Na rynku mamy dziś dwie architektury samochodów elektrycznych: 400 V i 800 V. W obu przypadkach są to przybliżone nominalne napięcia pakietów baterii (400 woltów, 800 woltów), do których musieli się też dopasować producenci ładowarek DC, prądu stałego. Jako że architektura 400 V jest starsza, większość infrastruktury zaczęła od tego napięcia. Powoduje to szereg komplikacji w samochodach 800 V, z którymi musieli sobie poradzić inżynierowie tworzący te auta.
Poradzili sobie. Ale na różne sposoby. Porsche i Lucid inaczej, Kia i Hyundai inaczej.
Architektura samochodu elektrycznego a moce ładowania
Spis treści
Zacznijmy od tego, że „400 V” i „800 V” to wartości orientacyjne, przybliżone, bo niektóre modele mają napięcie 330 V (np. Mercedes EQE), inne około 350 V (np. Tesla Model 3, VW ID.4), jeszcze inne 450 V (np. Tesla Model S Plaid). Tak samo jest z architekturą 800 V, Kia EV6 ma nominalnie 520 V przy 58 kWh, Kia EV9 – 550 V, Hyundai Ioniq 5 77 (74) kWh – 700 V, Lucid Air Dream Edition 924 V i tak dalej.
Podkreślmy, to są napięcia nominalne, czyli dotyczą określonego poziomu rozładowania ogniw. Napięcia maksymalne (np. podczas ładowania) są wyższe. Zwykle są one bliskie wartościom, które znamy z „architektur” (np. Tesla Model 3 LR = 400 V) – stąd też nazwy.
Jak gdyby tego zamieszania było mało, producenci ładowarek musieli się dopasowywać do samochodów. Jako punkt wyjścia dla naszej opowieści możemy przyjąć, że bazą były urządzenia działające pod napięciem 400 V i z natężeniem 125 A (nazwijmy je „ładowarkami ~400 V”). Teoretycznie mogły ładować z mocą 50 kW (=400 x 125), ale przecież rozładowana bateria ma niższe napięcie (np. 330 czy 360 V), więc nawet zaaplikowanie jej 125 amperów da maksymalnie 41 lub 45 kW mocy.
I tak też bywało:
Krok 1: rosnące natężenia
Gdy baterie miały 20-30 kWh pojemności, ładowanie z mocą 40+ kW było, powiedzmy, akceptowalne – uzupełniało energię w około 40 minut. Gdy jednak akumulatory zaczęły rosnąć, moce wynoszące 50 kW okazały się zbyt niskie. Producenci ładowarek nie mogli zbyt mocno ingerować w napięcia (doszli do maksymalnie 500 V), bo te zależały od producentów samochodów. Mogli natomiast zaoferować wyższe natężenia.
I tak zaczął się powolny marsz w górę: 150 A (60 kW)… 175 A (70 kW)… 250 A (100 kW)… 350 A (140 kW)… 500 A (200 kW). Firmy trzymające się wytycznych dotyczących złącza CCS zatrzymały się na 500 amperach, ponieważ takie było maksimum wyznaczone przez standard. Tę wartość przeskoczyła Tesla, która potrafi ładować swoje (i tylko swoje) samochody z natężeniami przekraczającymi 600 amperów.
Dzisiejsze maksimum w autach stosujących architekturę 400 V wynosi około 200 kW, bo wtyczki nie są homologowane do natężeń wyższych niż 500 A. W niektórych modelach wartość bywa minimalnie wyższa (np. Mercedes EQS, Tesla Model S Plaid), ale wedle naszej najlepszej wiedzy jest to efekt nieco wyższych napięć pakietu.
Tesle ładujące się na Superchargerach potrafią osiągać do 250 kW. W przyszłości może być więcej. To już poza granicą specyfikacji standardu CCS, ale Tesla już taka jest – niewykluczone, że zmodyfikowała go do własnych potrzeb (i na własne ryzyko), bo przekroczyła 500 czy nawet 600 amperów:
Jakie problemy powodują wyższe natężenia?
Tak jak powiedzieliśmy przed chwilą, przy ładowaniu z mocą 200 kW kończą się możliwości architektury 400 V. Twórcy standardu CCS najwyraźniej uznali, że te maksymalne 500 amperów, do których zaprojektowali złącze, port i przewód, są mocno na zapas, że najsłabszym ogniwem będą, nomen omen, ogniwa Li-ion.
