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Oct 01, 2023

Por qué más voltaje produce mejores vehículos eléctricos

La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan una arquitectura eléctrica de 400 voltios. He aquí por qué más de 800 voltios es el futuro. Con la llegada de la era eléctrica llega un léxico completamente nuevo con el que los entusiastas del automóvil se familiarizarán.

La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan una arquitectura eléctrica de 400 voltios. He aquí por qué más de 800 voltios es el futuro.

Con el advenimiento de la era eléctrica llega un léxico completamente nuevo con el que los entusiastas del automóvil deben familiarizarse (kilovatios-hora, MPGe, SAE J1772), pero pocos parecen tan poco comprendidos o tan poco discutidos como los vehículos eléctricos de 400 u 800 voltios. Parece haber un entendimiento general de que más voltios equivalen a mejores automóviles, incluso en los círculos de fabricantes. (Se puede encontrar evidencia de esto en el concepto Charger Daytona de Dodge; Dodge anunció que su arquitectura Banshee de 800 voltios haría que el vehículo eléctrico fuera "... más rápido que un Hellcat en todas las medidas clave de rendimiento". La compañía nunca especificó cómo funcionaría exactamente. aunque.)

Más allá de "más es mejor", todo se vuelve confuso. Incluso a los fabricantes de automóviles les resulta difícil explicarlo. Es comprensible, porque medir el impacto directo en el rendimiento de voltajes más altos no es sencillo: no se puede conectar un Nissan Leaf a una fuente de alta tensión. pilón y esperar volar las puertas de un Lotus Evija, pero aún así importa.

Para entender cómo el voltaje podría hacer que un automóvil sea más rápido, primero debemos entender qué es el voltaje. Es un concepto bastante simple en sí mismo, que se describe mejor como energía potencial eléctrica. La analogía 101 de ingeniería eléctrica más fácil y más utilizada es comparar el voltaje con un circuito hidráulico: si un sistema de bomba de agua es un circuito, el voltaje es equivalente a la presión en las tuberías. Agregar una bomba más potente o un depósito más grande lleno de agua aumentaría la presión en las tuberías.

De manera similar, agregar un voltaje más alto a un suministro de energía eléctrica significa que impulsa más energía, o la misma cantidad de energía con menos corriente. Menos corriente, en nuestra analogía con el agua, significaría que podríamos usar una tubería de menor diámetro; agregar más corriente significaría usar una tubería más grande. Matemáticamente, es muy sencillo y se define mediante la ley de Ohm: el voltaje es igual a la resistencia multiplicada por la corriente. Los fabricantes de automóviles ya están tratando de minimizar la resistencia, por lo que el voltaje y la corriente son las dos variables con las que se puede jugar: más de una significa menos de la otra, y viceversa.

En términos de vehículos eléctricos, una arquitectura de mayor voltaje necesita menos corriente para enviar la misma cantidad de energía al motor. Esto tiene una serie de beneficios. Una corriente más baja significa que se puede utilizar menos cable, lo que da lugar a un mazo de cables significativamente más ligero. La reducción de la corriente también reduce el calor, ya que la corriente es el principal generador de calor en la electrónica. Un calor más bajo significa una vida útil más larga para los dispositivos electrónicos y las baterías. Y lo más importante para las agencias de publicidad de un fabricante de vehículos eléctricos es que un sistema de mayor voltaje, menor corriente y menor calor permite tiempos de carga mucho más rápidos. La generación de calor durante la carga rápida suele ser el factor limitante para la velocidad de carga.

Sin embargo, tenga en cuenta que agregar voltaje no cambiará directamente la salida del motor. Los motores eléctricos están diseñados para funcionar de manera más eficiente y potente con un voltaje específico, y aplicar más voltaje a un motor que no está diseñado para manejar estas cargas en realidad lo hará menos potente. El motor debe construirse teniendo en cuenta el voltaje.

Los primeros vehículos eléctricos tendían a utilizar voltajes bajos, ya que estaban limitados por la tecnología de baterías de su época. La mayoría de los coches eléctricos desde los albores del transporte motorizado a finales del siglo XIX hasta el Citicar de la década de 1970 utilizaron arquitecturas de menos de 100 voltios (normalmente sistemas de 48 o 72 voltios), ya que dependían del cableado en serie. juntas baterías de plomo-ácido de 6 o 12 voltios. (Los circuitos en serie suman los voltajes de las baterías; los circuitos en paralelo no.) Las limitaciones de espacio y peso rápidamente se convirtieron en un problema con las baterías de plomo-ácido grandes y pesadas, por lo que construir sistemas de mayor voltaje era, en su mayor parte, poco práctico.

Sin embargo, a medida que los vehículos eléctricos disfrutaron de un segundo resurgimiento a finales de los años noventa, la tecnología y el embalaje de las baterías evolucionaron. El GM EV1, que utilizó baterías de plomo-ácido en su primera versión (los vehículos de segunda generación usaban baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH), logró meter 312 voltios de energía en su chasis. La mayoría de los primeros vehículos eléctricos de esta era oscilaban en el rango de 300 a 400 voltios, incluso después del cambio de baterías de plomo-ácido a baterías de NiMH o níquel-hidrógeno mucho menos pesadas y más densas en energía. Uno de los primeros automóviles con batería de iones de litio, el Nissan Altra, apuntaba aún más bajo, con una arquitectura de 247 voltios.

