800V - Она што ви треба двоен напон за - производство на електрична енергија
Porsche Taycan Turbo S на IAA 2019
Високонапонскиот систем на повеќето електрични автомобили достапни денес се заснова на архитектура со системски напон од околу 400 волти. Сепак, со Aston Martin Rapid E, Porsche Taycan или Rimac C_Two, врвните електрични спортисти се во почетните блокови кои ја притискаат оваа граница на напон нагоре, дури и двојно повеќе. Но, кои се предностите на зголемената напнатост?
Двојно напнатост, двојно подобро? Воопшто не. Не е толку лесно да се реши оваа равенка. Сепак, зголемувањето на напонот има висок технички потенцијал. Погледот на развојот на хибридни и електрични возила во последниве години покажува зошто е технички потребно да се зголеми нивото на напон.
Класичен автомобил со мотор на согорување има само 12 V електричен систем. Во камионите, нивото на напон на мрежата на одборот е 24 волти. Првите возила со дополнителен 48-V електричен систем се веќе достапни денес. Напнатоста веќе е четирикратна во споредба со класичниот автомобил. За да се разбере оваа последица, вреди да се погледне пресметката на загубата на електрична енергија во кабел. Секој електричен спроводник има омски отпор, иако е мал. Омички отпори низ кои течат струите предизвикуваат загуби на топлина што се предизвикани од триење на атомско ниво. Отпорот на кабелот помножен со квадрат (!) Од струјата што тече низ кабелот резултира во загуба на електрична енергија. Важно е да се одржи ова што е можно пониско за да се зголеми ефикасноста на електричниот систем и на крајот да се минимизира потрошувачката на возилото.
Ако загубата на моќност во каблите треба да се намали, тогаш од една страна отпорноста на кабелот може да се намали со зголемување на пресекот или намалување на должината на линијата. Зголемувањето на пресекот, сепак, бара поголема количина на материјал (т.е. повеќе бакар), придружни повисоки трошоци, поголема тежина и поголеми побарувања за простор. Покрај тоа, потешко е да се постават дебели кабли околу кривините, бидејќи радиусот на свиткување се зголемува со зголемување на дебелината на кабелот. За возврат, има неповолност при интегрирање на кабелот во возилото.
Па, зошто да не ги подигнеме сите потрошувачи во возило на највисоко можно напонско ниво? Пред сè, безбедносните барања зборуваат против ова. На систем со висок напон му е потребна подобра изолација и заштита. За потрошувачите што треба да се снабдуваат само со мала моќност и низок напон, како што се погодни електрони и мултимедијални компоненти, доволна е мрежа од 12 V. Поголем напон не би понудил никакви предности тука.
Вреди да се зголеми напонот за потрошувачите кои за возврат постојано работат со голем излез во опсегот на киловати. Во хибридни и електрични возила, системите како климатизација, грејачи, електрични машини или генератори на стартери се поврзани со високонапонскиот или 48-V електричен систем.
Практичен пример: Електричен систем за климатизација со влезна моќност од 3 kW (киловат) е поврзан на единицата за складирање на енергија преку кабел долг 1 m со пресек од 10 mm². Бидејќи телото работи како повратен спроводник при напон под 60 V, тука се разгледува само линијата за напојување. Во високонапонските системи (напони поголеми од 60 V), од друга страна, линиите за напојување и враќање се одделени и изолирани од телото. Во електричниот систем на возилото од 12 V, загубата на моќност во кабелот ќе биде 107 W. Во 48-V мрежна мрежа, загубата на електрична енергија е веќе значително намалена на 7 W и во високо-напонска внатрешна мрежа со ниво на напон од 400 V дури и на помалку од 0,1 W - една промилја од 12 V количина.
Со цел да се одржи загубата на моќност во електричните спроводници што е можно пониско, зголемувањето на напонот е исклучително ефикасен метод.
Ајде сега да се фокусираме на споредбата на електричните возила со архитектура од 400 и 800 волти. Аргумент што често се споменува во овој контекст за 800 V е пократкото време на полнење. Затоа вреди да се погледне полнач со голема моќност (HPC). Овие „ултра-брзи полначи“, кои обезбедуваат моќност до полнење до 350 kW, се дизајнирани така што возилата можат да се полнат и со напон на системот 400 V и 800 V. На пример, станиците за полнење инсталирани од Ionity, можат да обезбедат максимална струја од 500 А. Максималната моќност на полнење за возило со максимален напон на батеријата 400 V е ограничена на 200 kW, под услов оваа струја да може да се апсорбира во возилото без да се прегреат контактите на приклучокот и каблите.
