Ηλεκτρικό αυτοκίνητο: Τα υπέρ και τα κατά της μετάβασης από τα 400V στα 800V

Η αρχή έγινε πριν από δυόμισι περίπου χρόνια με την Taycan, που δεν ήταν μόνο το πρώτο πλήρως ηλεκτρικό μοντέλο της Porsche, αλλά και το πρώτο όχημα παραγωγής με την τάση του ηλεκτρικού του συστήματος αυξημένη στα 800V – αντί των συνηθισμένων 400V, που συναντούσαμε μέχρι τότε στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Κάτι που είχε ως αποτέλεσμα να προσφέρεται το ιδιαίτερο πλεονέκτημα της ταχύτερης φόρτισης στους οδηγούς Taycan: σε λίγο περισσότερο από πέντε λεπτά, η μπαταρία μπορούσε - με σύνδεση σε συσκευή φόρτισης συνεχούς ρεύματος (DC) υψηλής ισχύος – να ανακτήσει ενέργεια αρκετή για αυτονομία έως και 100 km (σύμφωνα με το πρότυπο WLTP). Ενώ ο χρόνος φόρτισης από το 5% έως το 80% SoC (State of Charge –κατάσταση φόρτισης) έφτανε στα 22,5 min για φόρτιση υπό ιδανικές συνθήκες– με μέγιστη ισχύ φόρτισης τα 270 kW. Τα παραπάνω, με βάση τη μπαταρία αυξημένης αυτονομίας “Performance Battery Plus” με συνολική χωρητικότητα 93,4 kWh.

Όλα αυτά για ένα αναμφίβολα σπορ αυτοκίνητο, προϊόν μιας εταιρείας που είχε κάθε λόγο να διεκδικήσει την πρωτοπορία σε όλα τα επίπεδα. Θυμίζουμε ότι η «ναυαρχίδα» της γκάμας της Taycan, Turbo S, διέθετε ισχύ 560 kW (761 PS) που επέτρεπε 0-100 km/h σε 2,8’’ και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας 28,5 kWh/100 km, ενώ η Taycan Turbo «περιοριζόταν» στα 500 kW (680 PS), με 0-100 km/h σε 3,2’’ και κατανάλωση 28,0 kWh/100 km. Και τα δύο μοντέλα ήταν τετρακίνητα (με δύο ηλεκτροκινητήρες το καθένα) και διέθεταν αυτονομία έως 412 km στην πρώτη και έως 450 km στη δεύτερη περίπτωση. Η τελική τους ταχύτητα ήταν ίδια: 260 km/h. Τα παραπάνω λειτουργούσαν περίπου ως «διαφήμιση» της της υψηλότερης, διπλάσιας στη συγκεκριμένη περίπτωση, τάσης και με την απόδοση και με την ταχύτητα φόρτισης, καθώς αυτή μπορεί θεωρητικά να πραγματοποιηθεί με ισχύ έως 350 kW.

Τα πλεονεκτήματα της υψηλότερης τάσης είναι αυτά που οδήγησαν, στο διάστημα που μεσολάβησε, και τη Hyundai να δώσει τη δυνατότητα στη νέα της εξειδικευμένη πλατφόρμα ηλεκτροκίνησης E-GMP, που παρουσίασε πέρυσι, να λειτουργεί με τάση και 400V και 800V, στοιχείο που επιτρέπει ταχεία φόρτιση με συσκευές συνεχoύς ρεύματος (DC) ισχύος έως 350 kW. Στην επίσημη παρουσίαση της E-GMP οι Κορεάτες βεβαίωναν ότι τα ηλεκτρικά μοντέλα που θα προκύψουν από την E-GMP, θα έχουν μέγιστη αυτονομία πάνω από 500 km και θα μπορούν να «γεμίζουν» την μπαταρία τους στο 80% της χωρητικότητάς της σε μόλις 18 min. Με άλλα λόγια, θα μπορούν να αποκτήσουν επιπλέον 100 km αυτονομίας σε μόλις 5 min. Οπότε με τη βοήθεια της υψηλής τάσης η Hyundai θα βρισκόταν να ανταγωνίζεται, σε κάποιους τουλάχιστον τομείς, την Porsche. Κάτι που, όπως είδαμε, έγινε πραγματικότητα με τα Hyundai Ioniq 5 και Ioniq 6, αλλά και με το Kia EV6.

