نصف کردن جریان: بررسی مزایا و معایب معماری‌های ۴۰۰ ولتی در برابر ۸۰۰ ولتی در خودروهای الکتریکی

هنگامی که پورشه (Porsche) مدل تایکان (Taycan) را در سال ۲۰۱۹ روانه بازار کرد، صنعت خودروسازی را با معماری الکتریکی ۸۰۰ ولتی آشنا ساخت. هفت سال بعد، این استاندارد در حال انتقال از خودروهای اسپرت گران‌قیمت به کراس‌اوورهای تولید انبوه است. این گذار، مهم‌ترین تغییر در مهندسی خودروهای الکتریکی از زمان جایگزینی سلول‌های لیتیوم-یونی به جای نیکل-متال هیدرید به شمار می‌رود. در دهه نخست الکتریکی‌سازی مدرن، خودروسازان روی ولتاژ ۴۰۰ ولت به توافق رسیدند؛ سطحی که تعادلی میان در دسترس بودن قطعات و سرعت شارژ قابل‌قبول ایجاد می‌کرد. اکنون، تلاش برای دستیابی به شارژ سریع‌تر و کارایی بالاتر، بازطراحی بنیادین سیستم عصبی الکتریکی خودروها را الزامی کرده است.[3][4]

ریاضیات پایه‌ای که بر این تغییر حاکم است، بر یک معادله ساده استوار است: توان برابر است با ولتاژ ضرب در جریان. برای انتقال ۳۵۰ کیلووات توان شارژ به یک مجموعه باتری در ولتاژ ۴۰۰ ولت، سیستم باید جریانی نزدیک به ۸۷۵ آمپر را تحمل کند. در ولتاژ ۸۰۰ ولت، این نیاز به جریان نصف شده و به حدود ۴۳۷ آمپر می‌رسد. از آنجا که مقاومت الکتریکی - و گرمای تولید شده توسط آن - با مجذور جریان متناسب است، نصف شدن آمپراژ، تلفات حرارتی را به یک‌چهارم کاهش می‌دهد. این کاهش عظیم در گرمای اتلافی، محدودیت‌های مهندسی را برای تمام قطعات ولتاژ بالای خودرو، از درگاه شارژ گرفته تا موتورهای کششی، تغییر می‌دهد.

این واقعیت حرارتی، چیدمان فیزیکی خودرو را دیکته می‌کند. در یک معماری سنتی ۴۰۰ ولتی، دسته‌سیم ولتاژ بالا یکی از سنگین‌ترین اجزای سیستم انتقال قدرت است و برای انتقال ایمن آمپراژ بالا به کابل‌های مسی ضخیم نیاز دارد. با دو برابر کردن ولتاژ و نصف کردن جریان، مهندسان می‌توانند سطح مقطع این کابل‌های مسی را کوچک‌تر کنند. این کاهش در حجم رسانا به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا وزن قابل‌توجهی از جرم پایه خودرو را کم کنند. کابل‌های سبک‌تر همچنین انعطاف‌پذیرتر هستند که این امر مسیریابی آن‌ها را در شاسی هنگام مونتاژ آسان‌تر کرده و پیچیدگی کلی فرآیند تولید را کاهش می‌دهد.[1]

اما این گذار به سادگی تعویض کابل‌ها نیست. ولتاژهای بالاتر نیازمند قطعاتی هستند که بتوانند تنش الکتریکی بیشتری را بدون ایجاد قوس الکتریکی یا خرابی تحمل کنند. اینورترهای کششی سنتی مبتنی بر سیلیکون که برای ۸۰۰ ولت طراحی شده‌اند، به دلیل نیاز به عایق‌بندی و فاصله فیزیکی لازم بین اجزای داخلی، به طور قابل‌توجهی بزرگ‌تر از همتایان ۴۰۰ ولتی خود هستند. اگر یک خودروساز صرفاً سخت‌افزار استاندارد سیلیکونی را برای تحمل ۸۰۰ ولت بزرگ‌تر کند، فضای اشغال‌شده ناشی از آن، کاهش وزن به دست آمده از دسته‌سیم‌های نازک‌تر را خنثی می‌کند. برای حل این مشکل، تولیدکنندگان به نیمه‌هادی‌های با شکاف باند عریض روی آورده‌اند.[1]

