400 V kontra 800 V. Co naprawdę zmienia wyższe napięcie w samochodzie elektrycznym?

400 V kontra 800 V. Co naprawdę zmienia wyższe napięcie w samochodzie elektrycznym?

Będzie ciekawie i trochę jak w szkole na lekcji fizyki… ale nie zniechęcajcie się😉!

Jeszcze kilka lat temu 400 V było dla samochodu elektrycznego czymś tak oczywistym, że właściwie nikt się nad tym nie zastanawiał.

Dzisiaj coraz częściej słyszymy: 800 V.

Za chwilę 900 V. Pojawiają się konstrukcje projektowane pod jeszcze wyższe napięcia, a wraz z nimi ładowarki zdolne dostarczać setki kilowatów.

Czy więc 400 V zaczyna być technologią przestarzałą?

Nie.

Ale różnica między 400 a 800 V jest znacznie ważniejsza, niż sugerowałaby sama liczba w specyfikacji samochodu.

Bo tak naprawdę nie chodzi wyłącznie o napięcie.

Chodzi o to, ile energii można przesłać, jakim prądem, przy jakich stratach i z jakimi wymaganiami, wobec całego układu elektrycznego.

I właśnie dlatego architektura 800 V stała się jednym z najważniejszych kierunków rozwoju współczesnych samochodów elektrycznych.

Najpierw podstawy: skąd bierze się przewaga 800 V?

Zacznijmy od rzeczy banalnej, ale fundamentalnej.

Moc elektryczna jest iloczynem napięcia i prądu:

P = U × I

Jeżeli samochód ma otrzymać 200 kW mocy, przy napięciu 400 V potrzebuje około 500 A.

Przy 800 V wystarczy około 250 A.

Ta sama moc.

Dwa razy wyższe napięcie.

Dwa razy niższy prąd.

I właśnie tutaj zaczyna się przewaga wyższego napięcia.

Prąd ma ogromne znaczenie dla całego układu elektrycznego, ponieważ straty cieplne w przewodach i innych elementach rezystancyjnych rosną wraz z kwadratem natężenia prądu. Może trochę skomplikowane ale skupcie się… ta wiedza się Wam przyda:)

W uproszczeniu: jeżeli dla określonej mocy zmniejszymy prąd o połowę, straty I²R spadają czterokrotnie — oczywiście przy założeniu tych samych warunków rezystancyjnych.

To jedna z podstawowych przyczyn, dla których wyższe napięcie jest tak interesujące przy dużych mocach ładowania. IEA wskazuje wprost, że przy tej samej mocy podwojenie napięcia pozwala zmniejszyć wymagany prąd o połowę, a wynikające z tego straty rezystancyjne o 75 proc.

Na papierze wygląda to, jak drobna zmiana.

W rzeczywistym układzie, przy setkach amperów, zaczyna mieć ogromne znaczenie.

400 kW nie zawsze oznacza to samo

Wyobraźmy sobie ładowarkę o mocy 400 kW.

Jeżeli samochód pracuje przy napięciu około 400 V, do osiągnięcia takiej mocy potrzebny byłby prąd rzędu 1000 A.

Przy 800 V byłoby to około 500 A. Tylko…

To już pokazuje, dlaczego rozwój bardzo szybkiego ładowania nie może polegać wyłącznie na dokładaniu kolejnych kilowatów do specyfikacji ładowarki.

Im większa moc, tym bardziej rosną wymagania dotyczące całego toru energetycznego.

Przewodów.

Złączy.

Elementów przełączających.

Chłodzenia.

Elektroniki mocy.

A także samego kabla ładowania.

Nieprzypadkowo przy bardzo wysokich mocach pojawia się aktywne chłodzenie przewodów. Jeżeli chcemy przesyłać ogromny prąd przez kabel, musimy poradzić sobie z ciepłem, które powstaje podczas przepływu prądu.

Podniesienie napięcia pozwala natomiast osiągnąć wysoką moc przy niższym natężeniu.

To nie rozwiązuje wszystkich problemów, ale znacząco zmienia warunki, w których projektuje się cały system.

800 V nie oznacza, że samochód zawsze ładuje się szybciej

I tutaj pojawia się bardzo ważne zastrzeżenie.

Samo oznaczenie 800 V nie jest gwarancją ekstremalnie szybkiego ładowania.

Ostateczna moc ładowania zależy od wielu elementów: możliwości baterii, elektroniki samochodu, temperatury ogniw, aktualnego poziomu naładowania, systemu zarządzania baterią oraz możliwości samej stacji.

To dlatego dwa samochody korzystające z tej samej ładowarki mogą ładować się z zupełnie różną mocą.

A nawet ten sam samochód może przy tej samej stacji pobierać 250 kW w jednym momencie i znacznie mniej kilka minut później.

Krzywa ładowania jest równie ważna jak maksymalna moc.

To szczególnie istotne przy porównywaniu samochodów.

250 kW zapisane w katalogu wygląda atrakcyjnie.

