Δημοσιεύτηκε 19 Νοεμβρίου, 2019 από τον Jeffrey Jenkins, Newswire, The Tech.
Πως η συστοιχία των συσσωρευτών που λειτουργεί σε υψηλότερη τάση βοηθάει ώστε να επιτυγχάνεται ταχύτερη φόρτιση
Η Porsche πήρε αξιοσημείωτη απόφαση όταν επέλεξε να χρησιμοποιήσει ηλεκτρικό κύκλωμα σε τάση 800 V για το ηλεκτρικό της μοντέλο Taycan αφού σχεδόν όλα τα άλλα υβριδικά ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα, μέχρι τότε, χρησιμοποιούσαν κυκλώματα των 400 V κατά μέγιστο. Θα πρέπει να αναφερθεί, για την ορθή αξιολόγηση μιας τέτοιας απόφασης, ότι στην αγορά δεν υπήρχε μεγάλη προσφορά έτοιμων εξαρτημάτων που να λειτουργούν σε τόσο υψηλή τάση και επαρκώς δοκιμασμένων σε σκληρές συνθήκες λειτουργίας επί μακρά χρονικά διαστήματα (λειτουργία σε καθημερινή βάση, σε κάθε είδους κλίμα επί γης και για 10 ή 15 χρόνια) όπως επιβάλλεται να συμβαίνει στον κόσμο της βιομηχανίας αυτοκινήτων. Έτσι η Porsche υποχρεώθηκε να συνεργαστεί εξ’ υπαρχής πολύ στενά με τους προμηθευτές της και να σχεδιάσει μαζί τους τα πάντα από τους ημιαγωγούς μέχρι και τα μονωτικά υλικά.
Γιατί όμως διάλεξε αυτόν τον πολύ δύσκολο δρόμο? Η απάντηση σχετίζεται άμεσα με το πρόβλημα της δημιουργίας θερμότητας κατά μήκος των ηλεκτρικών κυκλωμάτων τα οποία συμμετέχουν στην ταχεία φόρτιση της συστοιχίας του αυτοκινήτου, αρχής γενομένης από το δίκτυο και φτάνοντας μέχρι και το κάθε ένα από τα στοιχεία των συσσωρευτών ξεχωριστά. Ειδικότερα δε στους αγωγούς και ακροσυνδέσμους (βύσματα) που χρησιμοποιούνται προκειμένου να επιτευχθεί υπερταχεία φόρτιση από έναν εξωτερικό φορτιστή συνεχούς ρεύματος. Στην πράξη αυτά τα συστήματα υπερταχείας φόρτισης είχαν ήδη φτάσει στο όριό τους με τα κυκλώματα των 400 V.
Ο ισχυρισμός ότι η συστοιχία με την υψηλότερη τάση επιτρέπει ταχύτερες φορτίσεις μπορεί σε μια πρώτη θεώρηση να μην ακούγεται ορθός, από θεωρητικής πλευράς, αφού κάθε συστοιχία έχει μια συγκεκριμένη χωρητικότητα σε kWh και η ενέργεια που απαιτείται για να την φορτίσει υπολογίζεται ως το γινόμενο της ονομαστικής τάσης λειτουργίας της επί την ένταση φόρτισης και το χρόνο διάρκειας της φόρτισης. Στον ίδιο δηλαδή χρόνο και με την ίδια ενέργεια μπορούμε να φορτίσουμε μια συστοιχία 400 V εάν την τροφοδοτήσουμε με 200 Α ή μια συστοιχία 800 V εάν την τροφοδοτήσουμε με 100 Α. Ο αναγκαίος χρόνος φόρτισης είναι πάντα το πηλίκο της διαίρεσης της χωρητικότητας της συστοιχίας διαιρούμενης με τη ισχύ με την οποία την φορτίζουμε.
Εντούτοις, ενώ όλες οι άλλες παράμετροι παραμένουν ίδιες, η θερμότητα που εκλύεται μέσα σε ένα ηλεκτρικό αγωγό εξαρτάται από τη διατομή του και την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που τον διαρρέει. Στην περίπτωση των αγωγών και ακροσυνδέσμων που χρησιμοποιούμε για την υπερταχεία φόρτιση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων από εξωτερικό φορτιστή συνεχούς ρεύματος, αντιμετωπίζουμε ακόμα και στα αυτοκίνητα με συστοιχία 400 V το πρόβλημα της μεγάλης διατομής τους, του βάρους τους, της αντίστοιχης δυσκαμψίας τους και γενικώς της δυσχέρειας χειρισμού τους από τους χρήστες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων και ως εκ τούτου κάθε ιδέα για περαιτέρω αύξηση της διατομής τους δεν φαίνεται να μοιάζει με εφικτή. Επομένως για την αντιμετώπιση της ανάγκης αξιοποίησης συστοιχιών μεγαλύτερης χωρητικότητας, χωρίς να αυξηθούν οι χρόνοι της υπερταχείας φόρτισης, ή λύση της αύξησης της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας των συσσωρευτών αποτελεί μονόδρομο αφού με την ίδια ένταση φόρτισης που θα χρησιμοποιούσαμε για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο των 400 V μπορούμε να τροφοδοτήσουμε τη συστοιχία του αυτοκινήτου των 800 V με διπλάσια ενέργεια.
