Το 2020 η Porsche κατασκεύασε περισσότερα από 20.000 πολυτελή ηλεκτρικά αυτοκίνητα τύπου Taycan EV – το πρώτο μοντέλο ηλεκτρικού αυτοκινήτου μεγάλου κατασκευαστή που λειτουργεί με συστοιχία συσσωρευτών υψηλής ονομαστικής τάσης 800 Βολτ, τιμή υπερδιπλάσια των ονομαστικών τάσεων που χρησιμοποιούν συνήθως όλοι οι ανταγωνιστές. Όπως όμως συμπερασματικά προκύπτει, πολλοί άλλοι κατασκευαστές ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα ακολουθήσουν τον ίδιο δρόμο.
Η εταιρεία Delphi Technologies πρόσφατα ανακοίνωσε ότι θα προμηθεύει με αντιστροφείς (inverters) των 800 Βολτ τους τρείς από τους τέσσερις κορυφαίους κατασκευαστές αυτοκινήτων κατά τα επόμενα λίγα χρόνια. Η Kia και η Hyundai έχουν ήδη αναγγείλει ότι οι αρχιτεκτονικές πλατφόρμες των ηλεκτρικών τους αυτοκινήτων, που ήδη ετοιμάζονται, θα στηρίζονται σε συστοιχίες συσσωρευτών υψηλής τάσης 800 Βολτ και η GM δήλωσε ότι το Hummer EV του 2022 θα διαθέτει τη μοναδική ικανότητα να μεταβάλλει την ονομαστική λειτουργική τάση της συστοιχίας του από τα 400 Βολτ στα 800 Βολτ προκειμένου να επιταχύνεται με τον τρόπο αυτό η επαναφόρτισή της.
Τώρα το εάν οι περιπτώσεις αυτές θα πρέπει ακόμα να θεωρούνται ως μεμονωμένες μορφές εξειδίκευσης ή εάν αποτελούν κάτι σοβαρότερο αποτελεί ακριβώς το αντικείμενο θεώρησης του παρόντος άρθρου.
Ανεξάρτητα όμως από αυτό, συνιστούν επιβεβαίωση του το ότι η τεχνολογία καρβιδίου του πυριτίου (silicon carbide – SiC) εξαπλώνεται ταχύτατα στις κατασκευές των ηλεκτρονικών υποσυστημάτων των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Αυτό συμβαίνει γιατί ο μοναδικός άλλος τύπος ημιαγωγού, με επάρκεια σε ισχύ για χρήση σε αντιστροφέα (inverter) πρόωσης ηλεκτρικών αυτοκινήτων, είναι ο IGBT που όμως σε τάσεις λειτουργίας 1.200/1.700 Βολτ είναι σχετικά αργός περιορίζοντας έτσι τη μέγιστη συχνότητα διαμόρφωσης πλάτους του παλμού (PWM) σε τάξη μονοψήφιων αριθμών χιλιοκύκλων (kHz), εάν βέβαια οι απώλειες μεταγωγής θέλουμε να κρατηθούν χαμηλά σε αποδεκτά επίπεδα. Στην πράξη το πρόβλημα αυτό δεν είναι σημαντικό για τους αντιστροφείς πρόωσης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, οι οποίοι μπορούν να παράγουν υψηλής ποιότητας ημιτονικά ρεύματα με σχετικά μικρές συχνότητες PWM, όμως για τους φορτιστές και για κάθε άλλη ηλεκτρονική διάταξη μετατροπής του ρεύματος που λειτουργεί στην ονομαστική τάση της συστοιχίας υπάρχει ανάγκη χρήσης πολύ υψηλότερων συχνοτήτων γιατί με τον τρόπο αυτό μειώνονται όχι μόνο τα μεγέθη αλλά και τα κοστολόγια των μαγνητικών τους στοιχείων (μετασχηματιστές και επαγωγείς) και των χωρητικοτήτων (capacitors) αποθήκευσης ενέργειας στα διάφορα φίλτρα εξόδου τους.