Ale dla kierowcy znacznie ważniejsze może być to, jak długo samochód jest w stanie utrzymać wysoką moc.

Porsche jest dobrym przykładem tego podejścia. Aktualny Taycan może osiągać do 320 kW przy ładowaniu z infrastruktury 800 V, a producent podkreśla również możliwość utrzymywania bardzo wysokiej mocy przez określony fragment procesu ładowania.

Właśnie dlatego sama liczba „kW” coraz mniej mówi o rzeczywistym doświadczeniu kierowcy.

800 V zmienia również samochód

Przejście z 400 na 800 V nie polega na wymianie jednego elementu.

To zmiana architektury układu wysokiego napięcia. Całego!

Akumulator składa się z wielu ogniw połączonych szeregowo i równolegle. Większa liczba ogniw połączonych szeregowo pozwala uzyskać wyższe napięcie całego pakietu.

Ale wyższe napięcie oznacza również inne wymagania wobec izolacji, komponentów wysokonapięciowych, elektroniki mocy oraz bezpieczeństwa.

Dlatego 800 V nie jest po prostu „lepszym 400 V”.

To inna architektura.

Wymaga odpowiednio zaprojektowanych komponentów i całego systemu.

IEA zwraca uwagę, że rozwój układów wysokonapięciowych wiąże się również z większym znaczeniem nowoczesnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak węglik krzemu (SiC), stosowanych w elektronice mocy.

Dlaczego SiC pojawia się przy rozmowie o 800 V?

Wraz ze wzrostem napięcia i mocy rosną wymagania wobec elektroniki.

Tradycyjne rozwiązania krzemowe nadal są bardzo ważne, ale w zastosowaniach, w których liczy się wysoka sprawność, duża częstotliwość przełączania i praca przy wysokich napięciach, coraz większą rolę odgrywają półprzewodniki z węglika krzemu.

Nie jest to jednak prosty schemat:

400 V = krzem

800 V = SiC

Rynek jest znacznie bardziej złożony.

Chodzi raczej o to, że rozwój wysokowydajnych układów 800 V idzie w parze z rozwojem elektroniki mocy, która pozwala efektywniej zarządzać energią.

A każda część tej układanki ma znaczenie, kiedy chcemy przepchnąć przez samochód setki kilowatów.

A co ze stacją 400 V?

Tutaj robi się jeszcze ciekawiej.

Bo samochód z architekturą 800 V nie musi oznaczać, że można go ładować wyłącznie z infrastruktury 800 V.

Współczesne konstrukcje coraz częściej potrafią korzystać również z ładowarek 400 V.

Hyundai IONIQ 5 wykorzystuje system 800 V, ale producent deklaruje kompatybilność zarówno z infrastrukturą 400 V, jak i 800 V.

Podobne rozwiązanie stosuje Kia EV6. Przy ładowaniu z infrastruktury 400 V samochód wykorzystuje własny układ elektryczny do odpowiedniego przekształcenia napięcia.

Porsche stosuje natomiast inne rozwiązanie w modelu Macan Electric. Przy ładowaniu z infrastruktury 400 V jego 800-woltowy akumulator może zostać odpowiednio podzielony na dwa obwody 400 V, dzięki czemu możliwe jest ładowanie bez dodatkowego boostera HV. Producent podaje dla takiego ładowania moc do 135 kW. No… trudno ograniczenia są i tego nie przeskoczymy. Ale jeśli musimy się naładować Porschakiem na stacji 400V to też damy radę. Musimy co najwyżej wypić jedną kawę więcej😉.

To bardzo ważne z punktu widzenia infrastruktury.

Rozwój samochodów 800 V nie oznacza automatycznie, że cały istniejący park ładowarek 400 V przestaje mieć sens.

Wręcz przeciwnie.

Przez długi czas będziemy mieli do czynienia z mieszanym środowiskiem.

Samochody 400 V.

Samochody 800 V.

Różne zakresy napięcia.

Różniące się maksymalne prądy.

Różne krzywe ładowania.

I różne wymagania producentów.

Z punktu widzenia operatora ważne jest coś jeszcze

Ładowarka DC nie działa w próżni.

Jej parametry muszą odpowiadać nie tylko samochodowi, ale całemu systemowi energetycznemu.

Jeżeli projektujemy punkt ładowania o mocy 400 kW, nie wystarczy powiedzieć: „potrzebujemy urządzenia 400 kW”.

Trzeba odpowiedzieć na pytanie, jak ta moc będzie dostarczana, kiedy będzie potrzebna i w jakim stopniu będzie wykorzystywana.

Przy większych hubach dochodzi kwestia jednoczesności ładowania.

Jeżeli kilka samochodów ładuje się równocześnie, moc dostępna dla pojedynczego stanowiska może być zarządzana dynamicznie.

I tutaj 800 V również ma znaczenie.

Samochód zdolny przyjąć dużą moc przy wysokim napięciu może osiągnąć ją przy niższym prądzie niż podobny samochód 400 V.

Ale infrastruktura nadal musi być przygotowana na odpowiedni poziom mocy.

