Яка напруга в електромобілі?

Багато виробників електромобілів переходять із 400-вольтових на 800-вольтові електросистеми для підвищення їх ефективності. Пояснюємо, чим 800-вольтова архітектура краща і що це означає для покупця електромобіля.

Основний запит від покупців електромобілів у всьому світі – збільшення дальності пробігу та скорочення часу зарядки електрокара. Конструктори електромобілів йдуть до вирішення цих проблем різними шляхами, але найбільш перспективним є підвищення напруги батареї. Донедавна стандартна напруга для батарей електромобілів становила 400 Вольт і досі більшість автомобілів на електричній тязі використовують саме таку архітектуру. Але дедалі більше нових моделей електромобілів переходять на 800-вольтові платформи. А у електровантажівок чи електробусів і зовсім 1200- або 1600-вольтова архітектура.

Високовольтна система дозволяє:

• накопичити набагато більше енергії на одиницю маси батареї
• здійснювати зарядку з більшою потужністю, тобто швидше
• знизити вагу ряду компонентів електромобіля, таких як двигуни, інвертори, кабелі
• ефективніше витрачати енергію за рахунок зниження сили струму та тепловтрати
• збільшити термін служби батарей

Таким чином, більш високовольтна архітектура є більш ефективною.

Що таке 400 або 800-вольтова архітектура?

Архітектура електромобіля – це складна система, що включає батареї, двигуни, датчики, електронні системи управління, допоміжне обладнання, проводку та інші компоненти. Усі вони розраховані на певну напругу: 400 чи 800 Вольт. Але ці значення не так жорстко фіксовані, як можна подумати. Наприклад, під 400-вольтовою архітектурою розуміється діапазон напруги батареї 300-500 Вольт, а 800-вольтова відповідає діапазону 600-900 Вольт. Перехід на 800-вольтову архітектуру це не просто з’єднання батарей для отримання напруги 800 Вольт; ця робоча напруга є ключовим параметром для проектування всіх інших високовольтних пристроїв в електромобілі.

Напруга електромобіля та зарядки – у чому різниця?

Не слід плутати 800-вольтову архітектуру з 800-вольтовою зарядкою. Архітектура 800 Вольт означає, що батарея, двигуни, інвертори та інші основні компоненти електромобіля працюють за відповідного рівня напруги. У випадку із зарядкою йде саме мова про максимальну напругу зарядного пристрою постійного струму. Як правило, зарядні пристрої потужністю 150 кВт розраховані на 400 вольт, а 350-кіловатні зарядки здатні видавати до 800 Вольт.

Але електромобілю не обов’язково мати 800-вольтову батарею, щоб заряджатися постійним струмом напругою 800 вольт. Наприклад, електропозашляховик Hummer EV від GMC працює при напрузі 400 Вольт, кожен шар його двошарового блоку батарей працює певною мірою як окремий блок. При 400-вольтовій зарядці блоки з’єднані паралельно, але при 800-вольтовій зарядці перемикач дозволяє з’єднати їх послідовно, як батарейки у ліхтарику, щоб використовувати переваги вищої напруги.

Цей 800-вольтовий «трюк» дозволяє електричному «Хаммеру» з 205-кіловатним блоком батарей заряджатися при 350 кВт і отримувати майже 160 кілометрів запасу ходу за 10 хвилин — незважаючи на 400-вольтову систему, та її неефективність порівняно з сучаснішими EV.

Також електромобіль з бортовою системою 800 вольт може спокійно заряджатися від джерела струму напругою 400 вольт — бортовий інвертор автоматично збільшить напругу для заряджання батареї. Більшість сучасних «розумних» пристроїв для швидкого заряджання постійним струмом за замовленням переходять на вищу напругу, якщо це дозволяє електромобіль.

Чому електромобілі переходять на напругу 800 вольт

Більш висока напруга батареї означає підвищення ефективності електромобілів, покращення продуктивності та якіснішу зарядку. Для користувачів це означає швидшу зарядку та менше споживання енергії.

Основним параметром швидкості зарядки є вихідна потужність зарядного пристрою, яка залежить від напруги та сили струму. Іншими словами, є лише два способи швидше подавати енергію в електромобіль: збільшити струм чи підвищити напругу.

Підвищуючи силу струму, ми одночасно збільшуємо опір всіх кабелів та роз’ємів, якими струм проходить в автомобіль. Тепловиділення пропорційне квадрату сили струму, тому доведеться застосовувати складніші, найважчі та дорогі системи охолодження. Збільшення розмірів компонентів також призводить до збільшення ваги, що впливає на запас ходу електромобіля. Усі ці фактори збільшують вартість матеріалів.

Підвищення напруги знижує струм, необхідний отримання тієї ж потужності, має зворотний ефект: Все, що проводить струм, може стати менше і легше, включаючи кабелі, роз’єми, двигуни, шнури, що використовуються для зарядки електромобіля. Менше енергії втрачається на виділення тепла, тому вимоги до терморегулювання нижчі, а компресори та радіатори охолодження можуть бути меншими. З цих причин підвищення напруги є найбільш економічно ефективним способом збільшення потужності, що надходить у батарею, і виходить із неї. При подвоєній напрузі зарядний пристрій зможе видавати майже вдвічі більше енергії за тієї ж сили струму.

Сьогодні стандартною є архітектура на 400 В. На станції швидкої зарядки потужністю 150 кВт, що видає струм близько 350 А, теоретично може знадобитися менше 30 хвилин, щоб довести рівень заряду батареї ємністю 60 кВтг з 20 до 80%. Найпростіший спосіб скоротити час заряджання до 15 хвилин або менше – просто подвоїти напругу до 800 В за збереження колишнього рівня струму, що дозволить довести загальну потужність до 300 кВт.