Παράλληλα, είδαμε και το γνωστό προμηθευτή υποσυστημάτων Delphi Technologies να ανακοινώνει ότι θα προμηθεύσει μετατροπείς 800V σε τρεις από τις τέσσερις παγκοσμίως κορυφαίες premium αυτοκινητοβιομηχανίες τα επόμενα χρόνια. Ενώ η General Motors ανακοίνωνε από την πλευρά της ότι το πλήρως ηλεκτρικό Hummer EV του 2022 θα έχει τη μοναδική ικανότητα να αλλάζει την τάση λειτουργίας του κατά τη φόρτιση των μπαταριών του από τα αρχικά 400V στα 800V.

Από την άλλη μεριά, όμως, είδαμε και τη Mercedes να παρουσιάζει την καινούργια γκάμα των ηλεκτρικών της μοντέλων χωρίς να ανεβαίνει τόσο ψηλά. Έτσι, η κορυφαία Mercedes EQS λειτουργεί στα 500V, χωρίς, όμως, να μπορείς να πεις ότι υστερεί στον τομέα των επιδόσεων, αφού η μπαταρία των 108 kWh προσφέρει αυτονομία της τάξης των 750 km. Και μπορεί η μέγιστη ισχύς φόρτισης είναι αρκετά μικρότερη (200 kW), αλλά και πάλι είναι από τις ψηλότερες που συναντάμε, καθώς ήδη τα 150 kW θεωρούνται αρκετά ψηλή ισχύς.

Κάπου εδώ πρέπει να απαντήσουμε στο ερώτημα: Γιατί είναι καλύτερη η ψηλότερη τάση; Το πρώτο βασικό πλεονέκτημα που προσφέρει είναι η μείωση των απωλειών ισχύος που προκαλούνται λόγω της αντίστασης του υλικού, στη συγκεκριμένη περίπτωση του χαλκού, των καλωδίων – και θυμίζουμε στο σημείο αυτό ότι η αντίσταση είναι μέγεθος που χαρακτηρίζει το πόσο εύκολα περνάει το ρεύμα μέσα από ένα υλικό. Όσο αυξάνεται η τάση τόσο μειώνονται οι απώλειες ισχύος – και αυτός είναι ο λόγος που στο δίκτυο μεταφοράς του ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιείται υπερυψηλή τάση, άνω των 200.000 V, όταν η τάση του οικιακού δικτύου περιορίζεται στα 220V.

Επιστρέφοντας για λίγο στη φυσική του λυκείου βλέπουμε ότι οι απώλειες ισχύος εξαρτώνται από την αντίσταση (R) ως εξής P=I²·R. Από την άλλη μεριά, σε μια παροχή ισχύος συναντάμε τον τύπο P=I·V (όπου Ι η ένταση και όπου V η τάση του ρεύματος). Κατά συνέπεια, εφόσον η ισχύς είναι δεδομένη, η αύξηση της τάσης οδηγεί σε μείωση της έντασης. Προκύπτει, λοιπόν, ότι ο διπλασιασμός της τάσης (V) οδηγεί σε μείωση στο μισό της έντασης (I) η οποία, με τη σειρά της, συνεπάγεται μείωση κατά τέσσερις φορές των απωλειών ισχύος – και, κατά συνέπεια, της παραγόμενης κατά τη διέλευση του ρεύματος θερμότητας.

Αυτό το χαρακτηριστικό έχει ως αποτέλεσμα να απαιτούνται μικρότερης διατομής καλώδια για τη διαχείριση της ίδιας ποσότητας ισχύος. Βέβαια, σε αυτή την περίπτωση χρειάζεται να αυξήσει κανείς το πάχος της μόνωσης των καλωδίων, προκειμένου να υπάρχει αντίστοιχη προστασία.