Jeżeli samochód ma pobrać 200 kWh w określonym czasie, infrastruktura nadal musi tę energię dostarczyć.

Zmienia się przede wszystkim sposób jej przesyłania.

Czy 800 V jest więc przyszłością?

W przypadku szybkiego i ultraszybkiego ładowania trudno nie zauważyć kierunku zmian.

Porsche Taycan był pierwszym seryjnym samochodem na świecie wykorzystującym architekturę 800 V (4 września 2019 – ale ten czas leci😉), a dziś rozwiązania wysokiego napięcia znajdujemy już w wielu modelach różnych producentów. IEA wskazuje, że rozwój szybkiego ładowania i elektroniki mocy przyspiesza przechodzenie w stronę wyższych napięć.

Jednocześnie nie oznacza to końca 400 V.

Ta architektura pozostaje bardzo sensowna w samochodach, w których ekstremalnie szybkie ładowanie nie jest priorytetem. Ale nawet stare Tesle Model 3 z 2018 roku, w wersji Long Range z pakietem Panasonic, potrafią się doładować na 400V w zakresie od 20-80% SOC w czasie dokładnie 22 minut. Nieźle, choć nie tak dobrze jak auta wyposażone w architekturę 800V, którym ten sam zakres doładowania zabiera zaledwie 18 minut. Niestety też – dla posiadaczy aut Tesli – nowsze modele 3 oraz Y, nie radzą sobie już tak dobrze i ciężko ujrzeć na ich ekranie głównym, podczas ładowania wartość równą 250 kW. Cóż… bezpieczeństwo i długa żywotność baterii wydaje się dla Tesli priorytetem. Ale czy nie zostaną przez to trochę w tyle za szybko rozwijającą się konkurencją? No właśnie…

Ale wracamy do naszych rozważań.

Dla auta miejskiego, samochodu używanego głównie lokalnie czy pojazdu ładowanego przez noc w domu różnica między 400 a 800 V może mieć dla użytkownika niewielkie znaczenie.

Jeżeli samochód przejeżdża dziennie kilkadziesiąt kilometrów, nie musi przecież uzupełniać energii w tempie 300 kW.

Problem zaczyna się wtedy, gdy chcemy szybko odzyskać duży zasięg podczas podróży.

Wtedy wysoka moc ładowania przestaje być ciekawostką.

Staje się elementem całego doświadczenia z samochodem.

Najważniejsze nie jest jednak 400 ani 800 V

To może zabrzmieć paradoksalnie, ale z punktu widzenia infrastruktury najważniejsza nie jest sama liczba.

Najważniejsza jest spójność całego systemu.

Samochód.

Bateria.

BMS.

Elektronika mocy.

Chłodzenie.

Przewód.

Złącze.

Ładowarka.

Przyłącze.

System zarządzania energią.

Każdy z tych elementów może stać się ograniczeniem.

Możemy mieć ładowarkę 600 kW, ale samochód może przyjąć 200 kW.

Samochód może posiadać architekturę 800 V, ale temperatura baterii może ograniczyć moc.

Możemy mieć samochód zdolny przyjąć 300 kW, ale stacja może dzielić moc pomiędzy kilka stanowisk.

Możemy też mieć odpowiednio mocną stację i samochód, ale niewłaściwe warunki po stronie infrastruktury energetycznej.

Dlatego rozmowa o 400 i 800 V nie powinna sprowadzać się do pytania:

„Które napięcie jest lepsze?”

Lepsze pytanie brzmi:

„Jakie napięcie i jaka architektura pozwalają osiągnąć potrzebną moc przy rozsądnych stratach, kosztach i wymaganiach całego systemu?”

Długie to pytanie, ale chyba zawiera wszystkie składniki i jest dość kompletne…😉!

I właśnie tutaj kończy się marketingowe „800 V”, a zaczyna prawdziwa inżynieria ładowania.

400 V nie umiera. 800 V otwiera kolejne drzwi.

Samochody elektryczne będą potrzebowały coraz większych mocy ładowania, szczególnie na trasach szybkiego ruchu i w zastosowaniach flotowych.

A im większa moc, tym bardziej znaczenie ma sposób, w jaki tę moc przesyłamy.

400 V było przez lata bardzo dobrym kompromisem pomiędzy kosztami, złożonością i możliwościami.

800 V pozwala przesunąć granicę dalej.

Nie dlatego, że „800 jest dwa razy lepsze od 400”.

Tylko dlatego, że przy tej samej mocy pozwala pracować z niższym prądem, ograniczać straty rezystancyjne i projektować układy zdolne do obsługi bardzo wysokich mocy bez konieczności przepychania przez cały tor energetyczny coraz większych wartości natężenia.

I być może właśnie to jest najważniejsza rzecz, którą warto zapamiętać.

Przyszłość szybkiego ładowania nie będzie polegała wyłącznie na tym, żeby zwiększać liczbę kilowatów na ekranie ładowarki.

Będzie polegała na tym, żeby te kilowaty dostarczać efektywnie do auta…

Fot: x.com/itskyleconner