Af hverju 800 volta rafbílar eru „mikilvægt mál“

Af hverju 800 volta rafbílar eru „mikilvægt mál“

800 volta tæknin er að síast inn á markaðinn og býður upp á hraðari hleðslutíma, minni rafhlöður og meiri skilvirkni.

Rafbílar eru aðeins um 10 prósent af heimsmarkaði, en nú þegar eru bílaframleiðendur og birgjar að undirbúa sig fyrir næstu kynslóð íhluta, með „solid-state“ rafhlöðum, ásflæðismótorum – og nú, 800 volta rafkerfi sem eiga að gera hleðslutíma helmingi styttri, draga verulega úr rafhlöðustærð og kostnaði og auka skilvirkni drifrásarinnar.

Þetta er útsýrt nánar í eftirfarandi grein Peter Sigal á vef Automotive News Europe:

Enn sem komið er nota aðeins örfáir bílar 800 volta kerfi, öfugt við núverandi 400 volta staðal. Meðal þeirra sem eru í fjöldaframleiðslu í Evrópu eru Porsche Taycan, Audi e-tron GT, Hyundai Ioniq 5 og Kia EV6.

Utan Evrópu notar Lucid Air lúxusbíllinn 900 volta hönnun (sérfræðingar segja að þetta sé tæknilega séð 800 volta kerfi).

Í lok áratugarins segja birgjar að 800 volta hönnun verði ríkjandi tækni, sérstaklega þar sem fleiri og fleiri sérhæfðir rafknúnir pallar eins og Hyundai E-GMP og Volkswagen Group PPE birtast.

„Árið 2025 mun meirihluti lausna sem koma á markaðinn vera 800 volt,“ sagði Dirk Kesselgruber, forseti rafdeildarsviðs GKN, einn af nokkrum Tier 1 birgjum sem hafa tekið tæknina til sín. GKN býður nú upp á 800 volta tilbúna íhluti eins og e-öxla, með það fyrir augum að hefja fjöldaframleiðslu árið 2025.

„Við teljum að þetta verði almennt og Hyundai hefur sannað að það getur verið samkeppnishæft á verði,“ sagði Kesselgruber við Automotive News Europe. Aðrir birgjar enduróma eldmóð hans.

„800 volt er rökrétt næsta skref í þróun rafbíla sem nota aðeins rafhlöður (BEV),“ sagði Alexander Reich, yfirmaður nýsköpunar hjá Vitesco, í viðtali við ANE.

Vitesco hefur nýlega gert stóra samninga um 800 volta virka íhluti, þar á meðal að útvega áriðla fyrir Hyundai E-GMP undirvagninn, áriðla til stórs bílaframleiðanda í Norður-Ameríku og rafmótora fyrir leiðandi rafbílaframleiðanda í Kína.

„800 volta geirinn hefur vaxið hraðar en búist var við fyrir nokkrum árum og við finnum mikinn áhuga hjá viðskiptavinum okkar,“ sagði Harry Husted, CTO hjá BorgWarner, í tölvupósti til ANE. BorgWarner hefur fengið fjölda 800 volta pantana, þar á meðal eina fyrir samþætta drifeiningu fyrir kínverskt gæðamerki.

Tvöfalt meiri orka

En hvað er svona frábært við 800 volta kerfi miðað við núverandi 400 volta kerfi?

Kostirnir eru margir, segja sérfræðingar, sem stafa af einföldu eðlisfræðinni að þeir geti skilað sama magni af krafti við lægri straum. „Með því að tvöfalda spennuna og hafa sama straum færðu tvöfalda orku inn í bílinn,“ sagði Reich.

Helsti ávinningurinn er um það bil 50 prósent hraðari hleðslutími miðað við sömu rafhlöðustærð. Fyrir vikið er hægt að minnka rafhlöður – dýrasta íhlutinn í rafbíl – og heildarþyngd minnkar, sem eykur skilvirkni.

„Það er engin þörf á 1.000 km drægni í rafbíl ef hleðsla er nógu hröð,“ sagði Reich.

Vegna þess að hærri spenna veitir sama afli með minni straumi er hægt að gera snúrur og vír minni og léttari og draga úr notkun á dýrum og þungum kopar. Minni orka tapast líka, sem þýðir betri drægni og betri mótorafköst (einnig hjálpað með minni þyngd).