Ако го зголемите напонот на системот на 800 V, може да се пренесат до 400 kW моќност на полнење на возилото. Тука, сепак, моќноста на полнењето е ограничена со максималната моќност од 350 kW од точката на полнење HPC.
Во двата случаи, од друга страна, 500 А струја на полнење може да се гледа како возвишена цел, бидејќи таквите струи не можат лесно да се пренесат преку вообичаената високонапонска технологија за поврзување во возилото. И за оваа причина, каблите и приклучокот за полнење на колоните HPC се ладат со повеќе од 200 А.
| Астон Мартин Рапид Е. | 449 kW | приближно 800 V | Крај на 2019 година |
| Audi e-tron GT | 434 kW | приближно 800 V | Почетокот на 2021 година |
| Порше Тајкан | 460 - 560 kW | приближно 800 V | Крај на 2019 година |
| Римац Ц_Два | 1.408 kW | до 720 В. | веднаш |
| Пининфарина Батиста | > 1.400 kW | до 720 В. | 2020 година |
Гледањето на примерна станица за полнење HPC со кабел за полнење од 4m и пресек од 50 mm² на високонапонска линија за полнење (HV плус и HV минус) резултира во отпор на линијата од околу 1,5 mΩ по линија и вклучувајќи отпорност на контакт на конекторот. Со моќност на полнење од 150 kW, се јавуваат загуби од скоро 400 W во кабелот на станицата за полнење во случај на полнење од 400 V. Со 30-минутен процес на полнење, може да се каже дека високонапонските линии се под постојан товар и каблите и контактите стануваат соодветно жешки. Кога напонот е двојно зголемен, овие загуби се намалуваат на една четвртина како резултат на квадратната врска.
Кога се разгледува единствена станица за полнење HPC, може да се каже дека технологијата 800 V е неопходност за да може да се користи максималниот капацитет за полнење на инфраструктурата за полнење. Ова за возврат е предуслов за реализирање на пократки времиња на вчитување.
Ајде сега да го свртиме погледот во возилото. Како што веќе споменавме, рутирањето и дистрибуцијата на големи струи во возилото е предизвик. За разлика од колоната HPC, ладените приклучоци и кабли се спроведуваат само во прототипови. Каблите и контактите со приклучоци кои можат да издржат голема струја неколку минути се скапи и бараат поголем простор за инсталација. За да се одржат ниските загуби и придружната топлина, каблите мора да бидат соодветно густи. Ова, пак, доведува до недостатоци во „пакетот возила“ - тоа е геометрискиот распоред на возилото. Како што веќе беше споменато на почетокот, подебелите кабли не само што бараат повеќе простор, туку се и потешки за свиткување и со тоа се интегрираат во распоредот на возилото.
Во секој случај, загубите на линијата се „плаќаат“ двапати: еднаш при полнење и уште еднаш при празнење. Првите ги зголемуваат трошоците за полнење, а во вторите опсегот е намален, дури и ако влијанието врз вкупната потрошувачка на енергија при возење е мало. Сепак, загубите на линијата стануваат поважни кога често се бараат високи нивоа на моќност - и при полнење и при празнење. Ова е секако една од причините зошто првично излегуваат на пазарот електрични возила со високи перформанси со зголемени барања за достапност на моќност со архитектура од 800 V.
Да погледнеме повторно во апликацијата „полнење“: Често се претпоставува дека ќелиите можат да се полнат побрзо со повисок напон. При поблиска проверка, оваа претпоставка лесно може да се побие. Како пример може да се користи батеријата на Jaguar I-Pace или Audi e-tron. Двете возила имаат високонапонски системи од 400V напонска класа и батерии со 36 ќелии модули, секоја со инсталирани 12 ќелии. Cellsелиите, пак, се интегрирани во три „пакети“, секоја со четирикратно паралелно поврзување во ќелискиот модул. Тука се зборува за интерконекција во 4p3 (четири пати паралелен, три пати сериски). Бројот на сериски ќелии го дефинира нивото на напон на батеријата - а со тоа и на целиот високонапонски систем. И во Јагуар и во Ауди, сите 36 модули на ќелиите 3м3 се поврзани во серија, така што има вкупно поврзување од 4p108s на ниво на батеријата.
