800 V - na čo potrebujete dvojnásobné napätie - výroba elektriny
Porsche Taycan Turbo S na IAA 2019
Vysokonapäťový systém väčšiny dnes dostupných elektromobilov je založený na architektúre so systémovým napätím okolo 400 voltov. S Aston Martin Rapid E, Porsche Taycan alebo Rimac C_Two sú však v štartovacích blokoch špičkoví elektrickí športovci, ktorí túto hranicu napätia posúvajú smerom nahor a dokonca ju zdvojnásobujú. Aké sú však výhody zvýšeného napätia?
Dvojnásobné napätie, dvakrát také dobré? Vôbec nie. Nie je také ľahké vyriešiť túto rovnicu. Zvyšovanie napätia má však vysoký technický potenciál. Pohľad na vývoj hybridných a elektrických vozidiel v posledných rokoch ukazuje, prečo je technicky nevyhnutné zvýšiť úroveň napätia.
Klasické auto so spaľovacím motorom má iba 12 V elektrický systém. V nákladných vozidlách je úroveň napätia v palubnej sieti 24 voltov. Prvé vozidlá s prídavným 48-V elektrickým systémom sú už k dispozícii dnes. Napätie sa v porovnaní s klasickým autom už zvýšilo štvornásobne. Aby sme pochopili tento dôsledok, stojí za to sa pozrieť na výpočet straty výkonu v kábli. Každý elektrický vodič má ohmický odpor, aj keď nízky. Ohmické odpory, cez ktoré pretekajú prúdy, spôsobujú tepelné straty, ktoré sú spôsobené trením na atómovej úrovni. Odpor kábla vynásobený druhou mocninou (!) Prúdu pretekajúceho káblom vedie k strate výkonu. Je dôležité udržiavať toto na čo najnižšej úrovni, aby sa zvýšila účinnosť elektrického systému a v konečnom dôsledku minimalizovala spotreba vozidla.
Ak sa má znížiť strata výkonu v kábloch, potom je možné na jednej strane znížiť odpor kábla zväčšením prierezu alebo skrátením dĺžky vedenia. Zväčšenie prierezu si však vyžaduje väčšie množstvo materiálu (t. J. Viac medi), s tým spojené vyššie náklady, vyššiu hmotnosť a väčšie nároky na priestor. Okrem toho je ťažšie položiť hrubé káble okolo oblúkov, pretože s rastúcou hrúbkou kábla sa zvyšuje polomer ohybu. To má zase nevýhody pri integrácii kábla do vozidla.
Prečo teda nezvýšiť všetkých spotrebiteľov vo vozidle na čo najvyššiu úroveň napätia? Proti tomu hovoria predovšetkým bezpečnostné požiadavky. Systém s vysokým napätím vyžaduje lepšiu izoláciu a ochranu. Pre spotrebiteľov, ktorí musia byť napájaní iba nízkym napätím a nízkym napätím, ako je napríklad pohodlná elektronika a multimediálne komponenty, stačí palubná sieť 12 V. Vyššie napätie by tu neprinášalo žiadne výhody.
Stojí za to zvýšiť napätie pre spotrebiteľov, ktorí sú zase neustále prevádzkovaní s vysokým výkonom v rozsahu kilowattov. V hybridných a elektrických vozidlách sú preto systémy ako klimatizácia, kúrenie, elektrické stroje alebo štartovacie generátory pripojené k vysokonapäťovému alebo 48-V elektrickému systému.
Praktický príklad: Elektrický klimatizačný systém s príkonom 3 kW (kilowatt) je pripojený k akumulačnej jednotke pomocou kábla dlhého 1 m s prierezom 10 mm². Pretože teleso funguje ako spätný vodič pri napätí pod 60 V, uvažuje sa tu iba s napájacím vedením. Vo vysokonapäťových systémoch (napätie vyššie ako 60 V) sú naopak napájacie a spätné vedenia oddelené a izolované od tela. V 12 V elektrickom systéme vozidla by strata výkonu v kábli bola 107 W. V 48-V palubnej sieti je strata energie už výrazne znížená na 7 W a vo vysokonapäťovej palubnej sieti s úrovňou napätia 400 V dokonca na menej ako 0,1 W - tisíc z hodnoty 12 V.
Z dôvodu udržania čo najmenšej straty energie v elektrických vodičoch je zvýšenie napätia mimoriadne efektívnym spôsobom.
Zamerajme sa teraz na porovnanie elektrických vozidiel s architektúrou 400 voltov a 800 voltov. Argumentom, ktorý sa v tejto súvislosti často uvádza pre 800 V, je kratšia doba nabíjania. Preto stojí za to pozrieť sa na vysokovýkonnú nabíjačku (HPC). Tieto „ultrarýchle nabíjačky“, ktoré poskytujú nabíjací výkon až 350 kW, sú navrhnuté tak, aby bolo možné vozidlá nabíjať systémovým napätím 400 V aj 800 V. Napríklad nabíjacie stanice, ktoré v súčasnosti inštaluje spoločnosť Ionity, môžu poskytnúť maximálny prúd 500 A. Maximálny nabíjací výkon pre vozidlo s maximálnym napätím batérie 400 V je obmedzené na 200 kW za predpokladu, že tento prúd môže byť absorbovaný vo vozidle bez prehriatia kontaktov a káblov.
