800 V - Amire szüksége van a duplájára, a villamos energia előállításához
Porsche Taycan Turbo S az IAA 2019-en
A ma kapható elektromos autók nagy részének nagyfeszültségű rendszere egy 400 volt körüli rendszerfeszültségű architektúrán alapul. Az Aston Martin Rapid E, a Porsche Taycan vagy a Rimac C_Two együttesével azonban a csúcskategóriás elektromos sportolók vannak a kezdő blokkokban, akik ezt a feszültséghatárt felfelé tolják, sőt megduplázzák. De milyen előnyei vannak a fokozott feszültségnek?
Kétszer nagyobb a feszültség, kétszer olyan jó? Egyáltalán nem. Nem olyan egyszerű megoldani ezt az egyenletet. A feszültség növelése azonban nagy technikai potenciállal rendelkezik. Egy pillantás a hibrid és elektromos járművek fejlődésére az elmúlt években megmutatja, miért van szükség műszakilag a feszültségszint növelésére.
Egy klasszikus, belső égésű motorral rendelkező autó csak 12 V-os elektromos rendszerrel rendelkezik. Teherautókban a fedélzeti hálózat feszültségszintje 24 volt. Az első további 48 V-os elektromos rendszerrel rendelkező járművek ma már kaphatók. A feszültség már megnégyszereződött egy klasszikus autóhoz képest. Ennek a következménynek a megértése érdekében érdemes megnézni a kábel teljesítményveszteségének kiszámítását. Minden elektromos vezetőnek van ohmos ellenállása, bár alacsony. Az ommi ellenállások, amelyeken keresztül az áram folyik, hőveszteséget okoznak, amelyet az atom szintű súrlódás okoz. A kábel ellenállása szorozva a kábelen keresztül áramló áram négyzetével (!) Áramveszteséget okoz. Fontos, hogy ezt a lehető legalacsonyabban tartsuk az elektromos rendszer hatékonyságának növelése és végső soron a jármű fogyasztásának minimalizálása érdekében.
Ha csökkenteni kell a kábelek áramveszteségét, akkor egyrészt a kábel ellenállása csökkenthető a keresztmetszet növelésével vagy a vezeték hosszának csökkentésével. A keresztmetszet növekedéséhez azonban nagyobb anyagmennyiségre (azaz több rézre) van szükség, magasabb költségekkel, nagyobb tömeggel és nagyobb helyigénnyel. Ezenkívül nehezebb vastag kábeleket fektetni az ívek köré, mivel a kábel vastagságának növekedésével nő a hajlítási sugár. Ennek viszont hátrányai vannak, amikor a kábelt beépítik a járműbe.
Akkor miért ne emelné a jármű összes fogyasztóját a lehető legmagasabb feszültségszintre? Mindenekelőtt a biztonsági követelmények szólnak ez ellen. A nagyfeszültségű rendszereknek jobb szigetelésre és védelemre van szükségük. Azoknak a fogyasztóknak, akiknek csak kis áramot és alacsony feszültséget kell biztosítaniuk, például kényelmi elektronikát és multimédiás alkatrészeket, elegendő egy 12 V-os fedélzeti hálózat. A nagyobb feszültség itt nem jelentene előnyöket.
Érdemes növelni a fogyasztók feszültségét, akik viszont folyamatosan, nagy teljesítmény mellett működnek a kilowatt-tartományban. A hibrid és az elektromos járművekben olyan rendszerek, mint a légkondicionáló, a fűtőberendezések, az elektromos gépek vagy az indítógenerátorok, ezért a nagyfeszültségű vagy 48 V-os elektromos rendszerhez vannak csatlakoztatva.
Gyakorlati példa: 3 kW (kilowatt) bemeneti teljesítménnyel ellátott elektromos légkondicionáló rendszer 1 m hosszú kábellel van összekötve 10 mm² keresztmetszettel. Mivel a test 60 V alatti feszültségnél visszatérő vezetőként működik, itt csak a tápvezetéket vesszük figyelembe. A nagyfeszültségű rendszerekben (60 V-nál nagyobb feszültségek) viszont a táp- és visszatérővezetékek el vannak különítve és el vannak különítve a testtől. Egy 12 V-os jármű elektromos rendszerében a kábel energiavesztesége 107 W lenne. Egy 48 V-os fedélzeti hálózatban az áramveszteség már jelentősen, 7 W-ra, a nagyfeszültségű fedélzeti hálózatban pedig 400 V-os feszültségszint mellett akár 0,1 W-nál is alacsonyabb - ez a 12 V-os mennyiség ezreléke.
Annak érdekében, hogy a villamos vezetők energiavesztesége a lehető legkisebb legyen, a feszültség növelése rendkívül hatékony módszer.
