Μπαταρίες υψηλής ονομαστικής τάση: Θετικά και αρνητικά

Το 2020 η Porsche κατασκεύασε περισσότερα από 20.000 πολυτελή ηλεκτρικά αυτοκίνητα Taycan.  Το πρώτο δηλαδή μοντέλο ηλεκτρικού αυτοκινήτου μεγάλου κατασκευαστή που λειτουργεί με μπαταρίες υψηλής ονομαστικής τάσης 800 Volt. Τιμή υπερδιπλάσια των ονομαστικών τάσεων που χρησιμοποιούν συνήθως όλοι οι ανταγωνιστές.

Πολλοί άλλοι κατασκευαστές ηλεκτρικών αυτοκινήτων αναμένεται, ωστόσο, ότι θα ακολουθήσουν τον ίδιο δρόμο.

Η Delphi Technologies ανακοίνωσε ότι θα προμηθεύει με αντιστροφείς (inverters) των 800 Volt τους τρεις από τους τέσσερις κορυφαίους κατασκευαστές αυτοκινήτων τα αμέσως επόμενα χρόνια.

Η Kia και η Hyundai έχουν ήδη αναγγείλει ότι οι αρχιτεκτονικές πλατφόρμες των ηλεκτρικών τους αυτοκινήτων, που βρίσκονται στο στάδιο της προετοιμασίας, θα στηρίζονται σε συστοιχίες μπαταριών υψηλής τάσης Volt.

Επιπλέον, η GM δήλωσε ότι το Hummer EV του 2022 θα διαθέτει τη μοναδική ικανότητα να μεταβάλλει την ονομαστική λειτουργική τάση στις μπαταρίες του. Ειδικότερα από τα 400 στα 800 Volt για την επαναφόρτισή της.

 Μπαταρίες ηλεκτρικών με υψηλή ονομαστική τάση και μειονεκτήματα

Είναι λοιπόν δεδομένο, πλέον, ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία εξαπλώνεται ταχύτατα στις κατασκευές των ηλεκτρονικών υποσυστημάτων των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Αυτό συμβαίνει γιατί ο μοναδικός άλλος τύπος ημιαγωγού, με επάρκεια σε ισχύ για χρήση σε αντιστροφέα (inverter) ηλεκτρικών αυτοκινήτων, είναι ο IGBT που όμως σε τάσεις λειτουργίας 1.200/1.700 Volt, είναι σχετικά αργός.

Στην πράξη το πρόβλημα αυτό για τους φορτιστές και για κάθε άλλη ηλεκτρονική διάταξη μετατροπής του ρεύματος που λειτουργεί στην ονομαστική τάση της συστοιχίας δημιουργεί την ανάγκη χρήσης πολύ υψηλότερων συχνοτήτων γιατί με τον τρόπο αυτό μειώνονται όχι μόνο τα μεγέθη, αλλά και τα κοστολόγια των μαγνητικών τους στοιχείων (μετασχηματιστές και επαγωγείς) και των χωρητικοτήτων (capacitors) αποθήκευσης ενέργειας στα διάφορα φίλτρα εξόδου τους.

Όπως συμβαίνει στις περισσότερες των περιπτώσεων στη Μηχανική, η αυθαίρετη αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας των μπαταριών δεν αποτελεί αναγκαστικά και μια εξ’ ορισμού καλή επιλογή.

Τα πλεονεκτήματα των συστοιχιών μπαταριών ηλεκτρικών αυτοκινήτων με υψηλή ονομαστική τάση

Όμως υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα που συνηγορούν για την αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας και το κυριότερο από αυτά βέβαια είναι η μείωση της διατομής των χάλκινων αγωγών που απαιτείται για τη διακίνηση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας (παρά το ότι απαιτείται μεγαλύτερο πάχος μονωτικού υλικού για την αντιμετώπιση της υψηλότερης τάσης).

Κάποιοι ταχυφορτιστές συνεχούς ρεύματος (DC) φθάνουν ακόμα και να χρησιμοποιήσουν υδρόψυκτο καλώδιο φόρτισης. Περιορίζοντας, όμως την αύξηση της θερμοκρασίας του, όταν αυτό διαρρέεται επί μακρόν από υψηλές εντάσεις ρεύματος, είναι απολύτως βέβαιο ότι η αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας για τη. Επιπλέον αυξάνει κατά μία ή και δύο εκατοστιαίες μονάδες τον συντελεστή αποδοτικότητας της φόρτισης, λόγω της μείωσης των απωλειών από εσωτερικές αντιστάσεις τόσο στον αγωγό, όσο και στον ακροσύνδεσμο.