За да се создаде (хипотетичка) архитектура од 800 V од овие 400 V системи, потребно е само да се зголеми бројот на сериски ќелии и да се намали бројот на паралелни ќелии. Со 2p6s мобилен модул, батериите (сега со 2p216s врска) сега би имале повеќе од 800 V со инаку идентични димензии и идентичен број на ќелии.
Со цел да се полнат двете варијанти на батеријата со моќност на полнење од 200 kW, ова резултира со струја на полнење од 500 А во системот 400 V и 250 A во системот 800 V. Оваа струја на полнење е поделена на четири паралелно поврзани во ќелијскиот модул 4p3s Клетки, односно секоја ќелија се полни со 125 ампери. Во системот 800 V, струјата за полнење од 250 А е поделена помеѓу само две ќелии, кои, според тоа, исто така се полнат со 125 А. Ефективната струја на полнење по ќелија е независна од нивото на напон на целокупниот систем со постојан број на ќелии во батеријата.
Секоја ќелија има внатрешен отпор над кој опаѓа загубата на струја и при полнење и при празнење. Оваа загуба на моќност ја загрева ќелијата. Ако ќелијата стане премногу топла, таа мора да се олади или да се намали излезот. Како што веќе утврдивме, струјата што тече низ ќелија со иста моќност на полнење е 400 V или 800 V, без оглед на прашањето. Загубата на струја во ќелијата е идентична и во двата случаи.
Батеријата не се состои само од ќелии, туку и од шини и кабли што ги поврзуваат ќелиите и модулите на ќелиите едни со други. Овие треба да бидат што е можно помали за да има што е можно повеќе простор за ќелиите и со тоа да се зголеми енергијата и перформансите на батеријата. Тука се применуваат истите изјави што се веќе направени: Ако струјата е преполовена, се јавува само една четвртина од загубата на струја. Или да кажам поинаку: Дури и со двоен пресек на линијата, загубите на линиите во системот 400 V би биле двојно поголеми отколку во системот 800 V. Сепак, ова не треба да го крие фактот дека главните загуби при полнење и празнење на батеријата се случуваат директно на ќелиите. Вкупниот внатрешен отпор на ќелиите е брз за 15 до 50 пати поголем од вкупниот отпор на линијата во возилото. На ниски температури овој фактор се зголемува уште повеќе, бидејќи клетките тогаш имаат значително поголем внатрешен отпор. Спротивно на тоа, отпорот на линијата во бакарниот кабел дури и малку паѓа со паѓање на температурите.
Со цел да се намали времето на полнење на батеријата, важно е да се знае „најслабата алка“ во целокупниот систем. Ако ќелијата е веќе на својата граница во однос на потрошувачката на енергија, удвојувањето на напонот на системот со ист број на ќелии нема да има забележителен ефект. Ако моменталното оптоварување на каблите и приклучоците е тесно грло, но капацитетот на ќелијата сè уште не е исцрпен, зголемувањето на напонот на системот е соодветно средство за зголемување на брзината на полнење.
Помошните единици исто така треба да бидат дизајнирани конзистентно за соодветното ниво на напон со цел да се добијат предности во однос на тежината, просторот за инсталација и загубите на водоводот. Алтернативно, треба да се инсталираат дополнителни конвертори DC/DC за да се спојат компонентите што се дизајнирани за класа на напон 400 V со електричен систем од 800 V, што делумно се спротивставува на постигнатите предности.
На крајот на краиштата, се разбира, се поставува прашањето зошто 800 V не е веќе стандард кај сегашните електрични возила. Всушност, класата на напон од 400 V брзо се воспостави како стандард кај сите производители. Ова создаде широк пазар за компонентите на добавувачите, што пак резултира со пониски цени. Понатаму, повеќето од предностите на зголемениот напон се веќе зголемени со 400 V, како што покажува примерот на 3 kW компресорот за климатизација на почетокот. И на крај, но не и најважно, повисок системски напон доведува до зголемени побарувања за безбедноста на високонапонскиот систем. Како и да е, треба да се очекува дека електричните автомобили со високи перформанси ќе продолжат да работат со 800 V наместо 400 V во иднина.
Ажурирање - 09/04/2019
Написот е ажуриран на 04.09.2019 година.