Зачем потребовалось переходить от 12-вольтовой бортовой сети к 48-вольтовой?
Многие фанаты электромобилей знают, что 2023 году Tesla поделилась своей документацией по архитектуре 48-вольтовой бортовой сети с другими автопроизводителями, но почему до сих пор из серийных автомобилей такая система есть только на Cybertruck?
Конечно же многие захотят возразить, что 48-вольтовые компоненты для автомобилей придумала совсем не Tesla и это без всяких сомнений правда. Несмотря на громкие заявления Илона Маска в соцсетях о готовности поделиться своей системой со всеми автопроизводителями, уже более 10 лет назад в автомобильной промышленности применялись системы с питанием от 48 Вольт. Например, стартер системы старт-стоп, электрический нагнетатель воздуха по типу турбонаддува, электромеханические стабилизаторы поперечной устойчивости премиальных автомобилей и даже полноценные системы электропривода в гибридных автомобилях. Революционная идея Илона заключалась в том, чтобы при этом полностью отказаться от 12-вольтовой бортовой сети, тогда как до этого момента все были вынуждены прокладывать отдельно низковольтную сеть и отдельно сеть среднего уровня напряжения 48 Вольт для мощных потребителей. Кроме того, сама схема подключения потребителей, которую предлагает Tesla, заметно отличается.
Зачем потребовалось повышать напряжение?
В первую очередь причина экономическая. Чем выше напряжение, тем тоньше сечение проводов можно использовать. С ростом мощности бортового оборудования и общей длинны проводки, которая может исчисляться несколькими километрами медного провода на один автомобиль, это становится существенной статьёй затрат при производстве, а также причиной потерь энергии, связанных с неизбежным нагревом проводников, через которые протекают все более крупные значения электрического тока.
Почему раньше до этого никто не додумался?
Изначально для массового использования повышенного напряжения существовало несколько фундаментальных проблем. Первая – это безопасность. Здоровый человек без существенных ран на коже может безопасно прикасаться руками к оголённым токоведущим частям 12-вольтовых систем. Системы на 24 Вольта, распространённые на грузовом транспорте, уже требуют определённых мер безопасности, а при дальнейшем увеличении напряжения до 48 Вольт риск поражения электрическим током от прикосновения к оголённым участкам проводки становится действительно достаточно серьёзным. Кроме того, увеличивается риск возгораний по причине повреждения изоляции проводников и последующих коротких замыканий. Эти риски и ограничения удалось значительно снизить только с появлением продвинутых материалов изоляции, систем контроля состояния электропроводки автомобиля и электронных предохранителей (это не традиционные плавкие вставки, собранные в огромном блоке предохранителей, а полупроводниковые многоразовые элементы, которые не привязаны к какому-то определенному месту расположения).
Какие проблемы всё ещё остаются?
Большинство электрооборудования для легковых автомобилей проектировалось на протяжении почти 100 лет с учётом питания от 12 Вольт. Например, осветительные приборы, приводы для стеклоподъёмников и дворников, электрические замки, микродвигатели для регулировки зеркал и бесчисленное множество других стандартных компонентов, которые производятся по всему земному шару – всё это потребует срочной адаптации, а по-хорошему даже разработки с нуля для обеспечения действительно высокой энергоэффективности.
Что именно сейчас предлагает Tesla?
Разумеется, по одному твиту Илона Маска вся автоиндустрия запчастей не запустила производство 48-вольтовой автоэлектроники, поэтому на первом этапе некоторые используемые в автомобиле компоненты используют в своём составе DC-DC понижающие преобразователи с 48 до 12 Вольт. Однако, в автомобиле уже есть ряд систем, которые изначально были задуманы как 48-вольтовые.
Cybertruck оснащен двумя точками подключения питания. Эти точки обеспечивают доступ к 48-вольтовой системе. Точки питания представляют из себя специализированные разъёмы с контролем целостности и электронными предохранителями. Расположены коннекторы в верхней части кузова и в переднем багажнике. Предназначены для подключения оборудования мощностью до 400 Ватт с рабочим диапазоном напряжений 43-48 Вольт, при этом динамические колебания напряжения бортовой сети могут находится в пределах 28-58 Вольт. Например, верхняя «розетка» используется для подключения мощного осветительного прибора, предназначенного для использования вне дорог общего пользования. Интересно, что в официальном конфигураторе на сайте такая популярная опция до сих пор отсутствует, а приобретается отдельно в сервисных центрах Tesla как дополнительное оборудование. В ту же точку подключаются и специальные проблесковые маяки с сиреной для спецслужб. Кстати, проблемы с «люстрой» у Tesla Cybertruck уже случались, была даже официальная отзывная кампания. Виноватыми как обычно оказались низкоквалифицированные механики, которые не смогли надёжно закрепить оборудование на крыше, но по электрической части пока всё в полном порядке.