Most összpontosítsunk a 400 voltos és a 800 voltos felépítésű elektromos járművek összehasonlítására. Az ebben az összefüggésben 800 V-nál gyakran említett érv a rövidebb töltési idő. Ezért érdemes megnézni egy nagy teljesítményű töltőt (HPC). Ezeket az „ultragyors töltőket”, amelyek akár 350 kW töltőteljesítményt biztosítanak, úgy tervezték, hogy a járművek 400 és 800 V rendszerfeszültséggel egyaránt tölthetők legyenek. Az Ionity által jelenleg telepített töltőállomások például legfeljebb 500 A áramot tudnak biztosítani. A maximális 400 V akkumulátorfeszültségű jármű maximális töltőteljesítménye 200 kW-ra korlátozódik, feltéve, hogy ezt az áramot el lehet szívni a járműben anélkül, hogy a csatlakozó érintkezői és a kábelek túlmelegednének.
Ha a rendszer feszültségét 800 V-ra növeli, akár 400 kW-os töltőteljesítmény is átvihető a járműbe. Itt azonban a töltőteljesítményt a HPC töltőpont maximális 350 kW-os teljesítménye korlátozza.
Mindkét esetben viszont 500 A töltőáram magas célnak tekinthető, mivel az ilyen áramokat nem lehet könnyen átirányítani a jármű szokásos nagyfeszültségű csatlakozási technológiáján keresztül. Emiatt a kábeleket és a HPC oszlopok töltődugóját több mint 200 A-val hűtik.
| Aston Martin Rapid E. | 449 kW | kb. 800 V | 2019 vége |
| Audi e-tron GT | 434 kW | kb. 800 V | 2021 eleje |
| Porsche Taycan | 460 - 560 kW | kb. 800 V | 2019 vége |
| Rimac C_Two | 1.408 kW | 720 V-ig | azonnal |
| Pininfarina Battista | > 1400 kW | 720 V-ig | 2020 |
Ha egy példaértékű HPC töltőállomást nézünk, 4 m-es töltőkábellel és 50 mm² keresztmetszettel nagyfeszültségű töltővezetékenként (HV plus és HV mínusz), akkor vonalonként kb. 1,5 mΩ vonalvezetési ellenállás érhető el, amely magában foglalja a csatlakozó érintkezési ellenállását is. 150 kW-os töltőteljesítmény mellett 400 V-os töltés esetén csaknem 400 W veszteség jelentkezik a töltőállomás kábelében. 30 perces töltési eljárással a nagyfeszültségű vezetékek állandó terhelésnek mondhatók, és a kábelek és az érintkezők ennek megfelelően felmelegednek. Amikor a feszültség megduplázódik, ezek a veszteségek a másodfokú kapcsolat eredményeként negyedére csökkennek.
Egyetlen HPC töltőállomás mérlegelésekor elmondható, hogy a 800 V-os technológia elengedhetetlen a töltési infrastruktúra maximális töltőkapacitásának kihasználásához. Ez viszont előfeltétele a rövidebb betöltési idők megvalósításának.
Fordítsuk most tekintetünket a járműbe. Mint már említettük, a nagy áramok útvonala és elosztása a járműben kihívást jelent. A HPC oszloppal ellentétben a hűtött csatlakozókat és kábeleket csak prototípusokban valósítják meg. Azok a kábelek és dugaszérintkezők, amelyek több percig képesek ellenállni a nagy áramnak, drágák és több helyet igényelnek. A veszteségek és a kapcsolódó hőtermelés alacsony szinten tartása érdekében a kábeleket megfelelő vastagsággal kell megépíteni. Ez viszont hátrányokat okoz a "járműcsomagban" - vagyis a jármű geometriai elrendezésében. Mint már az elején említettük, a vastagabb kábelek nem csak több helyet igényelnek, hanem nehezebben hajlíthatók és így beépülhetnek a jármű elrendezésébe.
Mindenesetre a vonalveszteségeket kétszer "fizetik": egyszer töltéskor, egyszer pedig kisütéskor. Az előbbiek növelik a töltési költségeket, az utóbbiban a tartomány csökken, még akkor is, ha a vezetés közbeni teljes energiafogyasztásra gyakorolt hatás kicsi. A vezetékveszteségek azonban egyre fontosabbá válnak, ha gyakran igényelnek nagy teljesítményszintet - töltéskor és lemerüléskor egyaránt. Ez minden bizonnyal az egyik oka annak, hogy kezdetben piacra kerülnek a nagy teljesítményű elektromos járművek, amelyek megnövelt követelményekkel rendelkeznek az áramellátás iránt és 800 V architektúrával.
Nézzük meg újra a „töltés” alkalmazást: Gyakran feltételezik, hogy a cellák nagyobb feszültséggel gyorsabban tölthetők. Közelebb vizsgálva azonban ezt a feltételezést könnyen meg lehet cáfolni. Például a Jaguar I-Pace vagy az Audi e-tron akkumulátora használható. Mindkét jármű rendelkezik 400 V-os feszültségosztályú nagyfeszültségű rendszerrel, valamint 36 cellás modullal ellátott akkumulátorokkal, mindegyikbe 12 cellát telepítettek. A cellák viszont három „csomagba” vannak integrálva, mindegyik négyszeres párhuzamos csatlakozással rendelkezik a cellamodulban. Az egyik 4p3s (négyszer párhuzamos, háromszoros soros) összekapcsolásról beszél. A soros cellák száma meghatározza az akkumulátor - és így az egész nagyfeszültségű rendszer - feszültségszintjét. Mind a Jaguarban, mind az Audi-ban mind a 36 4p3s cellamodul sorba van kötve, így az akkumulátor szintjén összesen 4p108-as kapcsolat van.
