г |
| Porsche Taycan | 460 - 560 kW | около 800 V | Край на 2019 г. |
| Rimac C_Two | 1 408 kW | до 720 V | веднага |
| Pininfarina Battista | > 1400 kW | до 720 V | 2020 г. |
Разглеждането на примерна станция за зареждане на HPC с 4m кабел за зареждане и напречно сечение от 50 mm² на линия за зареждане с високо напрежение (HV плюс и HV минус) води до съпротивление на линията от около 1,5 mΩ на линия, включително контактно съпротивление на конектора. При мощност на зареждане от 150 kW в кабела на зарядната станция възникват загуби от почти 400 W в случай на зареждане от 400 V. При 30-минутен процес на зареждане за високоволтовите линии може да се каже, че са под постоянно натоварване и кабелите и контактите се нагряват съответно. Когато напрежението се удвои, тези загуби се намаляват - в резултат на квадратичната връзка - до една четвърт.
Разглеждайки една единствена станция за зареждане HPC, може да се каже, че 800 V технология е необходимост, за да може да се използва максималният капацитет за зареждане на инфраструктурата за зареждане. Това от своя страна е предпоставка за реализиране на по-кратко време за зареждане.
Нека сега насочим погледа си към превозното средство. Както вече споменахме, маршрутизирането и разпределението на силни токове в автомобила е предизвикателство. За разлика от колоната HPC, охладените щепсели и кабели се прилагат само в прототипи. Кабелите и контактите, които могат да издържат на силен ток в продължение на няколко минути, са скъпи и изискват повече място за инсталиране. За да се запазят загубите и свързаното с тях производство на топлина ниски, кабелите трябва да бъдат направени съответно дебели. Това от своя страна води до недостатъци в "пакета превозни средства" - тоест геометричното оформление на превозното средство. Както бе споменато в началото, по-дебелите кабели не само изискват повече пространство, но и са по-трудни за огъване и по този начин за интегриране в оформлението на автомобила.
Във всеки случай линейните загуби се "плащат" два пъти: веднъж при зареждане и още веднъж при разреждане. Първите увеличават разходите за зареждане, при вторите обхватът е намален, дори ако влиянието върху общия разход на енергия при шофиране е малко. Линейните загуби обаче стават по-важни, когато често се изискват високи нива на мощност - както при зареждане, така и при разреждане. Това със сигурност е една от причините, поради които първоначално на пазара излизат високоефективни електрически превозни средства с повишени изисквания за наличност на енергия с 800 V архитектура.
Нека разгледаме още веднъж приложението „зареждане“: Често се приема, че клетките могат да се зареждат по-бързо с по-високо напрежение. При по-внимателно разглеждане обаче това предположение може лесно да бъде опровергано. Като пример може да се използва батерията на Jaguar I-Pace или Audi e-tron. И двете превозни средства имат системи за високо напрежение от клас 400V напрежение и батерии с 36 клетъчни модула, всеки с инсталирани 12 клетки. От своя страна клетките са интегрирани в три „пакета“, всеки с четирикратна паралелна връзка в клетъчния модул. Тук се говори за взаимосвързаност в 4p3s (четирикратен паралелен, трикратен сериен). Броят на серийните клетки определя нивото на напрежение на батерията - и по този начин на цялата система за високо напрежение. Както при Jaguar, така и при Audi, всичките 36 4p3s клетъчни модула са свързани последователно, така че има обща връзка от 4p108s на нивото на батерията.
За да се създаде (хипотетична) 800 V архитектура от тези 400 V системи, е необходимо само да се увеличи броят на серийните клетки и да се намали броят на паралелните клетки. В случай на 2p6s клетъчен модул, батериите (сега с 2p216s връзка) вече биха имали повече от 800 V с иначе еднакви размери и същия брой клетки.
За да се заредят двата варианта на батерията с капацитет за зареждане от 200 kW, това води до заряден ток от 500 A в системата 400 V и 250 A в системата 800 V. Този заряден ток е разделен на четирите свързани паралелно в 4p3s клетъчен модул Клетките включени, т.е. всяка клетка се зарежда със 125 А. В системата 800 V зарядният ток от 250 А е разделен само на две клетки, които следователно се зареждат и със 125 А. Следователно ефективният ток на зареждане на клетка е независим от нивото на напрежение на цялостната система с постоянен брой клетки в батерията.
Всяка клетка има вътрешно съпротивление, при което загубата на мощност спада както по време на зареждане, така и при разреждане. Тази загуба на мощност загрява клетката. Ако клетката стане твърде топла, тя трябва да се охлади или изходът да се намали. Както вече установихме, токът, който протича през клетка със същата мощност на зареждане, е 400 V или 800 V., независимо от въпроса. Загубата на мощност в клетката е идентична и в двата случая.
Батерията се състои не само от клетки, но и от шини и кабели, които свързват клетките и клетъчните модули помежду си. Те трябва да са възможно най-малки, за да има на разположение колкото е възможно повече място за клетките и по този начин енергията и производителността на батерията могат да бъдат увеличени. Тук важат същите твърдения, които вече са направени по-рано: Ако токът се намали наполовина, настъпва само една четвърт от загубата на мощност. Или казано по друг начин: Дори ако напречното сечение на кабела се удвои, загубите на кабели в 400 V система биха били два пъти по-големи от тези в 800 V система. Това обаче не трябва да крие факта, че основните загуби по време на зареждане и разреждане в батерията възникват директно върху клетките. Общото вътрешно съпротивление на клетките бързо е 15 до 50 пъти по-голямо от общото съпротивление на линията в превозното средство. При ниски температури този фактор се увеличава още повече, тъй като клетките след това имат значително по-високо вътрешно съпротивление. От друга страна, съпротивлението на линията в медния кабел дори леко пада при падащи температури.
За да се намали времето за зареждане на батерията, е важно да се знае „най-слабото звено“ в цялостната система. Ако клетката вече е на границата си по отношение на консумацията на енергия, удвояването на системното напрежение със същия брой клетки няма да има забележим ефект. Ако текущото натоварване на кабелите и съединителите е пречка, но капацитетът на клетката все още не е изчерпан, увеличаването на системното напрежение е адекватно средство за увеличаване на скоростта на зареждане.
Допълнителните устройства също трябва да бъдат проектирани последователно за съответното ниво на напрежение, за да се получат предимства по отношение на теглото, пространството за инсталиране и загубите на линията. Като алтернатива, ще трябва да се инсталират допълнителни DC/DC преобразуватели, за да се свържат компоненти, които са проектирани за клас на напрежение 400 V, към 800 V бордова електрическа система, което частично противодейства на постигнатите предимства.
В крайна сметка, разбира се, възниква въпросът защо 800 V вече не е стандарт в сегашните електрически превозни средства. Всъщност класът на напрежение 400 V бързо се утвърди като стандарт за всички производители. Това създаде широк пазар за компоненти на доставчика, което от своя страна води до по-ниски цени. Освен това повечето предимства на увеличеното напрежение вече са увеличени с 400 V, както показва примерът с компресора за климатизация от 3 kW, обяснен в началото. Не на последно място, по-високото напрежение в системата води до повишени изисквания за безопасност на системата за високо напрежение. Независимо от това, може да се очаква, че електрическите автомобили с висока производителност ще продължат да работят с 800 V, а не с 400 V.
Актуализация - 04.04.2019
Статията е актуализирана на 04.09.2019.