Όπως συμβαίνει στις περισσότερες των περιπτώσεων στη Μηχανική, η αυθαίρετη αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας των συσσωρευτών δεν αποτελεί αναγκαστικά και μια εξ’ ορισμού καλή επιλογή και αυτό ισχύει ακόμα και παρά το επιχείρημα της εις άτοπο απαγωγής (π.χ. εάν τα 1.000 Βολτ είναι προτιμότερα των 100 Βολτ, τότε και τα 10.000 Βολτ είναι προτιμότερα των 1.000 Βολτ κ.λπ.). Όμως υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα που συνηγορούν για την αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας και το κυριότερο από αυτά βέβαια είναι η μείωση της διατομής των χάλκινων αγωγών που απαιτείται για τη διακίνηση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας (παρά το ότι απαιτείται μεγαλύτερο πάχος μονωτικού υλικού για την αντιμετώπιση της υψηλότερης τάσης, κάτι που θα εξεταστεί στη συνέχεια).
Παρά το ότι κάποιοι ταχυφορτιστές συνεχούς ρεύματος (DC) φθάνουν ακόμα και να χρησιμοποιήσουν υδρόψυκτο καλώδιο φόρτισης για να περιορίσουν την αύξηση της θερμοκρασίας του, όταν αυτό διαρρέεται επί μακρόν από υψηλές εντάσεις ρεύματος, είναι απολύτως βέβαιο ότι η αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας (αντί της αύξησης της έντασης του ρεύματος) για την επίτευξη υπερταχείας φόρτισης του αυτοκινήτου είναι απείρως προτιμότερη λύση και επιπλέον αυξάνει κατά μία ή και δύο εκατοστιαίες μονάδες τον συντελεστή αποδοτικότητας της φόρτισης λόγω της μείωσης των απωλειών από εσωτερικές αντιστάσεις (I2R) τόσο στον αγωγό όσο και στον ακροσύνδεσμο.
Μια λιγότερο προφανής ωφέλεια από την αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας, η οποία ίσως να αγγίζει τα όρια της θεωρητικολογίας, είναι και το ότι οι ταχύτητες περιστροφής των ηλεκτροκινητήρων πρόωσης των οχημάτων (RPM) μπορούν να αυξηθούν επίσης χωρίς περαιτέρω απώλειες ροπής από το αδυνάτισμα του πεδίου. Φυσικά, σύμφωνα και με την αρχή της «μη ύπαρξης δωρεάν φαγητού», οι απώλειες του εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) – τόσο στον χαλκό (π.χ. στα τυλίγματα) όσο και στο σίδερο (μαγνητικά κυκλώματα) αυξάνονται εκθετικώς κατά δύναμη μεγαλύτερη της μονάδας με την αύξηση της ταχύτητας περιστροφής.
Υπάρχει βέβαια και μηχανικό όριο στο κατά πόσο μπορεί να αυξηθεί η ταχύτητα περιστροφής ενός ηλεκτροκινητήρα πριν ο ρότορας του υποστεί αυτοδιάλυση. Τέλος, για να είμαστε ακριβείς, επειδή η ροπή είναι ανάλογος του ρεύματος και οι απώλειες από τις εσωτερικές αντιστάσεις των τυλιγμάτων είναι επίσης εκθετικώς αυξανόμενες αναλόγως με αυτό, απαιτώντας μεγαλύτερη ροπή (για μεγαλύτερη ισχύ πρόωσης) από συγκεκριμένο ηλεκτροκινητήρα καταλήγουμε στην εφαρμογή του αξιώματος των φθινουσών αποδόσεων. Για τους λόγους αυτούς δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί η ανάπτυξη δυσανάλογα υψηλής ισχύος από ένα δεδομένο ηλεκτροκινητήρα και επομένως τα προς την κατεύθυνση αυτή οφέλη της αύξησης της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας είναι περισσότερο θεωρητικά και λιγότερο πρακτικά. Άλλωστε δεν θα πρέπει εν προκειμένω να παραγνωρίζεται και το γεγονός ότι οι περισσότεροι ηλεκτροκινητήρες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων μπορούν να αντέξουν εκπληκτικές υπερφορτίσεις (από 3Χ έως 10Χ αναλόγως του τύπου) για μικρά χρονικά διαστήματα, χαρακτηριστικό ιδεώδες βέβαια για εφαρμογές πρόωσης οχημάτων