Tymczasem baterie w samochodach elektrycznych przebiły barierę 100 kWh, pojawiły się na rynku ogniwa Li-ion wytrzymujące w szczycie ładowanie z mocą 3,3 C (3,3 x pojemność baterii = np. 330 kW i więcej), są też takie, które w dużym przedziale wytrzymują 2 C. Przyjrzyjmy się przykładowemu akumulatorowi Mercedesa EQS/EQS SUV: przy 107,8 kWh pojemności użytecznej 3,3 C wynosiłoby 356 kW.
Nie ma ładowarek przystosowanych do współpracy z architekturą 400 V, które osiągnęłyby 356 kW, bo wymagałyby natężenia 890 amperów (=356 000/400). Nie ma i raczej nie powstaną, bo specyfikacja CCS poszła w innym kierunku.
Nawet gdy ograniczymy maksymalną moc ładowania do przedziału 10-80 procent (75,5 kWh), 3,3 C odpowiadałoby 249 kW. Nadal nie ma takich ładowarek, żadna nie osiągnie natężenia 623 amperów. Reasumując: nawet gdyby Mercedes zastosował ogniwa z Tesli czy Porsche Taycan, nie mógłby ich ładować z maksymalnymi mocami, bo na świecie nie istnieją ładowarki ~400 V działające z tak wysokimi natężeniami (nie licząc Superchargerów).
Dziś ogniwa Mercedesa są gorsze, więc właściciele EQS-ów czy EQE kwitną na stacjach ładowania prawie dwa razy dłużej niż posiadacze Kii EV6 czy Porsche Taycan/Audi e-tron GT. Problem ma zostać rozwiązany dopiero wraz z zespołem napędowym e.ATS2.0, gdzie podniesione zostanie napięcie w instalacji.
Krok 2: wyższe napięcia architektur, wyższe napięcia na ładowarkach
Jeśli powiększamy baterię i chcemy, by nasz samochód elektryczny ładował się jak najszybciej, ale wiemy, że maksymalne natężenie (I) na ładowarkach wynosi 500 amperów i raczej nie wzrośnie, musimy zainteresować się drugim składnikiem z wzoru na moc [ładowania], P = I x U. Musimy zainteresować się napięciem (U).
Tak zrobiło m.in. Porsche w Taycanie. W samochodzie zastosowano absolutnie najlepsze ogniwa Li-ion, jakie były wtedy dostępne dla branży motoryzacyjnej (nie licząc własnych ogniw Tesli), które oferowały wysokie gęstości energii i znosiły ładowanie z mocami przekraczającymi 3 C. Gdyby zdecydowano się na architekturę 400 V, Porsche Taycan 93,4 (83,7) kWh mogłoby się ładować z maksymalną mocą 200 kW, czyli nie więcej niż 2,4 C (= 200 / 83,7), zatem w najlepszym razie stałoby na ładowarce co najmniej 25 minut (= 60 / 2,4).
Po co przepłacać za najlepsze ogniwa w branży, skoro nie zdołamy wykorzystać ich potencjału?
Rozwiązaniem było podniesienie napięcia pakietu. W zależności od pojemności akumulatora nominalne napięcie baterii Porsche Taycan to od 610 do 835 V (zależy od wersji i pojemności). Jeśli mamy 610 V napięcia i 500 A natężenia, możemy ładować samochód z mocą 305 kW. Przy 800 V i 500 A maksimum wynosi 400 kW. 400 kW dla pakietu 83,7 kWh to prawie 4,8 C – w końcu mamy zapas, który pozwala nam na wykorzystanie pełnego potencjału ogniw.
Jakie problemy powodują wyższe napięcia, czyli docieramy do meritum
Jeśli napięcie pakietu baterii wynosi 800 V („architektura 800 V”), to na ładowarkach obsługujących takie napięcia („ładowarka ~800 V”) możemy rozpędzać się do maksymalnych mocy ładowania. I w zasadzie do każdych innych, bo urządzenia tego rodzaju zwykle potrafią regulować napięcie w przedziale do 920 lub 1 000 V, czyli ładowarka ~800 V poniekąd zawiera w sobie ładowarkę ~400 V.
