Многие производители электромобилей переходят с 400-вольтовых на 800-вольтовые системы для более быстрой зарядки и повышения эффективности, однако некоторые компании, такие как Tesla, не торопятся с переходом.
Спрос на электромобили (EV) растет во всем мире, и вместе с тем растут ожидания водителей. Главные требования с их стороны — большой запас хода и быстрая зарядка, и оба этих пункта сводятся к аккумулятору.
Существует множество исследовательских проектов, направленных на усовершенствование электротранспорта, но наиболее перспективным способом пока что является повышение рабочего напряжения аккумулятора. Сегодняшние аккумуляторы электромобилей обычно представляют собой системы с напряжением 400 В, но современные производители уже проектируют свои электромобили для дальнейшего перехода на архитектуру с напряжением 800 В.
Более высокое напряжение аккумулятора гарантирует более высокую мощность зарядки, повышенную эффективность, улучшенную производительность и экономию веса компонентов электромобиля, таких как двигатели и инверторы. Однако высокое напряжение приносит с собой и ряд новых проблем.
Меня зовут Михаил Якушев, я генеральный директор «Неокарс», официального дилера китайских электромобилей, и я помогу вам разобраться, почему мировая индустрия электромобилей так стремится перейти на 800-вольтовые аккумуляторы и как инженеры добиваются этого перехода.
400- и 800-вольтовая архитектура электромобиля: что это значит?
Архитектура электромобиля представляет собой сложную систему, включающую в себя аккумуляторы, двигатели, датчики, электронное управление, вспомогательное оборудование, проводку и другие компоненты. Напряжение аккумулятора, будь то 400 В или 800 В, влияет на все из них.
Стоит учесть, что эти два значения не настолько фиксированы, как предполагает их название. Например, диапазон напряжения аккумулятора 300–500 В называется архитектурой на 400 В, а диапазон 600–900 В считается архитектурой на 800 В. Переход на 800-вольтовую архитектуру — это ключевой параметр для проектирования всех остальных высоковольтных устройств автомобиля.
Почему производители электромобилей хотят перейти на 800-вольтовые аккумуляторы?
Этому есть несколько причин:
1. Более высокое напряжение аккумулятора позволит повысить производительность электромобиля, уменьшить потребление энергии и сократить время зарядки.
Долгая зарядка отпугивает многих потенциальных покупателей электрокаров.
Основным параметром скорости процесса зарядки является выходная мощность зарядного устройства, которая зависит от напряжения и силы тока. Однако чем выше ток, тем сильнее генерация тепла, что в конце концов может привести к перегреву батареи и кабеля.
Поэтому лучший способ увеличить мощность и ускорить зарядку — это увеличить напряжение.
По известному физическому закону, мощность есть произведение напряжения на силу тока. То есть, если удвоить напряжение, можно при той же силе тока передать двойную мощность. Конечно, зарядные устройства и преобразователи электромобилей должны быть перестроены так, чтобы они могли пропускать через себя значительно большую мощность.
2. Использование 800-вольтовых аккумуляторов снижает потребление энергии.
Из законов той же физики мы знаем: чтобы аккумулятор выдавал ту же мощность при увеличении напряжения, сила тока должна уменьшиться. Поскольку потери на нагрев пропорциональны квадрату тока, при передаче электроэнергии выгодно использовать высокое напряжение при небольшой силе тока. Тем самым можно продлить срок службы аккумулятора.
Проблемы использования 800-вольтового аккумулятора
Архитектура электромобиля с напряжением 800 В имеет неоспоримые преимущества, но все еще существуют проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы плавно интегрировать эту технологию в рынок. Рассмотрим основные из них.
Нужны более мощные зарядки
Скорость зарядки зависит от зарядных станций, и большинство из них предназначены для обеспечения электромобилей напряжением 400 В. Чтобы в полной мере воспользоваться возможностями более быстрой зарядки, 800-вольтовым электромобилям потребуются более мощные зарядные станции.