Ενώ δεν φαίνεται ότι η αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας μπορεί να επηρεάσει την ίδια την κατασκευή της, εν τούτοις υπάρχουν μερικά θέματα τα οποία πρέπει να τύχουν προσοχής. Το πλέον ευνόητο είναι ο αυξημένος κίνδυνος ηλεκτροπληξίας όταν κάποιος βρεθεί από απροσεξία να αποτελεί τμήμα ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Την ίδια προσοχή πρέπει να επισύρει και το γεγονός ότι η υψηλότερη ηλεκτρική τάση ενός κυκλώματος προκαλεί ευκολότερα εκκενώσεις με τη μορφή ηλεκτρικών τόξων τα οποία και απαιτούν για την αποφυγή τους μεγαλύτερες διαχωριστικές αποστάσεις. Αυτό επηρεάζει κατά κύριο λόγο την κατασκευή των ασφαλειών των διαφόρων κυκλωμάτων αφού στις χαμηλές τάσεις κάτω από τα 50 Βολτ συνεχούς ρεύματος ή στις μέσες τάσεις κάτω από τα 150 Βολτ του εναλλασσόμενου ρεύματος θεωρείται ικανοποιητική η χρήση ασφαλειών τύπου τηκόμενου μεταλλικού νήματος, ενώ στις υψηλότερες τάσεις απαιτείται η εφαρμογή τεχνικών οι οποίες να αυξάνουν το δημιουργούμενο κενό ή να αποτρέπουν τη δημιουργία τόξων με τη χρήση μη αγώγιμων μέσων πλήρωσης του κελύφους κάτι που αυξάνει σημαντικά τα κοστολόγια των ασφαλειών.
Ένα άλλο θέμα έχει σχέση με τον τρόπο διασύνδεσης των στοιχείων της ίδιας της συστοιχίας. Είναι γνωστό ότι η χωρητικότητα μιας συστοιχίας παραμένει τόσο καλή όσο καλό είναι και το πλέον αδύνατο από τα εν σειρά στοιχεία της (ή επι μέρους μονάδες της). Επομένως όσα περισσότερα στοιχεία (ή επι μέρους μονάδες) συνδέουμε εν σειρά, για να αυξήσουμε την ονομαστική της τάση, τόσο περισσότερο αυξάνεται η πιθανότητα ένα ή κάποια από αυτά να καταστούν ο αδύναμος κρίκος της.
Ο κίνδυνος αυτός περιορίζεται κάπως εάν συνδεθούν αρχικά πολλά στοιχεία εν παραλλήλω, ώστε να αυξηθεί η χωρητικότητα μιας επιμέρους μονάδας, και στη συνέχεια συνδεθούν εν σειρά πολλές επι μέρους μονάδες για να αυξηθεί η ονομαστική τάση της συστοιχίας.
Ένα τελευταίο σημείο το οποίο απαιτεί μέριμνα γιατί δρα ύπουλα και συνήθως υπεκφεύγει της προσοχής είναι τα ρεύματα διαρροής που ρέουν από τη συστοιχία προς το πλαίσιο του αυτοκινήτου και τα οποία αυξάνουν με την αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας. Τα κυκλώματα αυτών των διαρροών δημιουργούνται κυρίως από συμπυκνώσεις υγρασίας αλλά μπορούν να προκληθούν και από διαρροή ηλεκτρολύτη από στόμια αερισμού ή ακόμα και από διάτρηση στοιχείου, περιπτώσεις βέβαια που συνιστούν πολύ σοβαρότερα προβλήματα από εκείνο της απλής διαρροής. Ανεξάρτητα πάντως από το αίτιο, κάθε διαρροή ρεύματος της συστοιχίας προς το πλαίσιο μπορεί κατά τη διάρκεια της επαναφόρτισης να ενεργοποιήσει την ασφαλιστική διάταξη η οποία θα διακόψει τη φόρτιση. Δεν χρειάζεται βέβαια να αναφερθεί πόσο δυσάρεστο είναι το γεγονός όταν επιστρέφοντας ο ιδιοκτήτης να παραλάβει το αυτοκίνητό του φορτισμένο διαπιστώσει ότι η φόρτιση δεν ολοκληρώθηκε από κάποια, συνήθως άγνωστη σε αυτόν, αιτία.