Μια λιγότερο προφανής ωφέλεια από την αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας, η οποία ίσως να αγγίζει τα όρια της θεωρητικολογίας, είναι και το ότι οι ταχύτητες περιστροφής των ηλεκτροκινητήρων πρόωσης των οχημάτων (RPM) μπορούν να αυξηθούν επίσης χωρίς περαιτέρω απώλειες ροπής από το αδυνάτισμα του πεδίου.

Υπάρχει βέβαια και μηχανικό όριο στο κατά πόσο μπορεί να αυξηθεί η ταχύτητα περιστροφής ενός ηλεκτροκινητήρα πριν υποστεί αυτοδιάλυση.

Για τους λόγους αυτούς δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί η ανάπτυξη δυσανάλογα υψηλής ισχύος από ένα δεδομένο ηλεκτροκινητήρα και επομένως τα προς την κατεύθυνση αυτή οφέλη της αύξησης της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας είναι περισσότερο θεωρητικά και λιγότερο πρακτικά.

Άλλωστε δεν θα πρέπει εν προκειμένω να παραγνωρίζεται και το γεγονός ότι οι περισσότεροι ηλεκτροκινητήρες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων μπορούν να αντέξουν εκπληκτικές υπερφορτίσεις για μικρά χρονικά διαστήματα.

Ο γρίφος της ανακύκλωσης μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων και η… λύση του

Άλλα τεχνικά ζητήματα προς επίλυση σχετικά με τις μπαταρίες

Σύμφωνα με το Ελληνικό Ινστιτούτο Ηλεκτροκίνητων Οχημάτων, εν τούτοις υπάρχουν μερικά θέματα τα οποία πρέπει να τύχουν προσοχής.

Το πλέον ευνόητο είναι ο αυξημένος κίνδυνος ηλεκτροπληξίας όταν κάποιος βρεθεί από απροσεξία να αποτελεί τμήμα ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.

Ακόμα η υψηλότερη ηλεκτρική τάση ενός κυκλώματος προκαλεί ευκολότερα εκκενώσεις με τη μορφή ηλεκτρικών τόξων. Αυτά τα απαιτούν για την αποφυγή τους μεγαλύτερες διαχωριστικές αποστάσεις.

Αυτό επηρεάζει κατά κύριο λόγο την κατασκευή των ασφαλειών των διαφόρων κυκλωμάτων και αυξάνει σημαντικά τα κοστολόγια των ασφαλειών.

Ένα άλλο θέμα έχει σχέση με τον τρόπο διασύνδεσης των στοιχείων της ίδιας της συστοιχία, καθώς όσα περισσότερα στοιχεία (ή επί μέρους μονάδες) συνδέουμε εν σειρά, για να αυξήσουμε την ονομαστική της τάση, τόσο περισσότερο αυξάνεται η πιθανότητα ένα ή κάποια από αυτά να καταστούν ο αδύναμος κρίκος της.

Ένα τελευταίο σημείο το οποίο απαιτεί μέριμνα είναι τα ρεύματα διαρροής. Αυτά ρέουν από τη συστοιχία προς το πλαίσιο του αυτοκινήτου και αυξάνουν με την αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας.

Κάθε διαρροή ρεύματος της συστοιχίας προς το πλαίσιο μπορεί κατά τη διάρκεια της επαναφόρτισης να ενεργοποιήσει την ασφαλιστική διάταξη. Η οποία φυσικά θα διακόψει τη φόρτιση.

Αναπόφευκτη η αύξηση της ονομαστικής τάσης στις μπαταρίες

Φυσικά είναι δυσάρεστο για τον ιδιοκτήτη που θέλει να παραλάβει το αυτοκίνητό του φορτισμένο να διαπιστώσει ότι η φόρτιση δεν ολοκληρώθηκε. Από κάποια, συνήθως άγνωστη σε αυτόν, αιτία.

Επίσης, υπάρχει περίπτωση το καλώδιο φόρτισης να είναι εξαιρετικά βαρύ και δύσχρηστο όταν θα μεταφέρει πολύ ισχυρά ηλεκτρικά ρεύματα.

Κρίνοντας από όλα τα προαναφερόμενα, μπορεί κανείς να συμπεράνει αβίαστα ότι η αύξηση της ονομαστικής τάσης της συστοιχίας των ηλεκτρικών αυτοκινήτων στα 800 Volt μοιάζει σαν ένα λογικό βήμα εξέλιξης στην τεχνολογία της ηλεκτροκίνησης και όχι σαν κάποια μεμονωμένη και εξειδικευμένη εφαρμογή.

Εύλογο είναι το ότι όλο και περισσότεροι κατασκευαστές εξαγγέλλουν την πρόθεση να τη χρησιμοποιήσουν. Όχι μόνο στα μελλοντικά τους μοντέλα, αλλά ακόμα και στις επόμενες εκδόσεις αυτών που ήδη κυκλοφορούν.