Какое напряжение в электромобиле?

Многие производители электромобилей переходят с 400-вольтовых на 800-вольтовые электросистемы для повышения эффективности. Объясняем, чем 800-вольтовая архитектура лучше и что это значит для покупателя электромобиля.

Основной запрос от покупателей электромобилей и гибридов во всем мире — увеличение дальности пробега и сокращение времени зарядки электрокара. Конструкторы электромобилей идут к решению этих проблем различными путями, но наиболее перспективным из них является повышение напряжения батареи. До недавнего времени стандартное напряжение для батарей электромобилей составляло 400 Вольт и по сей день большинство автомобилей на электрической тяге используют именно такую архитектуру. Но все больше новых моделей электромобилей переходят на 800-вольтовые платформы. А у электрогрузовиков или электробусов и вовсе 1200- или 1600-вольтовая архитектура.

Высоковольтная система позволяет:

• накопить намного больше энергии на единицу массы батареи
• осуществлять зарядку с большей мощностью, то есть быстрее
• снизить вес ряда компонентов электромобиля, таких как двигатели, инверторы, кабели
• эффективнее расходовать энергию за счет снижения силы тока и теплопотери
• увеличить срок службы батарей

Таким образом, более высоковольтная архитектура является более эффективной.

Что такое 400- или 800-вольтовая архитектура

Архитектура электромобиля — это сложная система, включающая в себя батареи, двигатели, датчики, электронные системы управления, вспомогательное оборудование, проводку и другие компоненты. Все они рассчитаны на определенное напряжение: 400 или 800 Вольт.

Но эти значения не так жестко фиксированы, как можно подумать. Например, под 400-вольтовой архитектурой понимается диапазон напряжения батареи 300–500 Вольт, а 800-вольтовая соответствует диапазону 600–900 Вольт. Переход на 800-вольтовую архитектуру — это не просто соединение батарей для получения напряжения 800 Вольт; это рабочее напряжение является ключевым параметром для проектирования всех других высоковольтных устройств в электромобиле.

Напряжение электромобиля и зарядки - в чем разница?

Не следует путать 800-вольтовую архитектуру с 800-вольтовой зарядкой. Архитектура 800 Вольт означает, что батарея, двигатели, инверторы и другие основные компоненты электромобиля работают при соответствующем уровне напряжения. В случае с зарядкой же речь идет о максимальном напряжении зарядного устройства постоянного тока. Как правило, зарядные устройства мощностью 150 кВт рассчитаны на 400 вольт, а 350-киловаттные зарядки способны выдавать до 800 Вольт.

Но электромобилю не обязательно иметь 800-вольтовую батарею, чтобы заряжаться постоянным током напряжением 800 вольт. Например, электровнедорожник Hummer EV от GMC работает при напряжении 400 Вольт, каждый слой его двухслойного блока батарей работает в некотором роде как отдельный блок. При 400-вольтовой зарядке блоки соединены параллельно, но при 800-вольтовой зарядке переключатель позволяет соединить их последовательно, как батарейки в фонарике, чтобы использовать преимущества более высокого напряжения.

Этот 800-вольтовый «трюк» позволяет электрическому «Хаммеру» с 205-киловаттным блоком батарей заряжаться при 350 кВт и получать почти 160 километров запаса хода за 10 минут — несмотря на 400-вольтовую систему, и ее неэффективность по сравнению с более современными EV.

 

Точно также электромобиль с бортовой системой 800 вольт может спокойно заряжаться от источника тока напряжением 400 вольт — бортовой инвертор автоматически увеличит напряжение для зарядки батареи.

Большинство современных «умных» устройств для быстрой зарядки постоянным током по умолчанию переходят на более высокое напряжение, если это позволяет электромобиль.

Почему электромобили переходят на напряжение 800 вольт

Более высокое напряжение батареи означает повышение эффективности электромобилей, улучшение производительности и более качественную зарядку. Для пользователей это означает более быструю зарядку и меньшее потребление энергии.