Όπως προαναφέρθηκε, το σημαντικότερο όφελος μιας αυξημένης ονομαστικής τάσης της συστοιχίας είναι η δυνατότητα μείωσης της διατομής των αγωγών που συμπράττουν στη λειτουργία της επαναφόρτισης για μια δεδομένη ισχύ (δηλαδή για δεδομένο ρυθμό μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας). Αυτό δεν είναι ασήμαντο πλεονέκτημα όπως ίσως φαίνεται από την πρώτη ματιά γιατί το καλώδιο φόρτισης μπορεί να χρειαστεί να γίνει εξαιρετικά βαρύ και δύσχρηστο όταν χρειαστεί να μεταφέρει πολύ ισχυρά ηλεκτρικά ρεύματα. Με τη χρήση ενός μοντέρνου φορτιστή ισχύος 350 kW η επαναφόρτιση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου με συστοιχία ονομαστικής τάσης 350 Βολτ θα απαιτήσει καλώδιο φόρτισης που να αντέχει ηλεκτρικό ρεύμα 1000 Αμπέρ. Εάν όμως η ονομαστική τάση της συστοιχίας αυξηθεί στα 800 Βολτ η μέγιστη ένταση του ρεύματος επαναφόρτισης θα μειωθεί αντιστοίχως στα 440 Αμπέρ. Η διαφορά αυτή είναι τεράστια και συνηγορεί στην ευρεία αποδοχή των υψηλών ονομαστικών τάσεων των συστοιχιών ιδίως στις περιπτώσεις ηλεκτρικών αυτοκινήτων με μεγάλης χωρητικότητας συστοιχίες οι οποίες θα πρέπει να επαναφορτίζονται πολύ γρήγορα.
Για να διοχετευθεί ένταση ηλεκτρικού ρεύματος 1000 Αμπέρ χωρίς να υπερθερμανθεί το καλώδιο φόρτισης απαιτείται διατομή χάλκινου αγωγού της τάξεως των 380 τετραγωνικών χιλιοστών με βάρος ίσο προς 3,7 χιλιόγραμμα ανά μέτρο. Ένα τέτοιο καλώδιο μήκους 5 μέτρων θα φτάσει να ζυγίζει τουλάχιστο 37 χιλιόγραμμα. Εάν αξιοποιηθεί ένα υδρόψυκτο καλώδιο φόρτισης (με ότι αυτό συνεπάγεται), προκειμένου να ελαττωθεί η διατομή του αγωγού, θα προκύψει μια λογικότερη κατάσταση η οποία όμως ακόμα θα ανήκει στην κατηγορία των δυσχερώς αποδεκτών λύσεων. Αντίθετα στην περίπτωση της υψηλής ονομαστική τάσης των 800 Βολτ η ένταση επαναφόρτισης των 440 Αμπέρ απαιτεί διατομή χάλκινου αγωγού 107 τετραγωνικών χιλιοστών με βάρος 1,2 χιλιόγραμμων ανά μέτρο κάτι που τελικά οδηγεί σε καλώδιο φόρτισης μήκους 5 μέτρων και βάρους περί τα 12 χιλιόγραμμα το οποίο δεν μπορεί κατά κανένα τρόπο να συγκριθεί με εκείνο των 37 χιλιόγραμμων η εφαρμογή του οποίου θα παρομοίαζε με την απόπειρα σύνδεσης του ηλεκτρικού αυτοκινήτου με τον φορτιστή χρησιμοποιώντας ένα φίδι ανακόντα.
Είναι βέβαια αληθές ότι στην περίπτωση των υψηλότερων τάσεων λειτουργίας απαιτούνται ισχυρότερες μονώσεις των αγωγών και επομένως η ύψωση της τάσης στα 800 Βολτ απαιτεί την εφαρμογή μονώσεων υψηλότερης κλάσης από εκείνες που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα και συνήθως έχουν σαν όριο τα 600 Βολτ. Σε κάθε πάντως περίπτωση η επίπτωση είναι μικρή αφού το μονωτικό υλικό, όποιο και αν είναι αυτό που θα χρησιμοποιηθεί – PVC, EPDM κ.λπ., έχει πάχος μόνο λίγα χιλιοστά και η πυκνότητά του δεν υπερβαίνει το 1/8 της πυκνότητας του χαλκού.
