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Oct 01, 2023

Warum mehr Spannung zu besseren Elektrofahrzeugen führt

Die meisten Elektrofahrzeuge verwenden eine elektrische 400-Volt-Architektur. Hier erfahren Sie, warum 800-plus-Volt die Zukunft ist. Mit dem Aufkommen des Elektrozeitalters kommt ein völlig neues Lexikon, mit dem sich Automobilenthusiasten vertraut machen müssen

Die meisten Elektrofahrzeuge verwenden eine 400-Volt-Elektroarchitektur. Hier erfahren Sie, warum 800-plus-Volt die Zukunft ist.

Mit dem Aufkommen des Elektrozeitalters gibt es ein völlig neues Lexikon, mit dem sich Automobilenthusiasten vertraut machen können – Kilowattstunden, MPGe, SAE J1772 –, aber nur wenige scheinen so wenig verstanden oder so selten diskutiert zu werden wie 400-Volt- oder 800-Volt-Elektrofahrzeuge. Selbst in Herstellerkreisen scheint es ein allgemeines Verständnis dafür zu geben, dass mehr Volt bessere Autos bedeutet. (Ein Beweis dafür ist das Charger Daytona-Konzept von Dodge. Dodge kündigte an, dass seine 800-Volt-Banshee-Architektur das Elektrofahrzeug „...in allen wichtigen Leistungskennzahlen schneller als einen Hellcat“ machen würde. Das Unternehmen hat nie angegeben, wie genau das funktionieren würde. obwohl.)

Abgesehen von „mehr ist besser“ wird es unklar. Sogar Autohersteller haben Schwierigkeiten, es zu erklären. Das ist verständlich, denn die Messung der direkten Auswirkungen höherer Spannungen auf die Leistung ist nicht einfach – man kann einen Nissan Leaf nicht an eine Hochspannung anschließen Pylon und erwarten, die Türen eines Lotus Evija wegzusprengen – aber es spielt trotzdem eine Rolle.

Um zu verstehen, wie Spannung ein Auto schneller machen kann, müssen wir zunächst verstehen, was Spannung ist. Es handelt sich um ein recht einfaches Konzept, das sich am besten als elektrische potentielle Energie beschreiben lässt. Die einfachste und am häufigsten verwendete Analogie zur Elektrotechnik besteht darin, die Spannung mit einem Hydraulikkreislauf zu vergleichen: Wenn es sich bei einem Wasserpumpensystem um einen Kreislauf handelt, entspricht die Spannung dem Druck in den Rohren. Der Einbau einer leistungsstärkeren Pumpe oder eines größeren Wasserbehälters würde den Druck in den Leitungen erhöhen.

Ebenso bedeutet das Hinzufügen einer höheren Spannung zu einer Stromversorgung, dass mehr Energie oder die gleiche Energiemenge bei weniger Strom übertragen wird. Weniger Strömung würde in unserer Wasseranalogie bedeuten, dass wir ein Rohr mit kleinerem Durchmesser verwenden könnten; Das Hinzufügen von mehr Strom würde die Verwendung eines größeren Rohrs erfordern. Mathematisch ist es sehr einfach und wird durch das Ohmsche Gesetz definiert: Spannung ist gleich Widerstand mal Strom. Autohersteller versuchen bereits, den Widerstand zu minimieren, daher sind Spannung und Strom die beiden Variablen, mit denen man spielen kann – mehr von dem einen bedeutet weniger vom anderen und umgekehrt.

In Bezug auf Elektrofahrzeuge benötigt eine Architektur mit höherer Spannung weniger Strom, um die gleiche Leistung an den Motor zu übertragen. Dies hat eine Reihe von Vorteilen. Ein geringerer Strom bedeutet, dass weniger Kabel verwendet werden können, was zu einem deutlich leichteren Kabelbaum führt. Die Reduzierung des Stroms reduziert auch die Wärme, da Strom in der Elektronik der Haupterzeuger von Wärme ist. Eine geringere Hitze bedeutet eine längere Lebensdauer von Elektronik und Batterien. Und was für die Werbeagenturen eines Elektrofahrzeugherstellers am wichtigsten ist: Ein System mit höherer Spannung, niedrigerem Strom und geringerer Wärmeentwicklung ermöglicht viel schnellere Ladezeiten. Die Wärmeentwicklung beim Schnellladen ist meist der limitierende Faktor für die Ladegeschwindigkeit.

