Architektura 1 000 V w pojazdach elektrycznych: przyszłość szybkiego ładowania czy technologiczne wyzwanie?

Architektura 1 000 V w pojazdach elektrycznych: przyszłość szybkiego ładowania czy technologiczne wyzwanie? Wydaje się, że chyba to i to, jednocześnie😉. Jednak prześledźmy, to co dziś wiadomo na ten temat.

Rosnące napięcie w układach EV (od klasycznych 400 V, poprzez 800 V, aż do ambitnych 1 000 V) to temat, który zyskuje na znaczeniu. Szczególnie w Chinach, gdzie producenci już testują prototypy i modele produkcyjne z platformami 1 000 V. Poniżej kompleksowa analiza, czyli technologia, zalety, ograniczenia i perspektywy.

Dlaczego podnosi się napięcie, czyli fizyka w służbie prędkości (mocy) ładowania

Z podstawowego równania mocy wynika, że dla tej samej mocy można zmniejszyć natężenie prądu, gdy napięcie wzrośnie. Przy ładowaniu DC to kluczowe, bo ograniczenia cieplne i rezystancyjne przewodów stają się barierą. Nikt nie chce "kabli", grubości ramienia, które wyrwą gniazdo ładowania z pojazdu, po ich podłączeniu.
• Przy 400 V, aby dostarczyć np. 300 kW, prąd musi być duży, co wymaga grubych kabli, lepszej izolacji i mocnego chłodzenia.
• Przejście do 800 V lub nawet 1 000 V, zmniejsza pobór prądu przy tej samej mocy, redukując straty w przewodach i samą masę przewodów.
• Mniejsze natężenie prądu, oznacza lżejszą instalację HV (high-voltage), co pośrednio przekłada się na lepszą efektywność energetyczną i większy zasięg.

Takie ładowanie jest po prostu bardziej efektywne

To nie tylko teoria, bowiem w Chinach, BYD ogłosił swoją platformę 1 000 V, która ma umożliwić doładowanie 400 km w zaledwie 5 minut. Taki wynik robi wrażenie, przyznacie to sami!

Przykłady z rynku, czyli kto dziś idzie w kierunku 800 V?

Choć 1 000 V, jako standard masowy, to jeszcze przyszłość, niektóre firmy są już dziś na zaawansowanym etapie:
• BYD zapowiada, że nowe modele (np. z serii Dynasty, mowa o Han L, Tang L) będą obsługiwać architekturę 1 000 V. To pozwoli ładować 400 km zasięgu w około 5 minut.
• Nio ET9: wprowadza architekturę 900 V / system „full-domain 900 V”, z maksymalną mocą ładowania do 600 kW.
• W dokumentacji technicznej pojawia się też plan, by Tesla Semi korzystał z 1 000 V, a nadchodzące Superchargery wersji V4 mają wspierać napięcie do 1 000 V.

Te przypadki pokazują, że przejście z architektur 400 V → 800 V → 1 000 V, to realna ścieżka, choć nie bez wyzwań.

Zalety architektury 1 000 V

1. Ekspresowe ładowanie
Z wysokim napięciem, można osiągać bardzo wysokie moce ładowania, bez konieczności przekraczania bezpiecznych wartości prądu. To oznacza skrócenie czasu postoju na ładowanie, a dobrze wiemy wszyscy, że jest to kluczowy czynnik komfortu podróży autem EV.
2. Niższe straty i niższy ciężar przewodów
Dzięki redukcji prądu (niższe natężenie), kable mogą mieć mniejsze przekroje, co zmniejsza straty (rezystancyjne) oraz masę instalacji wysokiego napięcia. Przy architekturze 800 - 1000 V, nie ma potrzeby stosowania agresywnego chłodzenia przewodów. Oczywiście aktywne chłodzenie, to zawsze dobry pomysł, w przypadku ogromnych mocy (400-600 kW). Jednak w instalacjach "wysokowoltowych" przewody nie grzeją się aż tak bardzo.
3. Lepsze zarządzanie termiczne
Wyższe napięcie, generuje mniejsze wydzielanie ciepła, przy tej samej mocy, ale mniejszym natężeniu prądu. To przekłada się na łatwiejsze chłodzenie i mniejsze obciążenie termiczne baterii. O temperaturze przewodów wspomnieliśmy punkt wyżej.
4. Wyższa integracja komponentów
Przy projektowaniu od nowa (auta, elektronika mocy) łatwiej można zintegrować ogniwa, falowniki, DC/DC w jednej bardziej zoptymalizowanej architekturze.
5. Potencjał dla platform przyszłości
1 000 V daje „zapas” rozwoju, kiedy moc ładowania będzie rosła, infrastruktura i auto będą już przygotowane.