Ak zvýšite systémové napätie na 800 V, môže sa na vozidlo preniesť nabíjací výkon až 400 kW. Tu je však nabíjací výkon obmedzený maximálnym výkonom 350 kW nabíjacieho bodu HPC.
V obidvoch prípadoch sa na druhej strane na nabíjací prúd 500 A dá pozerať ako na vysoký cieľ, pretože tieto prúdy nie je možné ľahko smerovať pomocou obvyklej vysokonapäťovej spojovacej technológie vo vozidle. Aj z tohto dôvodu sú káble a nabíjacia zástrčka na stĺpoch HPC chladené viac ako 200 A.
| Aston Martin Rapid E. | 449 kW | približne 800 V | Koniec roka 2019 |
| Audi e-tron GT | 434 kW | približne 800 V | Začiatkom roku 2021 |
| Porsche Taycan | 460 - 560 kW | približne 800 V | Koniec roka 2019 |
| Rimac C_Two | 1 408 kW | až 720 V | hneď |
| Pininfarina Battista | > 1 400 kW | až 720 V | 2020 |
Pohľad na príkladnú nabíjaciu stanicu HPC s nabíjacím káblom 4 m a prierezom 50 mm² na vysokonapäťové nabíjacie vedenie (HV-Plus a HV-Minus) vedie k odporu vedenia približne 1,5 mΩ na vedenie a vrátane kontaktného odporu na konektore. Pri nabíjacom výkone 150 kW dochádza v prípade nabíjania 400 V k strate takmer 400 W v kábli nabíjacej stanice. Pri 30-minútovom nabíjaní sa dá povedať, že vedenia vysokého napätia sú neustále zaťažené a že káble a kontakty sa zodpovedajúcim spôsobom zahrievajú. Keď sa napätie zdvojnásobí, tieto straty sa znížia - v dôsledku kvadratického vzťahu - na štvrtinu.
Pri zvažovaní jednej nabíjacej stanice HPC možno povedať, že 800 V technológia je nevyhnutnosťou, aby bolo možné využívať maximálnu nabíjaciu kapacitu nabíjacej infraštruktúry. To je zase predpokladom na realizáciu kratších časov načítania.
Poďme teraz obrátiť svoj pohľad do vozidla. Ako už bolo uvedené, smerovanie a distribúcia vysokých prúdov vo vozidle je výzvou. Na rozdiel od HPC kolóny sú chladené konektory a káble implementované iba v prototypoch. Káble a kontakty, ktoré dokážu niekoľko minút odolávať veľkým prúdom, sú drahé a vyžadujú viac miesta na inštaláciu. Aby boli straty a súvisiace vytváranie tepla nízke, musia byť káble vyrobené zodpovedajúcim spôsobom hrubé. To následne vedie k nevýhodám v „balíku vozidiel“ - teda v geometrickom usporiadaní vozidla. Ako už bolo spomenuté na začiatku, hrubšie káble nielenže vyžadujú viac miesta, ale aj ťažšie sa ohýbajú, a teda integrujú do usporiadania vozidla.
Za straty na linkách sa v každom prípade „platí“ dvakrát: raz pri nabíjaní a ešte raz pri vybíjaní. Prvý spôsobí zvýšenie nákladov na nabíjanie, druhým sa dojazd zníži, aj keď je vplyv na celkovú spotrebu energie pri jazde malý. Straty na linke však nadobúdajú na význame, keď sa často vyžaduje vysoká úroveň výkonu - pri nabíjaní aj vybíjaní. To je určite jeden z dôvodov, prečo na trh pôvodne prichádzajú vysokovýkonné elektrické vozidlá so zvýšenými požiadavkami na dostupnosť energie s 800 V architektúrou.
Pozrime sa ešte raz na aplikáciu „nabíjania“: Často sa predpokladá, že články sa dajú rýchlejšie nabíjať vyšším napätím. Pri bližšom skúmaní však možno tento predpoklad ľahko vyvrátiť. Ako príklad možno uviesť batériu Jaguar I-Pace alebo Audi e-tron. Obe vozidlá majú vysokonapäťové systémy triedy 400 V a batérie s 36 článkovými modulmi, z ktorých každý má nainštalovaných 12 článkov. Bunky sú zasa všetky integrované do troch „balíkov“, z ktorých každé má štvornásobné paralelné pripojenie v bunkovom module. Jeden tu hovorí o prepojení v 4p3 (štvornásobné paralelné, trojnásobné sériové). Počet sériových článkov definuje úroveň napätia batérie - a teda celého vysokonapäťového systému. V modeloch Jaguar a Audi je všetkých 36 bunkových modulov s rozlíšením 4 mp3 spojené do série, takže na úrovni batérie je celkovo 4p108.