Ale zaraz, zaraz: co ze starymi ładowarkami, które zaprojektowano do napięć wynoszących maksymalnie 500 V? Przecież gdy napięcie będzie zbyt niskie, w ogóle nie naładujemy baterii!
I tutaj mamy dwa rozwiązania: niemieckie i południowokoreańskie.
Rozwiązanie niemieckie to najprostsza, ale działająca inżynieria: skoro potrzebny jest ktoś do otwierania drzwi, zatrudnijmy kogoś do otwierania drzwi. Skoro napięcie pakietu wynosi 610-835 V, a uruchamiane dotychczas ładowarki zaprojektowano z myślą o 300-500 V, dodajmy do samochodu przetwornicę, która podniesie napięcie ładowania do pożądanych parametrów.
Jak pomyślano, tak zrobiono. W Porsche w standardzie (dotyczy ładowarek ~400 V) jest przetwornica obsługująca do 50 kW, lecz jeśli chcemy, możemy dokupić taką, która pozwoli nam rozpędzić się do 150 kW. Osiągnąć 150 kW, gdy sprzęt obsługuje maksymalnie 200-220 kW, to całkiem niezły wynik. Warto dopłacić:
W Lucidzie w standardzie jest tylko podstawowa przetwornica, na ładowarkach starszego typu (~400 V) samochód osiąga 50 kW. I koniec. Nie słyszeliśmy, żeby ktoś rozpędził się do wyższych mocy.
Hyundai i Kia poszły nieco inną drogą: zamiast stosować dodatkową przetwornicę, w samochodach na platformie E-GMP wykorzystały tę, która jest już w zestawie. Czyli falownik przy silniku. O ile w przypadku ładowarki ~800 V (zdjęcie nr 1), energia trafia bezpośrednio do baterii, o tyle przy ładowarkach ~400 V zasilany jest falownik przy silniku, który dopasowuje parametry prądu w taki sposób, by odpowiadały baterii (zdjęcie nr 2):
Proces zaprojektowano tak sprytnie, że przy większości nawet starszych ładowarek ~400 V (40 kW, 50 kW, 70 kW) Kia EV6, Kia EV9, Hyundai Ioniq 5 czy 6 powinny osiągać moce ładowania bliskie maksymalnym dla danego urządzenia. Z reguły wyższe niż modele o, wydawałoby się, dopasowanych architekturach. Hyundai Motor Group chwali się, że opatentował swój system.
Krok 3: odpowiedź
Odpowiadając na pytanie zawarte w tytule: jeśli kupimy samochód elektryczny z architekturą 800 V wykonany metodą niemiecką (Porsche Taycan, Audi e-tron GT, Lucid Air), na starszych ładowarkach ~400 V będziemy mieli niskie moce ładowania, z reguły do 50 kW. Gdy dokupimy opcjonalną przetwornicę (nie dotyczy Lucida Air), moce ładowania będą akceptowalne.
Samochód południowokoreański z architekturą 800 V osiągnie moce ładowania bliskie maksymalnym i na ładowarkach ~400 V, i ~800 V, bez dodatkowych zakupów.
Wszystkie elektryki z architekturą 800 V to dziś raptem kilka modeli, ale zanosi się na to, że przy samochodach luksusowych lub dużych, z akumulatorami większymi niż około 90 kWh, architektura 800 V stanie się rozwiązaniem dominującym.
Nota od redakcji Elektrowozu: na metodę „dookoła” wpadł też swego czasu Renault. Tam też punkt ładowania rozpędzał wirnik silnika, by ten wyindukował pole magnetyczne, które generowało prąd przekształcany przez falownik i trafiający do baterii. Mechanizm był sprytny i pozwalał na osiągnięcie nawet 43 kW (silniki z serii Q) na słupkach AC, ale straty były większe niż przy bezpośrednim ładowaniu prądem stałym.
Nie przegap nowych treści, OBSERWUJ Elektrowoz.pl w Google News. Mogą Cię też zainteresować poniższe reklamy:Jeśli chcesz wynagrodzić Czytelników, którzy są niezawodni w niesieniu pomocy na Forum Elektrowozu, możesz kupić Teslę korzystając z któregoś z tych linków polecających: 7/ nabrU, 8/ ciastek, 9/ ELuk.
Zasady zabawy znajdziesz TUTAJ.