(Hipotetikus) 800 V-os architektúra létrehozásához ezekből a 400 V-os rendszerekből csak a soros cellák számának növelésére és a párhuzamos cellák számának csökkentésére van szükség. 2p6s cellás modullal az akkumulátorok (most 2p216s csatlakozással) több mint 800 V-os, egyébként azonos méretekkel és azonos számú cellával rendelkeznének.
Mindkét akkumulátor-változat 200 kW töltőteljesítményű töltése érdekében 500 A-os töltőáramot eredményez a 400 V-os rendszerben és 250 A-os töltőáramot a 800 V-os rendszerben. Ez a töltőáram a 4p3s cellamodulban párhuzamosan csatlakoztatott négyre oszlik A sejteket, azaz minden sejtet 125 amperrel töltünk fel. A 800 V-os rendszerben a 250 A-os töltőáram csak két cella között oszlik meg, amelyek ezért szintén 125 A-val vannak feltöltve. Az cellánként mért tényleges töltőáram tehát független a rendszer teljes feszültségszintjétől, állandó elemszámú cellával az akkumulátorban.
Minden cellának van egy belső ellenállása, amely felett az energiaveszteség csökken mind a töltés, mind a kisütés során. Ez az áramveszteség felmelegíti a cellát. Ha a cella túl meleg lesz, le kell hűteni, vagy csökkenteni kell a teljesítményt. Mint már megállapítottuk, az azonos töltőteljesítményű cellán keresztül áramló áram 400 V vagy 800 V, függetlenül a problémától. A cellában az áramveszteség mindkét esetben azonos.
Az akkumulátor nem csak cellákból áll, hanem gyűjtősínekből és kábelekből is, amelyek összekapcsolják a cellákat és a cellamodulokat. Ezeknek a lehető legkisebbnek kell lenniük, hogy minél több hely álljon rendelkezésre a cellák számára, és ezáltal növelhető az akkumulátor energiája és teljesítménye. Ugyanazok az állítások érvényesek itt, amelyek már korábban is voltak: Ha az áram feleződik, akkor az áramveszteségnek csak a negyede következik be. Vagy másképp fogalmazva: Még akkor is, ha a kábel keresztmetszetét megdupláznák, a kábelveszteség a 400 V-os rendszerben kétszer akkora lenne, mint a 800 V-os rendszerben. Ez azonban nem rejtheti el azt a tényt, hogy az akkumulátor töltése és kisütése során a fő veszteségek közvetlenül a cellákon jelentkeznek. A sejtek teljes belső ellenállása gyorsan 15-50-szer nagyobb, mint a jármű teljes vonal-ellenállása. Alacsony hőmérsékleten ez a tényező még tovább növekszik, mivel a sejtek ekkor lényegesen nagyobb belső ellenállással rendelkeznek. Ezzel szemben a rézkábel vonalvezetési ellenállása csökkenő hőmérséklet mellett kissé csökken is.
Az akkumulátor töltési idejének csökkentése érdekében fontos ismerni a teljes rendszer "leggyengébb láncszemét". Ha a cella már az energiafogyasztás határán van, akkor a rendszerfeszültség megduplázása ugyanannyi cellával nem jár érezhető hatással. Ha a kábelek és csatlakozók jelenlegi terhelése a szűk keresztmetszet, de a cella kapacitása még nem merült ki, a rendszer feszültségének növelése megfelelő eszköz a töltési sebesség növelésére.
Ebben az összefüggésben a kiegészítő egységeket is következetesen meg kell tervezni a megfelelő feszültségszintre annak érdekében, hogy előnyökhöz jussanak a tömeg, a beépítési hely és a vezetékveszteség tekintetében. Alternatív megoldásként további DC/DC átalakítókat kell felszerelni annak érdekében, hogy a 400 V feszültségosztályra tervezett alkatrészeket a 800 V fedélzeti elektromos rendszerhez kapcsolják, ami részben ellensúlyozza az elért előnyöket.
Végül természetesen felmerül a kérdés, hogy a jelenlegi elektromos járművekben miért nem a 800 V a szokásos. Valójában a 400 V-os feszültségosztály hamarosan az összes gyártó standardjává vált. Ez a beszállítói alkatrészek széles piacát hozta létre, ami viszont alacsonyabb árakat eredményez. Ezenkívül a megnövekedett feszültség előnyeinek többsége már 400 V-val megnő, amint azt a 3 kW-os légkondicionáló kompresszor elején bemutatott példája mutatja. Végül, de nem utolsósorban, a magasabb rendszerfeszültség megnövekedett igényeket támaszt a nagyfeszültségű rendszerek biztonságával szemben. Ennek ellenére várható, hogy a nagy teljesítményű elektromos autók a jövőben továbbra is 400 V helyett 800 V-val működnek.
Frissítés - 2019.04.09
A cikk 2019.09.04-én frissült.