ความท้าทายของระบบ 800V: กองชาร์จสำหรับระบบชาร์จ

แท่นชาร์จ 800V “พื้นฐานการชาร์จ”

บทความนี้จะพูดถึงข้อกำหนดเบื้องต้นบางประการสำหรับ 800V เป็นหลักกองชาร์จก่อนอื่นมาดูหลักการชาร์จกันก่อน: เมื่อหัวชาร์จเชื่อมต่อกับปลายรถ เสาชาร์จจะจ่ายไฟ DC เสริมแรงดันต่ำ (1) ให้กับปลายรถเพื่อเปิดใช้งาน BMS (ระบบจัดการแบตเตอรี่) ในตัวของรถยนต์ไฟฟ้า หลังจากเปิดใช้งานแล้ว (2) เชื่อมต่อปลายรถเข้ากับปลายเสา แลกเปลี่ยนพารามิเตอร์การชาร์จพื้นฐาน เช่น กำลังไฟฟ้าตามต้องการในการชาร์จสูงสุดของปลายรถและกำลังไฟฟ้าขาออกสูงสุดของปลายเสา หลังจากจับคู่ทั้งสองด้านอย่างถูกต้องแล้ว BMS (ระบบจัดการแบตเตอรี่) ของปลายรถจะส่งข้อมูลความต้องการพลังงานไปยังสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าและแท่นชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าจะปรับแรงดันไฟและกระแสไฟขาออกของตัวเองตามข้อมูลนี้ และเริ่มชาร์จรถยนต์อย่างเป็นทางการ ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของการเชื่อมต่อการชาร์จและเราต้องคุ้นเคยกับมันก่อน

การชาร์จ 800V: “เพิ่มแรงดันหรือกระแสไฟ”

ในทางทฤษฎี หากเราต้องการจ่ายพลังงานในการชาร์จเพื่อลดระยะเวลาในการชาร์จ โดยทั่วไปจะมีสองวิธี คือ เพิ่มแบตเตอรี่หรือเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ตาม W=Pt หากพลังงานในการชาร์จเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เวลาในการชาร์จจะลดลงครึ่งหนึ่งโดยอัตโนมัติ ตาม P=UI หากแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า พลังงานในการชาร์จก็จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ซึ่งเป็นสิ่งที่ได้กล่าวซ้ำแล้วซ้ำเล่าและถือเป็นเรื่องสามัญสำนึก

หากกระแสไฟมีขนาดใหญ่ขึ้น จะเกิดปัญหาสองประการ คือ ยิ่งกระแสไฟมีขนาดใหญ่ขึ้น สายเคเบิลที่ต้องการกระแสไฟก็จะมีขนาดใหญ่และเทอะทะมากขึ้น ซึ่งจะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางและน้ำหนักของสายไฟเพิ่มขึ้น ต้นทุนเพิ่มขึ้น และไม่สะดวกต่อการใช้งานของบุคลากร นอกจากนี้ ตาม Q=I²Rt หากกระแสไฟสูงขึ้น การสูญเสียพลังงานก็จะมากขึ้น และการสูญเสียดังกล่าวจะสะท้อนออกมาในรูปแบบของความร้อน ซึ่งจะเพิ่มแรงกดดันในการจัดการความร้อนด้วย ดังนั้นจึงไม่ต้องสงสัยเลยว่าไม่แนะนำให้เพิ่มกำลังในการชาร์จโดยการเพิ่มกระแสไฟอย่างต่อเนื่อง ไม่ว่าจะเป็นการชาร์จหรือระบบขับเคลื่อนในรถยนต์

เมื่อเทียบกับการชาร์จเร็วแบบกระแสสูงการชาร์จเร็วแรงดันสูงสร้างความร้อนน้อยลงและสูญเสียพลังงานน้อยลง และบริษัทผลิตรถยนต์กระแสหลักเกือบทั้งหมดได้นำแนวทางการเพิ่มแรงดันไฟฟ้ามาใช้ ในกรณีของการชาร์จเร็วแรงดันสูง ในทางทฤษฎี เวลาในการชาร์จสามารถสั้นลงได้ 50% และการเพิ่มแรงดันไฟฟ้ายังสามารถเพิ่มกำลังในการชาร์จจาก 120 กิโลวัตต์เป็น 480 กิโลวัตต์ได้อย่างง่ายดายอีกด้วย

การชาร์จ 800V: “ผลกระทบทางความร้อนที่สอดคล้องกับแรงดันไฟและกระแสไฟฟ้า”

แต่ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าหรือการเพิ่มกระแสไฟฟ้า สิ่งสำคัญอันดับแรกคือ เมื่อกำลังชาร์จเพิ่มขึ้น ความร้อนจะเกิดขึ้น แต่การแสดงออกทางความร้อนของการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจะแตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้านั้นดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกัน

เนื่องจากความต้านทานต่ำที่พบโดยกระแสไฟฟ้าเมื่อผ่านตัวนำ วิธีการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจึงลดขนาดสายเคเบิลที่ต้องการ และความร้อนที่ต้องระบายออกไปก็น้อยลง และในขณะที่กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การเพิ่มขึ้นของพื้นที่หน้าตัดที่นำกระแสไฟฟ้าจะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกมีขนาดใหญ่ขึ้นและน้ำหนักของสายเคเบิลก็มากขึ้น และความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เมื่อเวลาในการชาร์จเพิ่มขึ้น ซึ่งจะซ่อนเร้นมากขึ้น ซึ่งเป็นความเสี่ยงที่มากขึ้นสำหรับแบตเตอรี่

การชาร์จ 800V: “ความท้าทายเฉพาะหน้าบางประการกับแท่นชาร์จ”

การชาร์จเร็ว 800V ยังมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันที่ปลายกอง:

หากจากมุมมองทางกายภาพ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ขนาดการออกแบบของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องย่อมต้องเพิ่มขึ้น เช่น ตามระดับมลพิษของ IEC60664 คือ 2 และระยะห่างระหว่างกลุ่มวัสดุฉนวนคือ 1 ระยะห่างระหว่างอุปกรณ์แรงดันสูงต้องอยู่ระหว่าง 2 มม. ถึง 4 มม. และข้อกำหนดด้านความต้านทานฉนวนเท่าเดิมก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ระยะห่างตามผิวถนนและข้อกำหนดด้านฉนวนเกือบจะเพิ่มเป็นสองเท่า ซึ่งจำเป็นต้องออกแบบใหม่ในการออกแบบเมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบระบบแรงดันไฟฟ้ารุ่นก่อน รวมถึงขั้วต่อ แท่งทองแดง ขั้วต่อ ฯลฯ นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นยังทำให้มีข้อกำหนดในการดับอาร์กที่สูงขึ้น และจำเป็นต้องเพิ่มข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์บางอย่าง เช่น ฟิวส์ กล่องสวิตช์ ขั้วต่อ ฯลฯ ซึ่งใช้ได้กับการออกแบบรถยนต์ด้วย ซึ่งจะกล่าวถึงในบทความถัดไป

ระบบการชาร์จแรงดันสูง 800V จำเป็นต้องเพิ่มระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวภายนอกแบบแอคทีฟดังที่กล่าวไว้ข้างต้น และระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้ ไม่ว่าจะเป็นระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟ และการจัดการความร้อนของสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าสายปืนไปยังปลายรถก็สูงขึ้นกว่าเดิมด้วย และวิธีการลดและควบคุมอุณหภูมิของส่วนนี้ของระบบจากระดับอุปกรณ์และระดับระบบเป็นจุดที่แต่ละบริษัทจะต้องปรับปรุงและแก้ไขในอนาคต นอกจากนี้ ความร้อนส่วนนี้ไม่เพียงแต่เป็นความร้อนที่เกิดจากการชาร์จไฟมากเกินไปเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความร้อนที่นำมาจากอุปกรณ์พลังงานความถี่สูงด้วย ดังนั้น การตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการกำจัดความร้อนที่เสถียร มีประสิทธิภาพ และปลอดภัยจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งไม่เพียงแต่เป็นความก้าวหน้าในด้านวัสดุเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการตรวจจับอย่างเป็นระบบ เช่น การตรวจสอบอุณหภูมิในการชาร์จแบบเรียลไทม์และมีประสิทธิภาพ

ในปัจจุบันแรงดันขาออกของกองชาร์จ DCในตลาดโดยทั่วไปคือ 400V ซึ่งไม่สามารถชาร์จแบตเตอรี่พลังงาน 800V ได้โดยตรง ดังนั้นจึงต้องใช้ผลิตภัณฑ์ DCDC บูสต์เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มแรงดันไฟ 400V เป็น 800V จากนั้นจึงชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งต้องใช้พลังงานที่สูงขึ้นและการสลับความถี่สูง และโมดูลที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์เพื่อทดแทน IGBT แบบดั้งเดิมเป็นตัวเลือกกระแสหลักในปัจจุบัน แม้ว่าโมดูลซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถเพิ่มพลังงานเอาต์พุตของเสาชาร์จและลดการสูญเสียได้ แต่ต้นทุนก็สูงกว่ามาก และข้อกำหนดสำหรับ EMC ก็สูงกว่าเช่นกัน

สรุปแล้ว โดยพื้นฐานแล้ว การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจะต้องเพิ่มขึ้นทั้งในระดับระบบและระดับอุปกรณ์ ซึ่งรวมถึงระบบการจัดการความร้อน ระบบป้องกันการชาร์จไฟ ฯลฯ และในระดับอุปกรณ์ยังรวมถึงการปรับปรุงอุปกรณ์แม่เหล็กและอุปกรณ์จ่ายไฟบางประเภทด้วย