معماری‌های ۸۰۰ ولتی در مقابل ۴۰۰ ولتی خودروهای برقی: مصالحه‌هایی که سرعت شارژ و هزینه‌های تولید را تعیین می‌کنند

رایج‌ترین تصور غلط در مهندسی خودروهای برقی این است که معماری ۸۰۰ ولتی به طور خودکار دو برابر سریع‌تر از سیستم ۴۰۰ ولتی شارژ می‌شود. واقعیت بسیار سیستمی‌تر است: ولتاژ به تنهایی تعیین‌کننده سرعت نیست، بلکه محدودیت‌های حرارتی خودرو را دیکته می‌کند.

در شرایطی که خودروسازان برای دستیابی به زمان‌های شارژی مشابه سوخت‌گیری خودروهای احتراق داخلی تلاش می‌کنند، معماری الکتریکی خودرو به میدان اصلی رقابت تبدیل شده است. صنعت در حال حاضر بین استاندارد تثبیت‌شده ۴۰۰ ولتی و مرز نوظهور ۸۰۰ ولتی تقسیم شده است.[1]

برای درک این مصالحه، باید به فیزیک پایه توان الکتریکی توجه کرد که به سادگی حاصل ضرب ولتاژ در جریان است. هنگامی که راننده خودرو را به یک شارژر سریع جریان مستقیم (DC) با توان ۲۵۰ کیلووات متصل می‌کند، خودرو باید حجم عظیمی از انرژی را در یک بازه زمانی بسیار کوتاه جذب کند.

در یک معماری سنتی ۴۰۰ ولتی، انتقال ۲۵۰ کیلووات توان مستلزم عبور تقریباً ۶۲۵ آمپر جریان از طریق سیم‌کشی خودرو است. این سطح از جریان، مقاومت الکتریکی عظیمی ایجاد می‌کند که به صورت گرما ظاهر می‌شود.

مدیریت این گرما نیازمند کابل‌های مسی ضخیم و سنگین و سیستم‌های خنک‌کننده مایع قوی است. اگر سیستم مدیریت حرارتی نتواند پاسخگو باشد، نرم‌افزار مدیریت باتری خودرو سرعت شارژ را کاهش می‌دهد تا از آسیب فاجعه‌بار به سلول‌ها جلوگیری کند؛ به همین دلیل است که نرخ شارژ اغلب پس از رسیدن به ظرفیت ۸۰ درصد به شدت افت می‌کند.

با دو برابر کردن ولتاژ سیستم به ۸۰۰ ولت، مهندسان اساساً محاسبات را تغییر می‌دهند. دستیابی به همان هدف شارژ ۲۵۰ کیلوواتی اکنون تنها به حدود ۳۱۳ آمپر جریان نیاز دارد.

نصف شدن جریان به طور چشمگیری گرمای مقاومتی تولید شده در طول جلسه شارژ را کاهش می‌دهد. این امر به خودرو اجازه می‌دهد تا سرعت‌های شارژ اوج را برای مدت زمان طولانی‌تری حفظ کند، به جای اینکه به سد حرارتی برخورد کرده و سرعتش کاهش یابد.[1]

پیامدهای پایین‌دستی این کاهش حرارت قابل توجه است. از آنجا که سیستم گرمای کمتری تولید می‌کند، خودروسازان می‌توانند از دسته‌های سیم نازک‌تر استفاده کنند، که وزن کلی خودرو را کاهش داده و میزان مس گران‌قیمت مورد نیاز را کم می‌کند.[1]

با این حال، انتقال به یک سیستم ۸۰۰ ولتی به سادگی تعویض یک بسته باتری نیست. این امر مستلزم بازنگری جامع در کل مجموعه الکترونیک قدرت خودرو، از شارژر داخلی گرفته تا اینورترهای کششی است.[2]

در این مرحله، زنجیره تأمین به عامل محدودکننده تبدیل می‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق (IGBTs) مبتنی بر سیلیکون سنتی، که به مدت یک دهه نیروی خودروهای برقی ۴۰۰ ولتی را تأمین کرده‌اند، در ولتاژ ۸۰۰ ولت ناکارآمد شده و نیازمند مدیریت حرارتی پیچیده‌ای هستند.

برای مدیریت تنش الکتریکی بالاتر، معماری‌های ۸۰۰ ولتی به نیمه‌رساناهای کاربید سیلیکون (SiC) متکی هستند. دستگاه‌های SiC تلفات سوئیچینگ پایینی را حفظ کرده و به طور قابل اعتمادی در ولتاژها و دماهای بالاتر کار می‌کنند، که آن‌ها را به فناوری ترجیحی برای اینورترهای نسل بعدی تبدیل می‌کند.

گذار به کاربید سیلیکون جریمه هزینه‌ای جدیدی را تحمیل می‌کند. در حالی که قطعات ۴۰۰ ولتی از زنجیره‌های تأمین بالغ و صرفه‌های مقیاس عظیم بهره می‌برند، تولید SiC هنوز در حال افزایش مقیاس است، که باعث می‌شود تولید و سرویس سیستم‌های ۸۰۰ ولتی به طور قابل توجهی گران‌تر باشد.[1][2]

واقعیت سازگاری زیرساخت نیز وجود دارد. در حالی که یک خودروی ۸۰۰ ولتی قادر به شارژ فوق سریع است—مانند افزودن شارژ ۵٪ تا ۸۰٪ تنها در ۲۲.۵ دقیقه—تنها در صورتی می‌تواند به این سرعت‌ها دست یابد که به یک شارژر سریع DC با قابلیت ۸۰۰ ولت متصل شود.

اگر یک خودروی برقی ۸۰۰ ولتی به یک ایستگاه استاندارد ۴۰۰ ولتی متصل شود، باید به یک مبدل افزاینده DC-DC داخلی متکی باشد تا ولتاژ را قبل از رسیدن به باتری افزایش دهد. این فرآیند تبدیل، تلفات انرژی ایجاد کرده و سرعت شارژ را به حداکثر خروجی ایستگاه محدود می‌کند.[1]

با وجود این موانع، افزایش بهره‌وری قابل اندازه‌گیری است. مدل‌سازی‌های آکادمیک نشان می‌دهد که معماری‌های ۸۰۰ ولتی می‌توانند تقریباً ۱.۱ درصد مصرف انرژی نرمال‌شده کمتری نسبت به سیستم‌های معادل با ولتاژ پایین‌تر داشته باشند، که مستقیماً به بهبود برد رانندگی منجر می‌شود.[3]

برای خودروسازان، تصمیم‌گیری بین ۴۰۰ ولت و ۸۰۰ ولت دیگر صرفاً این نیست که کدام فناوری به طور عینی بهتر است، بلکه این است که کدام معماری با مورد استفاده خاص، الزامات حرارتی و نقطه قیمت خودروی طراحی شده همخوانی دارد.[2][4]