Og það er minni þörf fyrir flókið hitastjórnunarkerfi til að tryggja að rafhlaðan virki við besta hitastig.

Og þegar það er parað saman við nýja sílikonkarbíð (SiC) örflögutækni, geta 800 volta kerfi aukið skilvirkni aflrásar um allt að 5 prósent. Slíkir tölvukubbar missa minna af orku við að umbreytinguna og eru sérstaklega skilvirkir fyrir endurnýjandi hemlun.

Vegna þess að nýju SiC-flögurnar nota minna af hreinum kísil, er kostnaður hugsanlega lækkaður og fleiri flísar gætu verið aðgengilegar bílaiðnaðinum, segja birgjar. (Aðrar atvinnugreinar hafa tilhneigingu til að nota 100 prósent sílikonflögur og keppa við bílaframleiðendur um pláss.)

„Í heildarmyndinni eru 800 volt mál málanna,“ sagði Kesselgruber hjá GKN.

Ioniq 5 er á E-GMP grunni Hyundai Group, eins og systurbíllinn Kia EV6. Þetta eru fyrstu almennu módelin með 800 volta hönnun.

Jafnvægi á hleðslustöðvum

En með flestar núverandi hleðslustöðvar byggðar á 400 volta kerfum, er samt ávinningur fyrir bíla með 800 volta hönnun?

Já, segja sérfræðingar, en þeir munu þurfa 800 volta hleðslumannvirki til að nýta sér það til fulls.

„Mikið af núverandi DC hraðhleðslumannvirkjum er fyrir 400 volta farartæki,“ sagði Husted hjá BorgWarner. „Til að leyfa hraðari hleðslu sem 800 volt gerir kleift, þarf nýjustu kynslóð háspennu, aflmikil DC hraðhleðslutæki.”

Þetta er ekki vandamál hvað heimahleðslu snertir, en hin almennu háhraðahleðslukerfi eru enn takmörkuð. „Þetta er mikilvægast fyrir hleðslutæki sem eru við þjóðvegi“, sagði Reich. „Áfyllingin verður að vera jafn hröð og að það tekur að fylla tankinn á bensínbíl.”

„Þetta er tilvikið fyrir 800 volta hleðslu,“ bætti hann við.

Í Evrópu eru slík netkerfi meðal annars „ionity“, fyrir margar gerðir bíla (þar á meðal Audi og Porsche) með fjölda 800 volta, 350 kílóvatta hraðbrautarhleðslustöðva.

„350 kw hleðslutæki skilar sér í fimm til sjö mínútna hleðslutíma í 100 km,“ sagði Otmar Scharrer, aðstoðarforstjóri rafdrifna aflrásartækninnar hjá ZF, og bætti við að það væri um það bil jafnlangur tími og það tæki að stoppa og fá sér kaffibolla.

„Þetta er í raun og veru nokkuð sem breytir öllu; þetta mun stuðla að viðurkenningu á rafrænum hreyfanleika,“ sagði hann við ANE.

Samkvæmt nýlegri skýrslu frá Porsche tekur um 80 mínútur að bæta við 400 km drægni á dæmigerðri 50 kw 400 volta stöð; sá tími fer niður í 40 mínútur við 100 kw. Ef hleðslutengin eru kæld – sem bætir við kostnaði, þyngd og flókið – getur sá tími lækkað í 30 mínútur, sagði Porsche.

„Að breyta í hærri spennu er því óhjákvæmilegt í leitinni að því að ná hleðslutímum í æskilegan gang“ – falla niður í um það bil 15 mínútur með 800 volta hleðslu, sagði bílaframleiðandinn.

Að teknu tilliti til tímans þá er „markmiðið að „hlaða eins og að fylla“ næstum innan seilingar,“ segir í skýrslunni.

Gerir minni rafhlöður mögulegar

Ef stuttur hleðslutími þýðir að sífellt stærri rafhlöður eru ekki lengur nauðsynlegar til að útrýma „kvíða varðandi drægni“, hverjar eru þá afleiðingarnar?

Auðvitað geta bílaframleiðendur valið að njóta góðs af hraðari hleðslu með sama rafhlöðupakka, en þar sem rafbílar eru enn ekki á kostnaðarjafnvægi við bíla með hefðbundnum brunavélum, gæti minni rafhlaða verið betri kostur, bæði af heimspekilegum og efnahagslegum forsendum, sagði Scharrer frá ZF.