Ograniczenia i wyzwania techniczne

Wysokie napięcie nie jest panaceum, bowiem patrząc z drugiej, technicznej strony, każde podniesienie napięcia, wprowadza dodatkowe trudności:
• Komponenty wytrzymujące napięcie
Inwertery, przetwornice, kondensatory czy przełączniki, muszą być zaprojektowane na wyższe napięcia, co generuje wyższe koszty i długotrwałe prace rozwojowe.
• Bezpieczeństwo i rozładowanie awaryjne
W przypadku wypadku, trzeba szybko rozładować napięcie resztkowe. Przy 1 000 V, systemy muszą być znacznie bardziej zaawansowane, by spełnić normy bezpieczeństwa.
• Zakres korzyści maleje
Im napięcie wyższe, tym mniejsze przyrosty wydajności przy kolejnym skoku, istnieje punkt zwrotny, gdzie koszty przewyższą zyski.
• Infrastruktura ładowania
Obecne ładowarki są głównie projektowane dla 400 V / 800 V. Przejście na 1 000 V, wymaga modernizacji stacji, co pociąga ogromne koszty i czas. Oczywiście, przyjdzie moment, ze wszystkie nowo budowane stacje od razu będą obsługiwać architekturę 1000 V. Ale na to musimy jeszcze zaczekać.
• Kompleksowość BMS (Battery Management System)
Podłączenie połączeń szeregowych ogniw, na wyższe napięcie, wymaga precyzyjnego sterowania, balansowania i zabezpieczeń. Systemy BMS stosowane dziś, nie są niestety doskonałe. A w przypadku zastosowania aż 1000 V, musza być one naprawdę perfekcyjne. Jeśli chcemy, aby nasze baterie trakcyjne służyły nam długo i bezawaryjnie.

Czy 1 000 V stanie się standardem? Perspektywa 5–10 lat...

Naszym zdaniem: tak, ale stopniowo i w wybranych segmentach. Nie wszystkie auta będą musiały mieć 1 000 V. Ta architektura ma sens, przede wszystkim w dużych autach EV premium, luksusowych limuzynach, SUV-ach lub cięższych pojazdach, gdzie zysk z redukcji masy i szybkie ładowanie, ma ekonomiczny sens.

W segmencie masowym, nadal mogą dominować 400 V / 800 V (tańsze w produkcji i kompatybilne z istniejącą infrastrukturą).

1 000 V będzie “premium dodatkiem”, który z czasem, przy spadku kosztów technologii, może się uogólnić. Być może nawet dojdzie do sytuacji, kiedy małe miejskie auta, będą dysponować tą technologią. Jednak taki scenariusz wymaga czasu, i zdecydowanego obniżenia kosztów komponentów.

Producenci ryzykujący pozostanie w niższych napięciach, stracą przewagę w szybkości ładowania i efektywności, ale ryzyko migracji do 1 000 V też jest wysokie, gdy architektury nie będą dopracowane.

Wnioski

Architektura 1 000 V, stanowi kolejny krok w ewolucji EV. To szansa na skrócenie czasu ładowania, redukcję masy i poprawę efektywności. Ale nie jest rozwiązaniem magicznym, bowiem łączy się z kosztami, wyzwaniami konstrukcyjnymi i koniecznością modernizacji istniejącej infrastruktury.

Jeśli architektury 1 000 V, będą rozwijały się równolegle z rozsądnym podejściem do bezpieczeństwa i kosztów, mogą stać się nowym „premium standardem” dla segmentu wyższego. W dalszej perspektywie, mogą zaś zastąpić wszystkie istniejące dziś technologie, posługujące się zdecydowanie niższym napięciem.

Fot: x.comBYDGlobal, x.comTychodeFeijter