Основным параметром скорости зарядки является выходная мощность зарядного устройства, которая зависит от напряжения и силы тока. Иными словами, есть только два способа быстрее подавать энергию в электромобиль: увеличить ток или повысить напряжение.

Повышая силу тока, мы одновременно увеличиваем сопротивление всех кабелей и разъемов, по которым ток проходит в автомобиль. Тепловыделение пропорционально квадрату силы тока, поэтому придется применять более сложные, тяжелые и дорогие системы охлаждения. Увеличение размеров компонентов также приводит к увеличению веса, что влияет на запас хода электромобиля. Все эти факторы увеличивают стоимость материалов.

Повышение напряжения, однако, снижает ток, необходимый для получения той же мощности, поэтому имеет обратный эффект: Все, что проводит ток, может стать меньше и легче, включая кабели, разъемы, двигатели, шнуры, используемые для зарядки электромобиля. Меньше энергии теряется на выделение тепла, поэтому требования к терморегулированию ниже, а компрессоры и радиаторы охлаждения могут быть меньше. По этим причинам повышение напряжения является наиболее экономически эффективным способом увеличения мощности, поступающей в батарею, и выходящей из нее. При удвоенном напряжении зарядное устройство сможет выдавать почти вдвое больше энергии при той же силе тока.

Сегодня стандартной является архитектура на 400 В. На станции быстрой зарядки мощностью 150 кВт, выдающей ток около 350 А, теоретически может потребоваться менее 30 минут, чтобы довести уровень заряда батареи емкостью 60 кВтч с 20 до 80 %. Самый простой способ сократить время зарядки до 15 минут или меньше — просто удвоить напряжение до 800 В при сохранении прежнего уровня тока, что позволит довести общую мощность до 300 кВт.

800-вольтовая архитектура также снижает потребление энергии. Если батарея выдает ту же мощность при увеличении напряжения, это означает, что ее ток должен уменьшаться. Поскольку потери на нагрев и мощность пропорциональны квадрату тока, при увеличении напряжения потери тепла снижаются. Снижение тока также положительно сказывается на старении батареи электромобиля, тем самым продлевая срок ее службы.

Батарея Zeekr Golden Brick 800В

 

Проблемы новой архитектуры EV

Архитектура 800-вольтовых электромобилей обладает неоспоримыми преимуществами, однако для успешной интеграции технологии на рынке необходимо преодолеть ряд трудностей.

Скорость зарядки зависит от зарядных станций, большинство из которых рассчитаны на 400-вольтовые электромобили. Чтобы в полной мере использовать возможности более быстрой зарядки, 800-вольтовым EV потребуются более мощные зарядные станции.

Другая проблема заключается в инжиниринге. 800-вольтовая архитектура требует перепроектирования схем и компонентов для обеспечения надлежащей изоляции отказоустойчивых систем, и корректных процедур испытаний для подтверждения надежности компонентов в высоковольтной среде. Процедуры испытаний должны охватывать наихудшие сценарии, в пять раз превышающие рабочее напряжение в 800 Вольт.

Хотя из-за меньшей силы тока в 800-вольтовых электромобилях провода и контактные группы могут быть тоньше, а требования к охлаждению ниже, стоимость оборудования для 800-вольтовых электрокарах также выше. Например, в преобразователях мощности используются более дорогие коммутационные компоненты из карбида кремния (SiC). SiC позволяет увеличить частоту переключения при очень низких потерях энергии (2%) по сравнению с традиционными преобразователями на основе кремния (5–6%).

Системы с более высоким напряжением требуют больше физического пространства между противоположными контактами, чтобы избежать короткого замыкания. А значит, увеличиваются и размеры элементов, например, тех же конденсаторов. Это очень нежелательно для производителей «электричек», которые стремятся сделать все детали компактнее и легче, чтобы увеличить полезный объем и уменьшить общую массу машины.

800-вольтовая зарядная станция Porsche

 

Различные решения

Автопроизводители и изготовители компонентов применяют различные подходы к решению проблем, связанных с 800-вольтовой архитектурой.