Есть у Cybertruck и более серьёзное оборудование, которое изначально разработано с учётом использования возможностей мощной и отказоустойчивой 48-вольтовой бортовой сети. Механическая связь между рулём и колесами у этого внедорожника полностью отсутствует. Все 4 колеса управляются системой из электромеханических контроллеров, приводов и датчиков угла поворота. Обратную связь на руль так же по проводам передаёт и воспроизводит специализированный электромеханический модуль. Для отказоустойчивости системы все критически важные компоненты дублируются и физически расположены в разных местах минимизируя риски случайных повреждений. Обе системы, рабочая и резервная, работают одновременно, одна непосредственно управляет углом поворота всех колёс, вторая просто контролирует все параметры и находится в постоянной готовности взять управление на себя. Резервных датчиков в системе ещё больше - 3 независимых комплекта. Питание всей системы осуществляется из трёх независимых источников: от 48В литий-железо-фосфатного аккумулятора и от 800В аккумулятора через основной DC-DC преобразователь и через дежурный DC-DC преобразователь малой мощности. Благодаря такой конструкции система должна гарантировать работоспособность как минимум в течение 5 минут для поиска безопасного места и остановки автомобиля при возникновении критических неполадок (согласно Tesla Structural High Voltage Battery Devices - Theory of Operation.pdf, который мы уже внимательно изучили). Применение 48-вольтовой системы таким образом выглядит абсолютно уместно, так как получить настолько отказоустойчивую и такую же компактную и надёжную рулевую систему на базе 12- ти вольтового питания было просто невозможно из-за кратного роста рабочих токов и габаритов оборудования.
Как устроена 48-вольтовая система Tesla?
Аккумуляторная батарея среднего напряжения состоит из 13 литий-железо-фосфатных ячеек общей ёмкостью 4 А·ч (172 Вт·ч). Конфигурация обозначается как 13S1P (13 последовательно соединённых ячеек в одной цепочке). При 100% уровне заряда напряжение батареи составляет 46,8 В, а при 10% SoC — около 40 В.
Плата управления аккумуляторной батареей (BMB) внутри аккумуляторной батареи может активировать следующие функции:
Внутренняя самозащита (подключение и отключение напряжения на выводах).
Балансировка ячеек током до 25 мА.
Подогрев ячеек мощностью до 22 Вт.
Управление через внешний контроллер.
Аккумуляторная батарея среднего напряжения оснащена внутренней схемой защиты, которая предотвращает повреждения, возникающие при работе за пределами её допустимых напряжений. Например, если высоковольтная батарея автомобиля имеет низкий уровень заряда и перестаёт обеспечивать электропитание транспортного средства, то аккумуляторная батарея среднего напряжения остаётся единственным источником питания для потребителей автомобиля.
Вместо того, чтобы разрядиться до уровня, требующего замены, аккумуляторная батарея среднего напряжения отключится на 10% остатка заряда, если автомобиль находится в безопасном (припаркованном) состоянии. Активация защиты возможна по двум независимым каналам от BMB и от внешнего контроллера. Внешний контроллер предотвращает срабатывание защиты если автомобиль находится в движении.
В случае, если хотя бы одна из 13 ячеек 48-вольтовой батареи разрядится до уровня 1.8 Вольт, вся батарея будет заблокирована без возможности восстановления. То есть зарядить её мимо контроллера уже не получится, исходя из соображений безопасности потребуется замена на новую.
Интересно, что по мере исчерпания ресурса, батарея среднего напряжения может расходовать больше энергии на собственный разогрев, чтобы соответствовать требованиям к производительности, поскольку в холодном состоянии параметры её производительности становятся значительно скромнее.
Предположительно, при правильном использовании 48-вольтовой батареи её срок службы будет равняться сороку службы всего автомобиля, тогда как свинцовые 12-вольтовые батареи требовали замены в диапазоне 3-10 лет, а литиевые 16-вольтовые варианты потенциально могут прослужить и более 10 лет, но на практике не редко требуют замены гораздо ранее 10 лет как правило из-за тяжелых условий эксплуатации.
Почему в легковых автомобилях 48-вольтовую систему среднего напряжения без стандартной 12-вольтовой бортовой сети низкого напряжения до сих пор использует только Tesla?
Несмотря на все преимущества такой конструкции и большую потенциальную экономию на меди, внедрение здесь и сейчас потребует большие финансовые вложения и сложную организационную работу с поставщиками. Чем крупнее автопроизводитель, тем сложнее это сделать. Даже сама Tesla все ещё не смогла переделать традиционные низковольтные системы на других своих моделях, несмотря на то что и Model 3, и самый массовый кроссовер Model Y с тех пор уже успели пережить очень масштабные обновления. Что касается остальных автопроизводителей, то наверняка им потребуется ещё больше времени для полного отказа от традиционной низковольтной системы. «Приятно было прочитать эту документацию и осознать, что наша команда пошла по тому же пути. Давайте работать вместе, чтобы помочь отрасли перейти в будущем на 48 В», — написал генеральный директор Ford Джим Фарли в ответ на заявление Илона Маска о публикации документации в открытом доступе. Наверняка кто-то из китайских автопроизводителей опередит Ford и в этом, но первой опять стала Tesla.