Ίσως να φαίνεται περίεργη η λογική της Porsche να ασχοληθεί με ένα πρόβλημα που περισσότερο θα έπρεπε να ενδιαφέρει τους κατασκευαστές των εξωτερικών ταχυφορτιστών συνεχούς ρεύματος και λιγότερο τους κατασκευαστές των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Τα πράγματα όμως δεν είναι έτσι.
Ας δούμε το θέμα των ηλεκτρικών αυτοκινήτων με τις υψηλής τάσης συστοιχίες συσσωρευτών και από μια άλλη πλευρά. Στα πρώτα χρόνια της ηλεκτροκίνησης ο ελάχιστος αναγκαίος χρόνος φόρτισης των συσσωρευτών καθοριζόταν από τη φύση των ίδιων των επί μέρους στοιχείων από τα οποία απαρτιζόταν η συστοιχία. Αυτά μπορούσαν να δεχτούν συγκεκριμένου μεγέθους ισχύ ταχείας φόρτισης χωρίς να ανέβει η θερμοκρασία τους σε επικίνδυνα για την αντοχή τους επίπεδα.
Με την πάροδο του χρόνου, αργά μεν αλλά σταθερά, η τεχνολογία κατασκευής των στοιχείων βελτιώθηκε. Τα στοιχεία μπορούσαν τώρα να δεχθούν υψηλότερα ποσά ενέργειας φόρτισης στον ίδιο χρόνο και να παραμένουν ασφαλή λειτουργώντας σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Οι μεγάλου μεγέθους συστοιχίες των συσσωρευτών που αρχικά δεν υπερέβαιναν την ισχύ των 50 kW, στη συνέχεια κατασκευάσθηκαν με ισχύ 100 kW ή 150 kW και στο μέλλον περιμένουμε να δούμε συστοιχίες ακόμα μεγαλύτερης ισχύος η ταχεία φόρτιση των οποίων όμως, στον ίδιο χρόνο, θα απαιτεί υψηλότερες τάσεις προκειμένου να μην αυξηθούν υπέρμετρα οι εντάσεις. Η ανάγκη αυτή επηρέασε βεβαίως και τις μέγιστες αποδεκτές τιμές τάσεως λειτουργίας των αγωγών και ακροδεκτών των συστημάτων CHAdeMO και CCS πρώτης γενιάς τα οποία τώρα εξελίσσονται ώστε να λειτουργούν με τάσεις από 500 V μέχρι 1,000 V προκειμένου να στέλνουν στη συστοιχία πολύ μεγαλύτερη ισχύ φόρτισης χωρίς να μεγαλώσει η διατομή των αγωγών ή να αυξηθεί η θερμοκρασία λειτουργίας τους. Απλά, αφού δεν μπορούμε να κάνουμε τα καλώδια μεγαλύτερα, η μόνη λύση για να αυξήσουμε την ισχύ που θα διαβιβάζουμε μέσα από αυτά είναι να ανεβάσουμε την ονομαστική τάση αφού η ισχύς είναι το γινόμενο της τάσης επί την ένταση: P=V*I.
Έτσι, εάν η Porsche ή οποιοσδήποτε άλλος κατασκευαστής επιθυμεί να εκμεταλλευτεί τις δυνατότητες των μελλοντικών συστημάτων υπερταχείας φόρτισης είναι υποχρεωμένος να χρησιμοποιήσει συστοιχίες συσσωρευτών με υψηλή ονομαστική τάση 800V ή και περισσοτέρων.
Η συστοιχία των 800 V του Taycan αξιοποιεί τις τρέχουσες τεχνολογίες συσσωρευτών. Τα στοιχεία είναι συνδεδεμένα σε ομάδες εν σειρά και εν παραλλήλω έτσι ώστε το ονομαστικό δυναμικό της συστοιχίας να ανεβαίνει στα 800 V. Τα ίδια αυτά στοιχεία θα μπορούσαν να συνδεθούν με τρόπο που να δίνει ονομαστική τάση 350 V ή 400 V και με την ίδια χωρητικότητα.
Το σημαντικό αποτέλεσμα της χρήσης συστοιχίας υψηλής ονομαστικής τάσης είναι το ότι επηρεάζονται και πολλά άλλα συστήματα του ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Η επιλογή αυτής της υψηλής τάσης πρέπει για τον λόγο αυτό να αποφασισθεί στα πρώτα στάδια σχεδίασης. Οι ηλεκτροκινητήρες χρειάζονται διαφορετικά τυλίγματα πηνίων, οι αγωγοί υψηλότερης απόδοσης μονώσεις, οι αναστροφείς πρέπει να κατασκευάζονται με εξαρτήματα κλάσης τουλάχιστο 1200 V στα τμήματα ισχύος κλπ. Επειδή μάλιστα οι προμηθευτές της Porsche δεν διέθεταν έτοιμα τέτοια εξαρτήματα όπως MOSFET ή IGBT αυτής της κλάσης χρειάστηκε κλειστή συνεργασία μαζί τους από τα πρώτα στάδια της σχεδίασης
Το βήμα πάντως έγινε. Είναι βέβαιο ότι και άλλοι κατασκευαστές ηλεκτρικών αυτοκινήτων θα το ακολουθήσουν (κάτι που ήδη συμβαίνει). Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα για να εξελιχθούν ακόμα περισσότερο θα χρησιμοποιήσουν υψηλότερες ονομαστικές τάσεις συστοιχίας συσσωρευτών. Το φαινόμενο άλλωστε δεν είναι καινούργιο. Εφαρμόστηκε εδώ και πολλά χρόνια στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας
Πηγές: Porsche, Ars Technica, IEEE Spectrum