Σημειώστε ότι ένα καλώδιο ζεσταίνεται όταν υπάρχει αυξημένο φορτίο – κάτι που είναι προϊόν των θερμικών αποτελεσμάτων του ηλεκτρικού ρεύματος. Και όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που «τραβάει» μια συσκευή, τόσο μεγαλύτερη είναι και η θερμότητα που αναπτύσσεται. Αντιλαμβάνεστε πόσο μεγάλη σημασία έχει αυτό όταν μιλάμε για φορτιστές ισχύος 50kW, 100kW και πολύ περισσότερο 200kW – για αυτόν τον λόγον, άλλωστε, βλέπουμε ότι τα καλώδια σύνδεσης με το αυτοκίνητο έχουν μεγάλο πάχος.

Δεν είναι τυχαίο που σε κάποιους ταχυφορτιστές έχουν αρχίσει να κάνουν την εμφάνισή τους και συστήματα ψύξης των καλωδίων με υγρό (!), προκειμένου να αποφευχθούν τυχόν δυσάρεστες συνέπειες από την υπερθέμανσή τους. Αντιλαμβάνεστε, λοιπόν, ότι η αύξηση της τάσης, εξοικονομώντας μία έως δύο ποσοστιαίες μονάδες σε απόδοση (λόγω των μειωμένων απωλειών ισχύος [I²R] στα καλώδια και στα βύσματα), είναι αυτή που επέτρεψε στην Taycan να μπορεί να φορτιστεί στα 270 kW.

Ένα λιγότερο προφανές πλεονέκτημα από τη λειτουργία υπό υψηλότερη τάση, έστω και αν αυτό είναι περισσότερο θεωρητικό, είναι ότι μπορεί κανείς να αυξήσει τις στροφές λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα χωρίς μείωση της ροπής του. Φυσικά, καθετί έχει το κόστος του, καθώς οι απώλειες στον κινητήρα –τόσο στο χάλκινο τμήμα του (δηλαδή, στα τυλίγματα) όσο και στο σιδερένιο τμήμα του (δηλαδή, στον μαγνήτη)– αυξάνονται με εκθετικό τρόπο με την άνοδο των στροφών. Ενώ υπάρχει επίσης και ένα μηχανικό όριο για το πόσο ψηλά μπορείτε να ανεβάσετε τις στροφές προτού ο ρότορας διαλυθεί.

Καθώς δε η ροπή είναι ανάλογη με το ρεύμα και οι απώλειες λόγω της αντίστασης των περιελίξεων είναι, επίσης, εκθετικά ανάλογες με το ρεύμα (με βάση και πάλι τον τύπο I²R), όταν ζητάτε περισσότερη ροπή (προκειμένου να έχετε απόδοση μεγαλύτερης ισχύος), αυξάνετε τις απώλειες! Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορείτε να πάρετε όση ισχύ θέλετε από έναν δεδομένο κινητήρα, γιατί τα οφέλη της αυξημένης τάσης του ρεύματος στον ίδιο κινητήρα είναι ίσως περισσότερο θεωρητικά από τα πραγματικά. Ωστόσο, οι περισσότεροι ηλεκτροκινητήρες μπορούν να ανεχθούν μεγάλες αυξήσεις της ισχύος για σύντομα χρονικά διαστήματα (3 – 10 φορές, ανάλογα με τον τύπο τους), ένα χαρακτηριστικό που τυχαίνει να είναι ιδανικό για τους ηλεκτροκινητήρες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Από την άλλη πλευρά, η αύξηση της τάσης δημιουργεί και μια σειρά ζητήματα. Το πιο προφανές είναι ότι μια υψηλότερη τάση είναι πιο πιθανό να προκαλέσει ηλεκτροπληξία σε περίπτωση που κάποιος βρεθεί κατά λάθος να βάζει το χέρι του στο λάθος σημείο και να γίνεται μέρος του κυκλώματος της μπαταρίας. Επίσης, η υψηλότερη τάση είναι περισσότερο πιθανό να δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό τόξο και για να σβήσει ένα τέτοιο τόξο θα απαιτηθεί μεγαλύτερη απόσταση διαχωρισμού.