Первый подход состоит в том, чтобы заставить всю высоковольтную систему EV работать на 800 Вольтах, устраняя необходимость в преобразовании напряжения между компонентами. Этот подход позволяет ускорить зарядку и повысить эффективность.

Второй подход заключается в том, чтобы только некоторые важные устройства (например, блок аккумуляторов, приводной двигатель электромобиля) работали на 800 Вольтах, а остальная часть системы оставалась на 400 Вольтах. Необходимость преобразования напряжения между 800- и 400-вольтовыми устройствами повышает стоимость и сложность конструкции, а также увеличивает потери мощности при преобразовании. Однако это решение требует меньшего количества переделок и затрат на систему 400 Вольт, обеспечивая при этом более быструю зарядку.

Третий подход — это гибридное решение, которое включает в себя систему батарей, способную переключаться между 800 Вольтами при зарядке и 400 Вольтами при разрядке. Другие высоковольтные устройства остаются на уровне 400 Вольт. Это простое и недорогое решение позволяет ускорить зарядку, хотя разрядка при 400 Вольтах не позволит уменьшить потребление энергии.

   

Электромобили с 800В архитектурой

Porsche Taycan стал первым серийным EV с напряжением в системе 800 вольт. Время быстрой зарядки постоянным током у немецкого электромобиля с 5 до 80% составляет 22,5 минуты при пиковой мощности 270 кВт. В настоящее время, помимо фирмы из Штутгарта, EV с 800-вольтовыми аккумуляторными системами предлагают и другие автопроизводители.

800-вольтовая батарея Porsche Taycan

 

Мощный люксовый кроссовер Lotus Eletre на 800-вольтовой архитектуре заряжается с 10 до 80% за 20 минут. Этого времени хватит, чтобы запастись электричеством на 400 км пробега.

Первый чистый электромобиль китайской марки Lixiang (Li Auto), минивэн Li MEGA построен на 800-вольтовой платформе и оснащен батареей Li Auto-CATL Qilin 5C, которая имеет общую емкость 102,7 кВтч и может обеспечить дальность хода 710 км по циклу CLTC. С помощью супербыстрой зарядки Li MEGA может за 12 минут зарядиться на 500 км пробега.

 

Новый электроседан Zeekr 007 вместе с 800-вольтовой архитектурой получил новейшую литий-железо-фосфатную (LFP) батарею Golden Brick емкостью 100 кВтч, которая способна зарядиться на 500 км пробега за 15 минут. Батарея отличается очень высокой плотностью заряда и повышенной безопасностью: в ходе испытаний ее в течение восьми часов морозили при температуре -45 градусов, подвергали воздействию открытого пламени при температуре 1000 градусов, переезжали катком, роняли с высоты 10 метров.

 

То есть 800-вольтовая архитектура становится новым стандартом для высокопроизводительных электромобилей, но и она уже не является предельной. Американская марка Lucid Air уже предлагает опциональную 900-вольтовую архитектуру для своих моделей Air и Gravity.

В 2025 году на рынок выйдет электроседан NIO ET9 c 900-вольтовой архитектурой. Это означает, что электромобиль может выдерживать зарядку мощностью до 600 кВт, которую Nio обеспечивает от собственных зарядных станций, которые в настоящее время модернизируются для зарядки мощностью до 640 кВт. По оценкам Nio, при такой скорости менее чем за пять минут зарядки можно увеличить запас хода более чем на 160 километров.

Подробнее узнать об устройстве и параметрах зарядки электромобилей, которые можно купить в России, вы можете у специалистов «НЕО КАРС». В нашем каталоге большой выбор электромобилей и гибридов, таких как Lixiang L9, Zeekr 001, Lotus, Aito M7, Mengshi M-Hero 917, Hiphi Z, BYD U8, Aito M9, Polar Stone 01, которые продаются с фирменной гарантией. Помимо русификации интерфейса и мультимедиа, она включает бесплатные консультации, установку дополнительного оборудования, опций, а также полный перечень сервисных работ по техобслуживанию и ремонту.