„Það er engin skynsemi að útbúa almennan smábíl eins og Ioniq 5 með mjög stórri rafhlöðu,“ sagði hann.

Að mati Scharrer væri tilvalin rafhlöðustærð fyrir slíkan bíl 55 kílóvattstundir, í samræmi við smærri 58 kWst valkostinn sem Hyundai/Kia býður upp á (73 kWst pakki er einnig fáanlegur) – að því gefnu að hleðslutímar frá 5 til 80 prósent fari niður í 10 mínútur.

„Þetta er töluverð áskorun en þetta hefur verið gert á rannsóknarstofunni,“ sagði hann.

Sambland af 800 volta hleðslu – bæði í ökutækinu og í innviðum – ásamt bættum tölvukubbum gæti gert það að veruleika, sagði hann.

„Við verðum að spyrja okkur sem samfélag hvort það sé skynsamlegt að nota mikið af dýrmætum efnum sem við gröfum úr jörðu eins og litíum eða kóbalt, með miklum þunga og miklum kostnaði bara fyrir eina eða tvær [langar ferðir] á hverjum ársfjórðungi,“ sagði hann.

Hvar eru allir 800 volta bílarnir?

Ef 800 volta tækni er svo augljóslega betri – og svo óumflýjanleg – hvers vegna eru næstum allir rafbílar enn byggðir á 400 volta kerfum, þar með talið frá markaðsleiðtogunum Tesla og VW?

„Þetta er mjög eðlileg spurning en erfitt að svara,“ sagði Scharrer. „Svarið liggur að hluta til í þægindum og fordæmi,“ sagði hann og aðrir sérfræðingar hafa sagt svipaða hluti.

Dæmigert heimili notar 380 volta þriggja fasa straum (spennuhlutfall er í raun svið frekar en föst tala), þannig að hleðsluinnviðir voru þegar til þegar bílaframleiðendur byrjuðu að setja á markað tengitvinnbíla og fullrafmagnsbíla.

Og fyrsta bylgja rafbíla var byggð á íhlutum sem þróaðir voru fyrir tengitvinnbíla, sem eru 400 volta. „Þegar þú byrjar með tengitvinnbíla tekurðu háspennuupplifunina inn í fyrstu rafhlöðu rafknúnu farartækin,“ sagði Kesselgruber hjá GKN.

„Þegar allir byrjuðu á 400 volta, held ég að rökin hafi verið þau að þetta væri núverandi spennustig í innviðum alls staðar,“ sagði hann. „Það var í boði og aðgengilegt.“

Hann telur að Porsche sé brautryðjandi í 800 volta kerfum, með áherslu á frammistöðu frekar en hagkvæmni.

„Porsche leyfði sér að endurskoða það sem við tókum við úr fortíðinni. Er það virkilega það besta eða getum við hannað frá grunni?” sagði hann. „Þetta er fegurðin við að vera afkastamikill bílaframleiðandi.

Það er aðeins tímaspursmál hvenær bylgja 800 volta rafbíla kemur á markað, segja birgjar. Það eru fáar tæknilegar áskoranir, segja þeir, en íhluti þarf að þróa og sannreyna.

Kostnaður er eitt vandamál, en jöfnuður mun fylgja stærðinni, horfur á minni rafhlöðum og notkun á minni kopar, segja þeir.

Volvo (og dótturfyrirtækið Polestar), Stellantis (Maserati, framtíðar stórir rafbílar) og GM (pallbílar) hafa sagt að framtíðargerðir muni nota tæknina. VW Group er að skipuleggja úrval farartækja á PPE undirvagninum, þar á meðal nýja Macan og sendibíl sem byggir á nýju A6 Avant e-tron hugmyndinni.

Margir bílaframleiðendur í Kína hafa tilkynnt að þeir muni fara yfir í 800 volta hönnun, þar á meðal XPeng, Nio, Li Auto og BYD, líka sem Lotus í eigu Geely, sem sýndi nýverið væntanlegan Eletre jeppa.

„Með Taycan og e-tron GT ertu með farartæki með afkastamikil afköst og svo hefurðu Ioniq 5, sem er algjörlega hannaður til að vera fjölskyldubíll,“ sagði Kesselgruber. „Ef þessir tveir geta stjórnað þessu, þá getur sérhver framleiðandi ráðið við þetta líka.“

(grein eftir Peter Sigal á vef Automotive News Europe)