Αυτό το χαρακτηριστικό επηρεάζει κυρίως την κατασκευή των ασφαλειών στο κύκλωμα, επειδή σε χαμηλές τάσεις συνεχούς ρεύματος DC (<50 V) έως μέτριες τάσεις εναλλασσόμενου ρεύματος AC (<150 V) μια ασφάλεια μπορεί απλώς να βασίζεται στην τήξη του εύτηκτου στοιχείου της για να ανοίξει ένα κύκλωμα (και να διακοπεί το ρεύμα), αλλά σε υψηλότερες πρέπει να λαμβάνονται τα απαραίτητα τεχνικά μέτρα –τα οποία αυξάνουν το συνολικό κόστος–, ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία τόξων (όπως η πλήρωση του κενού με μη αγώγιμα υλικά).

Προφανώς, λοιπόν, κάθε τεχνική επιλογή έχει τα υπέρ και τα κατά της. Για αυτό, άλλωστε, και η νέα BMW iX, ένα αυτοκίνητο που σηματοδοτεί τη μετάβαση σε ένα νέο επίπεδο για την ηλεκτροκίνηση στη βαυαρική εταιρεία δεν λειτουργεί στα 800 V, αλλά στα 400 V. Ο επικεφαλής μάλιστα του όλου project και senior engineer της BMW, Johann Kistler, είχε δηλώσει ότι η ηλεκτρική αρχιτεκτονική δεν είναι παιχνίδι. Και γι αυτό η BMW επέλεξε τα 400V ως τον καλύτερο συμβιβασμό. Έτσι, η BMW iX50 μπορεί να φορτιστεί σε συσκευές DC ισχύος έως 200 kW και με σύνδεση για 10 min της ώρας να ανακτήσει αυτονομία άνω των 120 km. Βεβαίως, στην ταχύτητα φόρτισης πολύ μεγάλο ρόλο παίζει και η δομή της ίδιας μπαταρίας.

Και ενώ ο κυρίαρχος της παγκόσμιας αγοράς ηλεκτρικών αυτοκινήτων, Tesla, παραμένει στα 400 V, ενισχύοντας με αυτόν τον τρόπο την άποψη του Kistler, πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο AutomotiveNews, την εξαιρετικά έγκυρη εφημερίδα και ιστότοπο για θέματα της αυτοκινητοβιομηχανίας, θεωρεί ότι το 2025, η πλειοψηφία των νέων μοντέλων που θα λανσάρονται για πρώτη φορά στην αγορά θα διαθέτει σύστημα 800 V, προκειμένου να ελαχιστοποιήσουν τους χρόνους φόρτισης των μπαταριών τους. Γιατί τα 100 km αυτονομίας με φόρτιση 5 min δεν μπορούν να επιτευχθούν με τα συστήματα 400 V. Μένει να δούμε κατά πόσο θα επιβεβαιωθεί αυτή η εκτίμηση.

Lucid Air: Παρ’ όλο που θεωρητικά τα 800 V επιτρέπουν φόρτιση DC 350 kW, στην πράξη η ισχύς φόρτισης είναι χαμηλότερη. Έτσι, η Porsche Taycan μπορεί να φορτιστεί στα 270 kW, το Kia EV6 φτάνει στα 240 kW, ενώ το αμερικανικό Lucid Air των 1.111 PS (που διαθέτει όμως σύστημα με ακόμα μεγαλύτερη τάση: 900 V), μπορεί να φτάσει τα 350 kW, στοιχείο που το καθιστά το ηλεκτρικό αυτοκίνητο με την απολύτως ταχύτερη φόρτιση παγκοσμίως: μέσα σε 20 min το Air μπορεί να ανακτήσει σχεδόν 500 km αυτονομίας.