Придется перепроектировать систему
800-вольтовая архитектура требует перепроектирования цепей и компонентов, чтобы гарантировать соответствующую изоляцию и работу отказоустойчивых систем. Да и процедуры испытаний должны охватывать наихудшие сценарии, в пять раз превышающие рабочее напряжение в 800 вольт.
Большие затраты на оборудование
При производстве электрокаров используют более дорогие коммутационные компоненты, к примеру, из карбида кремния (SiC) – в силовых преобразователях. SiC позволяет увеличить частоту коммутации при очень низких потерях энергии (2%) по сравнению с традиционными кремниевыми преобразователями (5–6%). Однако из-за более низкого тока в 800-вольтовых электромобилях провода и соединения должны быть толще, а требования к охлаждению ниже.
А безопасно ли это?
Системам с более высоким напряжением требуется больше физического пространства, чтобы избежать таких проблем, как перенапряжение и искрение. То есть, чем выше напряжение, тем большего размера должны быть конденсаторы. А это очень нежелательно для производителей электромобилей, которые хотят сделать детали все меньше и легче.
ТРИ решения для 800-вольтовых электромобилей
Первый подход заключается в том, чтобы заставить всю высоковольтную систему электромобиля работать от напряжения 800 В, устраняя необходимость преобразования напряжения между компонентами. Такой подход обеспечит более быструю зарядку и лучшую эффективность. Однако он же требует дополнительной модернизации электромобилей и более высоких затрат.
Второй подход заключается в том, чтобы только некоторые важные устройства (например, аккумулятор и приводной двигатель) были подключены к 800 В, а остальная часть системы оставалась под напряжением 400 В. Необходимость преобразования напряжения между устройствами 800 и 400 В неизбежно увеличивает стоимость и потери мощности преобразования. Однако это решение требует меньше перепроектирования электромобиля и меньших затрат, чем на систему 400 В, при этом обеспечивая более быструю зарядку. В общем, есть свои плюсы.
Третий подход представляет собой гибридное решение, включающее в себя аккумуляторную систему, способную переключаться между напряжением 800 В при зарядке и 400 В при разрядке. Это простое и недорогое решение обеспечивает более быструю зарядку, однако разрядка при напряжении 400 В никак не способствует снижению энергопотребления.
Вероятнее всего, в ближайшее время мы увидим все три подхода на рынке электротранспорта. По мере развития процедур тестирования и падения цен на 800-вольтовые компоненты электрокаров можно ожидать полного перехода производителей на высоковольтную архитектуру.
Почему Tesla воздерживается от 800-вольтовых электромобилей
Автопроизводители Porsche, Hyundai, Genesis, Kia и Audi уже предлагают электромобили с 800-вольтовыми аккумуляторными системами. Volvo, Polestar и Lotus также взяли на себя обязательство использовать 800-вольтовую архитектуру. Hitachi Automotive Systems начинает массовое производство своей 800-вольтовой аккумуляторной системы.
Интересно, что пионер электромобилей Tesla не взял на себя обязательство перейти на 800-вольтовую архитектуру. Выгода от повышения напряжения с 400 до 800 вольт, как пояснил старший исполнительный вице-президент компании Эндрю Баглино (Andrew Baglino), должна рассматриваться в каждом конкретном случае, и она не всегда очевидна. Для более крупных электромобилей переход на 800 вольт имеет смысл, в случае с продукцией Tesla это могли бы стать грузовики Semi и пикап Cybertruck, хотя пока руководство компании не берется утверждать, что такой переход будет осуществлен.
Илон Маск добавил, что на уровне каждого транспортного средства переход с 400 на 800 вольт позволил бы производителю сократить себестоимость на $100. При этом стоимость реформирования всей инфраструктуры была бы настолько существенной, что эта экономия себя не оправдала бы в масштабах всей платформы. По словам главы Tesla, затеять такой переход компания могла бы лишь в отдаленном будущем, когда объемы производства электромобилей многократно возрастут. Добавим, что от намерений к концу десятилетия освоить ежегодный выпуск 20 млн электромобилей Tesla пока не отказывается.
Так или иначе, индустрия электромобилей переходит на высокое напряжение.