Con la llegada de más baterías de iones de litio producidas en masa en automóviles como el Nissan Leaf y el Tesla Roadster, los voltajes se estabilizaron en su mayoría alrededor de los 400 voltios. Los fabricantes de automóviles podrían haber continuado mucho más allá, dada la densidad energética de las baterías de iones de litio. Sin embargo, se detuvieron en 400 voltios en gran parte por razones de costo; Como dice la Asociación Alemana de Fabricantes Eléctricos y Electrónicos, "para la tecnología de baterías se utilizan preferentemente voltajes más bajos debido a los menores costos, ya que se puede reducir el número de conexiones de celdas, lo que hace que la gestión de la batería sea menos compleja". Además, una clasificación máxima común para los componentes electrónicos disponibles en el mercado es de 600 voltios (o 420 voltios con un margen de seguridad adecuado para la longevidad en un sistema de CC). Poder comprar piezas ya existentes ayudó a reducir costos además de ahorrar en la construcción de baterías. En una era antes de que estuviera disponible la carga rápida de más de 350 kW, aumentar el voltaje habría agregado costos sin ningún beneficio tangible.

A medida que más vehículos eléctricos llegaron a los concesionarios, el suministro de componentes electrónicos y otras piezas existentes listos para 400 voltios no hizo más que aumentar. Las economías de escala significaron que los vehículos eléctricos posteriores optaron por utilizar sistemas de 400 voltios, y esto condujo al advenimiento de lo que se conoce como arquitectura de 400 voltios, que sigue siendo la norma de facto en la actualidad. Sin embargo, ya no es la única opción que existe en el mercado.

Hasta el debut del Porsche Taycan en 2019, todos los vehículos eléctricos utilizaban una arquitectura de 400 voltios. El Taycan, sin embargo, utiliza un sistema de 800 voltios que Porsche desarrolló internamente, utilizando tecnología que perfeccionó por primera vez en su auto de carreras 919 Hybrid ganador de Le-Mans.

Sin embargo, no fue fácil ser el primero en comercializar una arquitectura de 800 voltios. Como me explicó Calvin Kim, portavoz de Porsche, el Taycan no tenía ningún equipo disponible en el mercado para aprovechar. "Casi todos los equipos del tren motriz, como inversores de pulsos, cargadores a bordo, sistemas de gestión de baterías y los propios motores, tuvieron que diseñarse específicamente para el Taycan y su arquitectura de 800 voltios", dijo.

Los beneficios fueron tangibles de inmediato, justificando el costo adicional. Porsche afirmó que cortó 66 libras de cableado solo gracias al sistema de mayor voltaje, y el menor calor que generaba el sistema significaba que los tirones a máxima velocidad eran fácilmente replicables docenas de veces seguidas sin pérdida de energía debido al sobrecalentamiento. El novedoso sistema de 800 voltios del Taycan también generó enormes beneficios en el cargador. El sistema de menor corriente es capaz de cargar a una impresionante velocidad máxima de 270 kW, lo que permite al Taycan cargar su batería del 5% al ​​80% en poco más de 20 minutos. Esto no tuvo rival en su debut.

Desde el debut del Taycan, un puñado de fabricantes han cambiado a sistemas de 800 voltios. El Kia EV6, el Hyundai Ioniq 5 y el Ioniq 6, y el Audi e-Tron GT basado en Taycan utilizan arquitecturas de 800 voltios, y el Lucid Air utiliza un sistema patentado de 900 voltios. Todos este puñado de vehículos eléctricos pueden acercarse a la velocidad de carga del Taycan (Lucid afirma que el Air puede cargarse a una velocidad absurdamente rápida de más de 300 kW, lo que lo convierte en el más rápido del mercado). La mayoría de los analistas creen que la demanda de los consumidores de tiempos de carga más rápidos y las economías de escala en desarrollo para componentes de mayor voltaje significan que para finales de la década, la mayoría de los vehículos eléctricos nuevos serán de 800 voltios.

Algunos fabricantes de automóviles, que todavía no quieren cambiar a una arquitectura más cara de 800 voltios, han desarrollado soluciones inteligentes para obtener algunos de los beneficios sin todo el costo. El Hummer EV de GMC utiliza dos paquetes de baterías separados de 400 voltios conectados en paralelo durante el funcionamiento normal, lo que significa que la transmisión está construida sobre una arquitectura de 400 voltios. Sin embargo, durante la carga rápida, puede accionar un interruptor y conectar los dos paquetes en serie, lo que combina sus voltajes para convertirlo temporalmente en un sistema de 800 voltios. Esto le permite cargar mucho más rápido, a velocidades de alrededor de 300 kW.

Las arquitecturas de mayor voltaje, como los sistemas de 800 voltios, significan vehículos eléctricos de mayor eficiencia con velocidades de carga mucho más rápidas. La longevidad de los principales componentes electrónicos y de la batería también puede verse beneficiada, gracias al menor calor generado por los sistemas de baja corriente y alto voltaje. Esto (junto con una mejor gestión de la temperatura de la batería) significa que probablemente veremos autos eléctricos más duraderos en el futuro. . La introducción de los vehículos eléctricos Hyundai y Kia de menos de $50,000 con sistemas de 800 voltios es una buena señal para la asequibilidad futura de los vehículos eléctricos más avanzados, y es probable que comprar un automóvil de 800 voltios en lugar de uno de 400 voltios sea un importante punto de venta. a medida que pasa el tiempo y los consumidores aprenden más sobre los fundamentos de sus vehículos eléctricos.

Para los entusiastas, si bien los sistemas de mayor voltaje no harán que su automóvil sea más rápido, sí lo harán más rápido, ya que el sobrecalentamiento de los componentes eléctricos será mucho menos probable. Esto probablemente significará más días de pista para vehículos eléctricos, lo que todos estamos de acuerdo será algo bueno.

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