RimacNevera: Το περιορισμένης παραγωγής supercar από την Κροατία διαθέτει ισχύ 1.408 kW/1.914 PS, χάρη στην οποία μπορεί να αναπτύξει τελική ταχύτητα 412 km/h και να κατεβάσει τοn χρόνο για τα 0-100 km/h σε 1,97 ’’. Ενώ χάρη στην τάση των 730V μπορεί να ανακτήσει το 80% της αυτονομίας του (η οποία φτάνει στα 550 km με μπαταρία 120 kWh) σε 19 min με φόρτιση στα 500 kW.

HyundaiIONIQ 6: Tην πλατφόρμα E-GMP του Hyundai Group αξιοποιεί το IONIQ 6 που παρουσιάστηκε τον προηγούμενο μήνα και προσφέρει εντυπωσιακή αυτονομία - πάνω από 610 km, χάρη στη μπαταρία των 77,4 kWh επιτυγχάνοντας την εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση 14 kWh/100 km (WLTP). Το νέο μοντέλο διαθέτει δυνατότητα εξαιρετικά ταχείας φόρτισης –10% έως 80% σε μόλις 18 min–, χάρη στην υψηλή τάση των 800 V.

KiaEV6: Στις αρχές της χρονιάς λανσαρίστηκε στη χώρα μας το βασισμένο στην πλατφόρμα E-GMP του Hyundai Group πλήρως ηλεκτρικό crossover, με δυνατότητα ταχείας φόρτισης υπό τάση 800 V, κάτι που σημαίνει «γέμισμα» της μπαταρίας από το 10% στο 80% σε μόλις 18 min – το οποίο μεταφράζεται σε 100 χιλιόμετρα αυτονομίας σε λιγότερο από 4,5 min. Σημειώστε ότι στην γκάμα του νέου μοντέλου υπάρχει και η τετακίνητη έκδοση επιδόσεων “GT” με ισχύ 430 kW, τελική ταχύτητα 260 km/h και 0-100 km/h σε 3,5’’.

BMWiX: Το μοντέλο που σηματοδοτεί μια καινούρια εποχή για την ηλεκτροκίνηση στη BMW προτίμησε την τάση των 400V, συνδυασμένη με τεχνολογία που επιτρέπει ταχεία φόρτιση (DC) με ισχύ έως 200 kW. Με αυτόν τον τρόπο, η μπαταρία μπορεί να φορτιστεί από το 10 μέχρι το 80% της συνολικής της χωρητικότητας σε λιγότερο από 40 min. Κατ’ αυτόν τον τρόπο,  η BMW iX μέσα σε 10 min μπορεί να ανακτήσει αυτονομία πάνω από 120 km.

E-GMP: Η «θαυματουργή» πλατφόρμα του Hyundai Motor Group επιτρέπει την ενσωμάτωση συστημάτων 800 V, που μπορούν όμως να λειτουργήσουν και στα 400 V, χωρίς να χρειαστεί οποιαδήποτε παρέμβαση/μετατροπή ή αντάπτορας. Το σύστημα Power Electric (PE) της πλατφόρμας E-GMP είναι το πρώτο σύστημα που υποστηρίζει πολλαπλή φόρτιση χωρίς χειροκίνητα εξαρτήματα ή προσαρμογείς. Θεωρητικά η δημιουργία συστήματος πολλαπλής φόρτισης απαιτεί την εγκατάσταση ξεχωριστού φορτιστή επί του οχήματος, κάτι που σημαίνει επιπλέον κόστος. Το «μυστικό» της E-GMP είναι ότι ο πίσω κινητήρας και ο μετατροπέας αυξάνουν την τάση της φόρτιση από τα 400 V στα 800 V πριν το ρεύμα φτάσει στην μπαταρία. Αυτό το σύστημα παρέχει σταθερά στους οδηγούς πρόσβαση σε φόρτιση υψηλής ταχύτητας 800 V, ανεξάρτητα από την πραγματική τάση του φορτιστή.