Na vytvorenie (hypotetickej) 800 V architektúry z týchto 400 V systémov je potrebné iba zvýšiť počet sériových buniek a znížiť počet paralelných buniek. Vďaka bunkovému modulu 2p6s by batérie (teraz s pripojením 2p216s) mali teraz viac ako 800 V s inak identickými rozmermi a rovnakým počtom článkov.
Aby bolo možné nabíjať obidva varianty batérií nabíjacím výkonom 200 kW, bude to mať za následok nabíjací prúd 500 A v systéme 400 V a 250 A. V systéme 800 V. Tento nabíjací prúd sa rozdelí na štyri paralelne zapojené v článku s rozlíšením 4 mp3. Články, tj. Každý článok je nabitý prúdom 125 A. V systéme 800 V je nabíjací prúd 250 A rozdelený iba medzi dva články, ktoré sú preto nabité aj 125 A. Efektívny nabíjací prúd na článok je preto nezávislý od úrovne napätia v celom systéme s konštantným počtom článkov v batérii.
Každý článok má vnútorný odpor, nad ktorým klesá strata energie počas nabíjania aj vybíjania. Táto strata výkonu zohrieva bunku. Ak sa článok príliš zahreje, musí sa ochladiť alebo znížiť výkon. Ako sme už zistili, prúd, ktorý preteká článkom s rovnakým nabíjacím výkonom, je bez ohľadu na otázku 400 V alebo 800 V. Strata výkonu v článku je v obidvoch prípadoch rovnaká.
Batéria pozostáva nielen z článkov, ale aj z prípojníc a káblov, ktoré navzájom spájajú články a moduly článkov. Mali by byť čo najmenšie, aby bolo pre články k dispozícii čo najviac miesta, a tak bolo možné zvýšiť energiu a výkon batérie. Aj tu platia rovnaké tvrdenia: Ak je prúd polovičný, dôjde iba k štvrtine straty napájania. Alebo inak: Aj keby sa prierez kábla zdvojnásobil, boli by straty kábla v systéme 400 V dvakrát vyššie ako v systéme 800 V. To by však nemalo zakrývať skutočnosť, že hlavné straty počas nabíjania a vybíjania batérie sa vyskytujú priamo na článkoch. Celkový vnútorný odpor článkov je rýchlo 15 až 50-krát vyšší ako celkový líniový odpor vo vozidle. Pri nízkych teplotách sa tento faktor ešte zvyšuje, pretože bunky majú potom výrazne vyšší vnútorný odpor. Naproti tomu odpor vedenia v medenom kábli pri klesajúcich teplotách dokonca mierne klesá.
Aby sa skrátila doba nabíjania batérie, je dôležité poznať „najslabší článok“ v celom systéme. Ak je článok už na hranici spotreby energie, zdvojnásobenie systémového napätia pri rovnakom počte článkov nebude mať znateľný vplyv. Ak je prekážkou súčasné zaťaženie káblov a konektorov, ale kapacita článku ešte nie je vyčerpaná, je zvýšenie napätia v systéme adekvátnym prostriedkom na zvýšenie rýchlosti nabíjania.
V tejto súvislosti by pomocné jednotky mali byť tiež dôsledne navrhnuté pre zodpovedajúcu úroveň napätia, aby sa získali výhody, pokiaľ ide o hmotnosť, priestor inštalácie a straty v linke. Alternatívne by bolo potrebné inštalovať ďalšie konvertory DC/DC, aby sa mohli spojiť komponenty navrhnuté pre 400 V napäťovú triedu s palubným elektrickým systémom 800 V, čo čiastočne čelí dosiahnutým výhodám.
V konečnom dôsledku samozrejme vyvstáva otázka, prečo 800 V už nie je v súčasných elektrických vozidlách štandardom. Trieda napätia 400 V sa v skutočnosti rýchlo etablovala ako štandard u všetkých výrobcov. Týmto sa vytvoril široký trh s dodávateľskými komponentmi, čo malo za následok nižšie ceny. Ďalej je väčšina výhod zvýšeného napätia zvýšená už pri 400 V, ako to ukazuje príklad 3 kW klimatizačného kompresora vysvetlený na začiatku. V neposlednom rade vyššie napätie v systéme vedie k zvýšeným požiadavkám na bezpečnosť vysokonapäťového systému. Napriek tomu sa dá očakávať, že vysoko výkonné elektromobily budú v budúcnosti naďalej pracovať s napätím 800 V namiesto 400 V.
Aktualizácia - 4. 4. 2019
Článok bol aktualizovaný 04.09.2019.