Εκεί που η χρήση παχύτερων μονωτικών υλικών προκαλεί κάποιες αρνητικές επιπτώσεις που απαιτούν επανασχεδίαση κυκλωμάτων και συσκευών είναι στα μαγνητικά εξαρτήματα (επαγωγείς, μετασχηματιστές και ακόμα και στους ηλεκτροκινητήρες) επειδή η αύξηση του όγκου των μονωτικών υλικών επιφέρει μια συνακόλουθη μείωση του όγκου των μαγνητικών υλικών (και/η του όγκου του χαλκού) και επομένως δημιουργεί εξασθένηση της διαχειριζόμενης ισχύος για την οποία είχαν σχεδιασθεί αυτά τα εξαρτήματα. Και πάλι όμως αυτή η επίπτωση είναι μικρού μεγέθους. Συχνότατα αντιμετωπίζεται με την εφαρμογή πολλαπλών στρώσεων μονωτικού βερνικιού στα χάλκινα σύρματα των τυλιγμάτων για δύο κυρίως λόγους. Κυρίως γιατί τελικά οδηγεί στην κατασκευή περισσότερο αξιόπιστων συσκευών και δευτερευόντως γιατί περιορίζει την ανάγκη τοποθέτησης πολλαπλών στρωμάτων μονωτικής ταινίας μεταξύ των τυλιγμάτων και/η μεταξύ των τυλιγμάτων και του πυρήνος.
Μια άλλη αλλαγή, η οποία πρέπει επίσης να αντιμετωπισθεί, είναι και το γεγονός ότι οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές καθίστανται ακατάλληλοι προς χρήση αφού η υψηλότερη τιμή τάσης για την οποία κατασκευάζονται δεν υπερβαίνει τα 450 Βολτ. Συνήθως συνδέονται περισσότεροι του ενός εν σειρά και τοποθετούνται χαμηλής τιμής αντιστάσεις ισοζυγισμού για την εξισωτική διαίρεση της τάσης.
Πυκνωτές κεραμικού διηλεκτρικού ή διηλεκτρικού τύπου φιλμ πολυπροπυλενίου θεωρούνται καλύτερες επιλογές για τάσεις υψηλότερες των 400 βολτ τόσο διότι κατασκευάζονται με όριο ασφαλείας μεγαλύτερο των 1000 Βολτ όσο και διότι οι απώλειες στο διηλεκτρικό τους είναι πολύ χαμηλότερες και χωρίς κινδύνους διαρροών.
Μικρές αλλαγές απαιτούνται επίσης, λόγω της αυξημένης ονομαστικής τάσης της συστοιχίας, και στα κυκλώματα των αναστροφέων πρόωσης, των φορτιστών, και των μετατροπέων από συνεχές σε συνεχές ρεύμα επειδή οι επιλογές των εξαρτημάτων και των λειτουργικών χαρακτηριστικών τους (π.χ. η συχνότητα) μεταβάλλονται και αυξάνονται οι αποστάσεις χωροθέτησης στις κάρτες κυκλωμάτων λόγω της αύξησης της διαφοράς δυναμικού και του μεγαλύτερου πάχους των μονωτικών στοιχείων.
Οι βέλτιστες επιλογές ημιαγωγών και διόδων που θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα που θα λειτουργήσουν στην υψηλή ονομαστική τάση της συστοιχίας των 800 Βολτ είναι ξεκάθαρα οριοθετημένες και η τελική επιλογή τους εξαρτάται μόνο από την επιλεγείσα συχνότητα λειτουργίας, το RMS ρεύμα που θα τα διαρρέει και σε μικρότερη έκταση τις όποιες ειδικές λειτουργικές συνθήκες.
Κρίνοντας από όλα τα προαναφερόμενα, μπορεί κανείς να συμπεράνει αβίαστα ότι η αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας των ηλεκτρικών αυτοκινήτων στα 800 Βολτ μοιάζει σαν ένα λογικό βήμα εξέλιξης στην τεχνολογία της ηλεκτροκίνησης και όχι σαν κάποια μεμονωμένη και εξειδικευμένη εφαρμογή. Εύλογο είναι λοιπόν το ότι όλο και περισσότεροι κατασκευαστές εξαγγέλλουν την πρόθεση να τη χρησιμοποιήσουν όχι μόνο στα μελλοντικά τους μοντέλα αλλά ακόμα και στις επόμενες εκδόσεις αυτών που ήδη κυκλοφορούν.
-The Tech-