Beachten Sie jedoch, dass das Hinzufügen von Spannung die Leistung des Motors nicht direkt verändert. Elektromotoren sind so konzipiert, dass sie bei einer bestimmten Spannung am effizientesten und leistungsstärksten arbeiten. Wenn Sie einem Motor, der nicht für diese Lasten ausgelegt ist, mehr Spannung zuführen, wird er tatsächlich weniger leistungsstark. Der Motor muss unter Berücksichtigung der Spannung gebaut werden.

Frühe Elektrofahrzeuge verwendeten tendenziell niedrige Spannungen, da sie durch die Batterietechnologie ihrer Zeit eingeschränkt waren. Die meisten Elektroautos von den Anfängen der motorisierten Kutsche im späten 19. Jahrhundert bis hin zum Citicar aus den 1970er-Jahren verwendeten Architekturen mit weniger als 100 Volt (normalerweise 48-Volt- oder 72-Volt-Systeme), da sie auf Reihenschaltung beruhten zusammen 6 oder 12 Volt Blei-Säure-Batterien. (Reihenschaltungen addieren die Spannungen von Batterien, Parallelschaltungen dagegen nicht.) Platz- und Gewichtsbeschränkungen wurden bei großen, schweren Blei-Säure-Batterien schnell zu einem Problem, und so war der Bau von Systemen mit höherer Spannung größtenteils unpraktisch.

Als Elektrofahrzeuge Ende der 1990er Jahre einen zweiten Aufschwung erlebten, entwickelten sich Batterietechnologie und Verpackung jedoch weiter. Der GM EV1, der in seiner ersten Version Blei-Säure-Batterien verwendete – Fahrzeuge der zweiten Generation verwendeten Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH), schaffte es dennoch, 312 Volt Strom in sein Gehäuse zu stopfen. Die meisten frühen Elektrofahrzeuge dieser Ära bewegten sich im Spannungsbereich von 300 bis 400 Volt, selbst nach der Umstellung von Blei-Säure-Batterien auf deutlich weniger schwere, energiedichtere NiMH- oder Nickel-Wasserstoff-Batterien. Eines der ersten Lithium-Ionen-Batterieautos, der Nissan Altra, zielte mit einer 247-Volt-Architektur noch tiefer.

Mit dem Aufkommen zunehmender serienmäßig hergestellter Lithium-Ionen-Batterien in Autos wie dem Nissan Leaf und dem Tesla Roadster pendelten sich die Spannungen größtenteils um die 400-Volt-Marke ein. Angesichts der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien hätten die Autohersteller weit darüber hinaus weitermachen können. Sie blieben jedoch größtenteils aus Kostengründen bei 400 Volt; Wie es der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. ausdrückt: „Für die Batterietechnik werden aufgrund der geringeren Kosten vorzugsweise niedrigere Spannungen eingesetzt, da die Anzahl der Zellverbindungen reduziert werden kann und das Batteriemanagement weniger komplex wird.“ Darüber hinaus beträgt die übliche maximale Nennspannung für handelsübliche Elektronikkomponenten 600 Volt (oder 420 Volt mit einer angemessenen Sicherheitsmarge für die Langlebigkeit in einem Gleichstromsystem). Die Möglichkeit, bereits vorhandene Teile zu kaufen, trug zusätzlich zu den Einsparungen bei der Batteriekonstruktion dazu bei, die Kosten zu senken. In einer Zeit, bevor Schnellladen mit mehr als 350 kW verfügbar war, hätte die Umstellung auf eine höhere Spannung zusätzliche Kosten ohne greifbaren Nutzen verursacht.

Da immer mehr Elektrofahrzeuge zu den Händlern kamen, nahm das Angebot an vorhandener 400-Volt-fähiger Elektronik und anderen Teilen nur zu. Skaleneffekte führten dazu, dass nachfolgende Elektrofahrzeuge standardmäßig auf 400-Volt-Systeme setzten, was zur Entstehung der sogenannten 400-Volt-Architektur führte, die auch heute noch die De-facto-Norm darstellt. Es ist jedoch nicht mehr die einzige Option auf dem Markt.

Bis zum Debüt des Porsche Taycan im Jahr 2019 nutzte jedes Elektrofahrzeug eine 400-Volt-Architektur. Der Taycan nutzt jedoch ein 800-Volt-System, das Porsche selbst entwickelt hat und das erstmals in seinem Le-Mans-Siegerrennwagen 919 Hybrid verfeinert wurde.

