ความท้าทายของระบบ 800V: แท่นชาร์จสำหรับระบบชาร์จ

แท่นชาร์จ 800 โวลต์ “พื้นฐานการชาร์จ”

บทความนี้กล่าวถึงข้อกำหนดเบื้องต้นบางประการสำหรับแรงดันไฟฟ้า 800 โวลต์เป็นหลักกองชาร์จก่อนอื่น เรามาดูหลักการชาร์จกันก่อน: เมื่อหัวชาร์จเชื่อมต่อกับด้านรถยนต์ แท่นชาร์จจะจ่าย (1) พลังงาน DC เสริมแรงดันต่ำให้กับด้านรถยนต์เพื่อเปิดใช้งาน BMS (ระบบจัดการแบตเตอรี่) ในตัวของรถยนต์ไฟฟ้า หลังจากเปิดใช้งานแล้ว (2) เชื่อมต่อด้านรถยนต์เข้ากับด้านแท่นชาร์จ แลกเปลี่ยนพารามิเตอร์การชาร์จพื้นฐาน เช่น กำลังไฟฟ้าสูงสุดที่ต้องการชาร์จของด้านรถยนต์และกำลังไฟฟ้าขาออกสูงสุดของด้านแท่นชาร์จ หลังจากที่ทั้งสองด้านจับคู่กันอย่างถูกต้องแล้ว BMS (ระบบจัดการแบตเตอรี่) ของด้านรถยนต์จะส่งข้อมูลความต้องการพลังงานไปยังสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าและแท่นชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าโดยจะปรับแรงดันและกระแสไฟขาออกเองตามข้อมูลนี้ และเริ่มชาร์จรถอย่างเป็นทางการ ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของการเชื่อมต่อการชาร์จและเราจำเป็นต้องทำความคุ้นเคยกับมันก่อน

การชาร์จ 800V: “เพิ่มแรงดันหรือกระแสไฟ”

ตามทฤษฎีแล้ว หากเราต้องการเพิ่มกำลังไฟในการชาร์จเพื่อลดเวลาในการชาร์จ โดยทั่วไปจะมีสองวิธี คือ เพิ่มขนาดแบตเตอรี่หรือเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ตามสูตร W=Pt หากกำลังไฟในการชาร์จเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เวลาในการชาร์จก็จะลดลงครึ่งหนึ่งโดยธรรมชาติ และตามสูตร P=UI หากแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า กำลังไฟในการชาร์จก็จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ซึ่งได้กล่าวถึงซ้ำแล้วซ้ำเล่าและถือเป็นสามัญสำนึก

หากกระแสไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้น จะเกิดปัญหาขึ้นสองประการ คือ ยิ่งกระแสไฟฟ้ามากเท่าไร สายเคเบิลที่ต้องการกระแสไฟฟ้าก็จะยิ่งใหญ่และหนาขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางและน้ำหนักของสายไฟเพิ่มขึ้น ต้นทุนสูงขึ้น และไม่สะดวกต่อการใช้งานของบุคลากร นอกจากนี้ ตามสมการ Q=I²Rt หากกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น การสูญเสียพลังงานก็จะมากขึ้น และการสูญเสียนี้จะสะท้อนออกมาในรูปของความร้อน ซึ่งจะเพิ่มภาระในการจัดการความร้อน ดังนั้นจึงไม่ต้องสงสัยเลยว่าไม่ควรเพิ่มกำลังการชาร์จโดยการเพิ่มกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ไม่ว่าจะเป็นการชาร์จหรือระบบขับเคลื่อนในรถยนต์ก็ตาม

เมื่อเปรียบเทียบกับการชาร์จเร็วด้วยกระแสไฟสูงการชาร์จเร็วแรงดันสูงการชาร์จเร็วด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงจะสร้างความร้อนน้อยลงและมีการสูญเสียน้อยลง และบริษัทผู้ผลิตรถยนต์ส่วนใหญ่ได้นำวิธีการเพิ่มแรงดันไฟฟ้ามาใช้แล้ว ในกรณีของการชาร์จเร็วด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง ในทางทฤษฎีแล้วเวลาในการชาร์จสามารถลดลงได้ถึง 50% และการเพิ่มแรงดันไฟฟ้ายังสามารถเพิ่มกำลังการชาร์จจาก 120KW เป็น 480KW ได้อย่างง่ายดาย

การชาร์จ 800V: “ผลกระทบทางความร้อนที่สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า”

แต่ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าหรือเพิ่มกระแสไฟฟ้า สิ่งแรกที่ต้องทำคือ การเพิ่มกำลังไฟในการชาร์จจะทำให้เกิดความร้อน แต่ปรากฏการณ์ความร้อนที่เกิดจากการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและการเพิ่มกระแสไฟฟ้านั้นแตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าถือว่าดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกัน

เนื่องจากความต้านทานต่ำที่กระแสไฟฟ้าพบขณะไหลผ่านตัวนำ วิธีการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจึงช่วยลดขนาดสายเคเบิลที่ต้องการ และความร้อนที่ต้องระบายออกก็ลดลง ในขณะที่การเพิ่มกระแสไฟฟ้าจะทำให้พื้นที่หน้าตัดที่นำกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและน้ำหนักของสายเคเบิลเพิ่มขึ้น และความร้อนจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามระยะเวลาการชาร์จที่ยาวนานขึ้น ซึ่งมีความซับซ้อนมากขึ้นและมีความเสี่ยงต่อแบตเตอรี่มากขึ้น

การชาร์จ 800 โวลต์: “ความท้าทายเร่งด่วนบางประการเกี่ยวกับการชาร์จแบบหลายจุด”

การชาร์จเร็ว 800V ยังมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันบางประการที่ปลายด้านหัวชาร์จด้วย:

หากพิจารณาจากมุมมองทางกายภาพ การเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าย่อมส่งผลให้ขนาดการออกแบบของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ตัวอย่างเช่น ตามมาตรฐาน IEC60664 ระดับมลพิษอยู่ที่ 2 และระยะห่างของกลุ่มวัสดุฉนวนอยู่ที่ 1 ระยะห่างของอุปกรณ์แรงดันสูงจะต้องเพิ่มขึ้นจาก 2 มม. เป็น 4 มม. และข้อกำหนดด้านความต้านทานฉนวนก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ระยะห่างการคืบคลานและข้อกำหนดด้านฉนวนจะต้องเพิ่มขึ้นเกือบเท่าตัว ซึ่งจำเป็นต้องมีการออกแบบใหม่เมื่อเทียบกับการออกแบบระบบแรงดันไฟฟ้าก่อนหน้านี้ รวมถึงตัวเชื่อมต่อ แท่งทองแดง และอุปกรณ์เชื่อมต่ออื่นๆ นอกจากนี้ การเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้ายังนำไปสู่ข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับการดับประกายไฟ และจำเป็นต้องเพิ่มข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์บางอย่าง เช่น ฟิวส์ กล่องสวิตช์ ตัวเชื่อมต่อ ฯลฯ ซึ่งใช้ได้กับการออกแบบรถยนต์ด้วย ซึ่งจะกล่าวถึงในบทความต่อไป

ระบบชาร์จไฟแรงสูง 800V จำเป็นต้องเพิ่มระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวภายนอกแบบแอคทีฟตามที่กล่าวไว้ข้างต้น และการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้ไม่ว่าจะเป็นการระบายความร้อนแบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟ และการจัดการความร้อนของระบบนั้น...สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าอุณหภูมิของสายไฟจากปืนไปยังปลายรถก็สูงขึ้นกว่าเดิมเช่นกัน และวิธีการลดและควบคุมอุณหภูมิของส่วนนี้ของระบบทั้งในระดับอุปกรณ์และระดับระบบนั้นเป็นจุดที่แต่ละบริษัทต้องปรับปรุงและแก้ไขในอนาคต นอกจากนี้ ความร้อนในส่วนนี้ไม่ได้เกิดจากความร้อนที่เกิดจากการชาร์จไฟเกินเท่านั้น แต่ยังเกิดจากความร้อนจากอุปกรณ์ไฟฟ้าความถี่สูงด้วย ดังนั้นวิธีการตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการระบายความร้อนอย่างมีเสถียรภาพ มีประสิทธิภาพ และปลอดภัยจึงมีความสำคัญมาก ซึ่งไม่เพียงแต่ต้องมีการพัฒนาวัสดุเท่านั้น แต่ยังต้องมีการตรวจจับอย่างเป็นระบบ เช่น การตรวจสอบอุณหภูมิการชาร์จแบบเรียลไทม์และมีประสิทธิภาพด้วย

ในปัจจุบัน แรงดันเอาต์พุตของกองชาร์จ DCโดยพื้นฐานแล้ว อุปกรณ์ในท้องตลาดมีแรงดัน 400V ซึ่งไม่สามารถชาร์จแบตเตอรี่ 800V ได้โดยตรง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ผลิตภัณฑ์เพิ่มแรงดัน DCDC เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มแรงดัน 400V เป็น 800V แล้วจึงชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งต้องใช้กำลังไฟสูงและความถี่ในการสวิตช์สูง และโมดูลที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์มาแทนที่ IGBT แบบดั้งเดิมนั้นเป็นตัวเลือกหลักในปัจจุบัน แม้ว่าโมดูลซิลิคอนคาร์ไบด์จะสามารถเพิ่มกำลังไฟขาออกของแบตเตอรี่และลดการสูญเสียได้ แต่ต้นทุนก็สูงกว่ามาก และข้อกำหนดด้าน EMC ก็สูงกว่าเช่นกัน

สรุปได้ว่า โดยพื้นฐานแล้ว การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจะต้องเพิ่มขึ้นทั้งในระดับระบบและระดับอุปกรณ์ รวมถึงระบบจัดการความร้อน ระบบป้องกันการชาร์จ ฯลฯ และในระดับอุปกรณ์นั้นรวมถึงการปรับปรุงอุปกรณ์แม่เหล็กและอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าบางส่วนด้วย