سوئیچ‌های سیلیکون کاربید (SiC) می‌توانند در ولتاژها و دماهای بسیار بالاتری نسبت به سیلیکون استاندارد کار کنند و با کارایی بسیار بیشتری روشن و خاموش شوند. به گفته شرکت بورگ‌وارنر (BorgWarner)، یکی از تامین‌کنندگان اصلی الکترونیک قدرت خودرو، اینورتر ۸۰۰ ولتی SiC آن‌ها از «خنک‌کننده دوطرفه ثبت‌شده‌ای استفاده می‌کند که امکان طراحی‌های بسیار کوچک‌تر و سبک‌تر را فراهم می‌آورد» و در عین حال مقدار مواد مورد نیاز را کاهش می‌دهد. مهم‌تر از آن، بازده سوئیچینگ سیلیکون کاربید، برد کلی رانندگی خودرو را حدود ۵ درصد افزایش می‌دهد. این افزایش کارایی به خودروسازان اجازه می‌دهد تا یا برد بیشتری از همان باتری ارائه دهند و یا اندازه مجموعه باتری را کوچک‌تر کنند تا در وزن و هزینه صرفه‌جویی بیشتری شود.[2]

برای مصرف‌کننده، ملموس‌ترین پیامد این معماری، زمان صرف‌شده در ایستگاه شارژ است. یک سیستم استاندارد ۴۰۰ ولتی معمولاً به حداکثر توان ۱۵۰ تا ۲۰۰ کیلووات می‌رسد و برای شارژ از ۱۰ تا ۸۰ درصد ظرفیت، به ۳۰ تا ۴۰ دقیقه زمان نیاز دارد. در مقابل، تایکان ۸۰۰ ولتی می‌تواند تا ۲۷۰ کیلووات توان دریافت کند و شارژ ۵ تا ۸۰ درصد را تنها در ۲۲٫۵ دقیقه به پایان برساند. با بهبود ساختار شیمیایی باتری‌ها، پلتفرم‌های جدیدتر ۸۰۰ ولتی در حال عبور از سرعت شارژ ۳۵۰ کیلووات هستند و تجربه شارژ خودروهای الکتریکی را به زمان مورد نیاز برای سوخت‌گیری یک موتور احتراقی نزدیک‌تر می‌کنند.[3][5]

با این حال، قابلیت‌های خودرو تنها نیمی از معادله است. برای دستیابی به این زمان‌های شارژ سریع، یک خودروی ۸۰۰ ولتی باید به یک دستگاه فوق‌سریع ۳۵۰ کیلوواتی متصل شود. هنگامی که خودروهای ۸۰۰ ولتی به زیرساخت‌های شارژ قدیمی‌تر ۴۰۰ ولتی متصل می‌شوند، باید از یک مبدل DC به DC داخلی استفاده کنند تا ولتاژ ایستگاه را برای تطبیق با مجموعه باتری افزایش دهند. این فرآیند تبدیل، باعث افت جزئی کارایی شده و سرعت شارژ را به حداکثر خروجی ایستگاه محدود می‌کند. در نتیجه، رانندگانی که عمدتاً به شارژرهای عمومی قدیمی متکی هستند، ممکن است مزایای سرعت شارژی را که معماری ۸۰۰ ولتی وعده می‌دهد، تجربه نکنند.[3]

مانع اصلی برای پذیرش همگانی سیستم‌های ۸۰۰ ولتی همچنان هزینه است. تولید نیمه‌هادی‌های سیلیکون کاربید به طور قابل‌توجهی گران‌تر از ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق‌شده (IGBT) سیلیکونی سنتی است و به فرآیندهای ساخت پیچیده‌ای نیاز دارد. سلول‌های باتری نیز باید بازطراحی شوند و اغلب برای رسیدن به آستانه ۸۰۰ ولت، به سلول‌های بیشتری که به صورت سری سیم‌کشی شده‌اند نیاز است که این امر سیستم مدیریت باتری را پیچیده‌تر می‌کند. با این وجود، با افزایش حجم تولید، صرفه‌جویی‌های حاصل از استفاده کمتر از مس و سیستم‌های خنک‌کننده کوچک‌تر، در حال جبران هزینه‌های اضافی الکترونیک قدرت است و این معماری را برای خودروهای ارزان‌تر نیز توجیه‌پذیر می‌سازد.[1][2]

مسیر حرکت صنعت به سمت استفاده از ولتاژهای بالاتر به عنوان تجهیزات استاندارد اشاره دارد. با افزایش تولید اینورترهای ۸۰۰ ولتی و سیستم‌های مدیریت باتری توسط تامین‌کنندگان، هزینه‌های اضافی در حال کاهش است. عامل تعیین‌کننده برای خودروسازان دیگر این نیست که آیا منطق فیزیکی این کار درست است یا خیر، بلکه دقیقاً این است که چه زمانی زنجیره تامین قطعات سیلیکون کاربید به اندازه کافی قدرتمند خواهد شد تا از میلیون‌ها واحد در سال پشتیبانی کند. تا زمانی که این برابری حاصل نشود، بازار میان این دو استاندارد تقسیم شده باقی خواهد ماند.[2]