Allerdings war es nicht einfach, als Erster eine 800-Volt-Architektur auf den Markt zu bringen. Wie Calvin Kim, ein Sprecher von Porsche, mir erklärte, verfügte der Taycan über keine Standardausrüstung, die er nutzen konnte. „Fast die gesamte Antriebsausrüstung, wie Pulswechselrichter, Bordladegeräte, Batteriemanagementsysteme und die Motoren selbst, mussten speziell für den Taycan und seine 800-Volt-Architektur entwickelt werden“, sagte er.

Die Vorteile waren sofort spürbar und rechtfertigten die Mehrkosten. Porsche behauptete, allein durch das System mit höherer Spannung 66 Pfund Kabel eingespart zu haben, und die geringere Hitze, die das System erzeugte, bedeutete, dass Höchstgeschwindigkeitszüge problemlos Dutzende Male hintereinander wiederholt werden konnten, ohne dass es zu einem Leistungsverlust aufgrund von Überhitzung kam. Auch beim Ladegerät brachte das neuartige 800-Volt-System des Taycan enorme Vorteile. Das stromsparendere System ist in der Lage, mit einer beeindruckenden Höchstgeschwindigkeit von 270 kW zu laden, wodurch der Taycan seine Batterie in etwas mehr als 20 Minuten von 5 % auf 80 % aufladen kann. Dies war bei seinem Debüt konkurrenzlos.

Seit dem Debüt des Taycan sind einige Hersteller auf 800-Volt-Systeme umgestiegen. Der Kia EV6, der Hyundai Ioniq 5 und Ioniq 6 sowie der auf dem Taycan basierende Audi e-Tron GT nutzen alle 800-Volt-Architekturen, und der Lucid Air nutzt ein proprietäres 900-Volt-System. Diese Handvoll Elektrofahrzeuge können alle an die Ladegeschwindigkeit des Taycan heranreichen (Lucid behauptet, dass der Air mit absurd schnellen 300 und mehr kW laden kann, was ihn zum schnellsten auf dem Markt macht). Die meisten Analysten gehen davon aus, dass die Verbrauchernachfrage nach schnelleren Ladezeiten und die sich entwickelnden Skaleneffekte bei Komponenten mit höherer Spannung dazu führen werden, dass bis zum Ende des Jahrzehnts die meisten neuen Elektrofahrzeuge mit 800 Volt ausgestattet sein werden.

Einige Autohersteller, die noch nicht auf eine teurere 800-Volt-Architektur umsteigen wollen, haben clevere Problemumgehungen entwickelt, um einige der Vorteile ohne die gesamten Kosten zu nutzen. Der Hummer EV von GMC verwendet zwei separate 400-Volt-Batteriepakete, die im Normalbetrieb parallel geschaltet sind, was bedeutet, dass der Antriebsstrang auf einer 400-Volt-Architektur basiert. Während des Schnellladens kann es jedoch einen Schalter umlegen und die beiden Akkus in Reihe schalten, wodurch ihre Spannungen kombiniert werden, um vorübergehend ein 800-Volt-System zu schaffen. Dadurch kann er mit Geschwindigkeiten von rund 300 kW deutlich schneller laden.

Architekturen mit höherer Spannung, wie zum Beispiel 800-Volt-Systeme, bedeuten Elektrofahrzeuge mit höherer Effizienz und viel schnelleren Ladegeschwindigkeiten. Auch die Langlebigkeit wichtiger Elektronik- und Batteriekomponenten kann dank der geringeren Wärmeentwicklung von Niederstrom- und Hochspannungssystemen profitieren. Dies (zusammen mit einem besseren Batterietemperaturmanagement) bedeutet, dass wir in Zukunft wahrscheinlich langlebigere Elektroautos sehen werden . Die Einführung der unter 50.000 US-Dollar teuren Elektrofahrzeuge von Hyundai und Kia mit 800-Volt-Systemen ist ein gutes Zeichen für die künftige Erschwinglichkeit fortschrittlicherer Elektrofahrzeuge, und es ist wahrscheinlich, dass der Kauf eines 800-Volt-Autos gegenüber einem 400-Volt-Auto ein ernstzunehmendes Verkaufsargument sein wird Mit der Zeit erfahren die Verbraucher mehr über die Grundlagen ihrer Elektrofahrzeuge.

Für Enthusiasten: Systeme mit höherer Spannung machen Ihr Auto zwar nicht schneller, dafür aber reproduzierbar schneller, da die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung elektrischer Komponenten deutlich geringer ist. Dies wird wahrscheinlich mehr EV-Streckentage bedeuten, und wir sind uns alle einig, dass dies eine gute Sache sein wird.

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