800-вольтова архітектура також знижує споживання енергії. Якщо батарея видає ту ж потужність зі збільшенням напруги, це означає, що її струм повинен зменшуватися. Оскільки втрати на нагрівання та потужність пропорційні квадрату струму, зі збільшенням напруги втрати тепла знижуються. Зниження струму також позитивно позначається на старінні батареї електромобіля, продовжуючи тим самим термін її служби.

Проблеми нової архітектури EV

Архітектура 800-вольтових електромобілів має незаперечні переваги, проте для успішної інтеграції технології на ринку необхідно подолати ряд труднощів.

Швидкість заряджання залежить від зарядних станцій, більшість з яких розраховані на 400-вольтові електромобілі. Щоб повною мірою використовувати можливості швидкої зарядки, 800-вольтовим EV будуть потрібні потужніші зарядні станції.

Інша проблема полягає в інжинірингу. 800-вольтова архітектура вимагає перепроектування схем та компонентів для забезпечення належної ізоляції відмово-стійких систем та коректних процедур випробувань для підтвердження надійності компонентів у високовольтному середовищі. Процедури випробувань повинні охоплювати найгірші сценарії, що в п’ять разів перевищують робочу напругу 800 Вольт.

Хоча через меншу силу струму в 800-вольтових електромобілях дроти і контактні групи можуть бути тоншими, а вимоги до охолодження нижче, вартість обладнання для 800-вольтових електрокарів також вища. Наприклад, у перетворювачах потужності використовуються дорожчі комутаційні компоненти з карбіду кремнію (SiC). SiC дозволяє збільшити частоту перемикання за дуже низьких втрат енергії (2%) порівняно з традиційними перетворювачами на основі кремнію (5–6%).

Системи з вищою напругою вимагають більше фізичного простору між протилежними контактами, щоб уникнути короткого замикання. Отже, збільшуються і розміри елементів, наприклад, тих самих конденсаторів. Це дуже небажано для виробників «електричок», які прагнуть зробити всі деталі компактнішими і легшими, щоб збільшити корисний об’єм і зменшити загальну масу авто.

Рішення ситуації

Автовиробники та виробники компонентів застосовують різні підходи до вирішення проблем, пов’язаних із 800-вольтовою архітектурою.

Перший підхід полягає в тому, щоб змусити всю високовольтну систему EV працювати на 800 Вольтах, усуваючи необхідність перетворення напруги між компонентами. Цей підхід дозволяє прискорити заряджання та підвищити ефективність.

Другий підхід полягає в тому, щоб тільки деякі важливі пристрої (наприклад, блок акумуляторів, приводний двигун електромобіля) працювали на 800 Вольтах, а решта системи залишалася на 400 Вольтах. Необхідність перетворення напруги між 800- і 400-вольтовими пристроями підвищує вартість та складність конструкції, а також збільшує втрати потужності при перетворенні. Однак це рішення вимагає меншої кількості переробок та витрат на систему 400 Вольт, забезпечуючи при цьому швидшу зарядку.

Третій підхід – це гібридне рішення, яке включає систему батарей, здатну перемикатися між 800 Вольтами при зарядці і 400 Вольтами при розрядці. Інші високовольтні пристрої залишаються лише на рівні 400 Вольт. Це просте та недороге рішення дозволяє прискорити зарядку, хоча розрядка при 400 Вольтах не дозволить зменшити споживання енергії.

Електромобілі з 800В архітектурою

Porsche Taycan став першим серійним EV із напругою в системі 800 вольт. Час швидкого заряджання постійним струмом у німецького електромобіля з 5 до 80% становить 22,5 хвилини при піковій потужності 270 кВт. В даний час, окрім фірми зі Штутгарта, EV з 800-вольтовими акумуляторними системами пропонують інші автовиробники.

Потужний люксовий кросовер Lotus Eletre на 800-вольтовій архітектурі заряджається з 10 до 80% за 20 хвилин. Цього часу вистачить, щоби запастися електрикою на 400 км пробігу.

Перший чистий електромобіль китайської марки Lixiang (Li Auto), мінівен Li MEGA побудований на 800-вольтовій платформі та оснащений батареєю Li Auto-CATL Qilin 5C, яка має загальну ємність 102,7 кВтг і може забезпечити дальність ходу 710 км за циклом CLTC. За допомогою супершвидкої зарядки Li MEGA може за 12 хвилин зарядитись на 500 км пробігу.

Новий електроседан Zeekr 007 разом із 800-вольтовою архітектурою отримав найновішу літій-залізо-фосфатну (LFP) батарею Golden Brick ємністю 100 кВтг, яка здатна зарядитися на 500 км пробігу за 15 хвилин. Батарея відрізняється дуже високою щільністю заряду та підвищеною безпекою: під час випробувань її протягом восьми годин морозили при температурі -45 градусів, піддавали дії відкритого полум’я при температурі 1000 градусів, переїжджали катком, кидали з висоти 10 метрів.

Тобто 800-вольтова архітектура стає новим стандартом для високопродуктивних електромобілів, але вона вже не є граничною. Американська марка Lucid Air вже пропонує опціональну 900-вольтову архітектуру для своїх моделей Air та Gravity.

У 2025 році на ринок вийде електроседан NIO ET9 з 900-вольтовою архітектурою. Це означає, що електромобіль може витримувати зарядку потужністю до 600 кВт, яку Nio забезпечує від власних зарядних станцій, які модернізуються для зарядки потужністю до 640 кВт. За оцінками Nio, за такої швидкості за п’ять хвилин зарядки можна збільшити запас ходу більш ніж на 160 кілометрів.