Toiteaku kogupinge sõltub üksikute elementide pingest ja järjestikku ühendatud elementide arvust. Kuigi teoreetiline ülempiir puudub, ulatub pinge praktilistes rakendustes tavaliselt mitmekümnest voltist mitmesaja voltini. Üksikasjalik jaotus on järgmine:
Toiteaku kogupinge arvutamine
Toiteaku kogupinge järgib pinge lisamise põhimõtet jadaahelas. Valem on: kogupinge=üksiku elemendi pinge × elementide arv seerias. Näiteks kui üksiku elemendi pinge on 3,7 V ja 100 sellist elementi on järjestikku ühendatud, oleks kogupinge 370 V.
Tüüpilised pingevahemikud üksikute elementide jaoks
Üksiku elemendi pinge varieerub oluliselt sõltuvalt selle keemilisest koostisest, mis mõjutab otseselt paketi kogupinge ülemist piiri:
Pliiakud: tavaliselt on nende nimipinge 2 V elemendi kohta; kasutatakse tavaliselt väikese kiirusega elektrisõidukites või energiasalvestussüsteemides.
Nikkel-kaadmium (NiCd) / nikkel-metallhüdriid (NiMH) akud: ühe elemendi nimipinge on 1,2 V. Neid kasutati varajastes hübriidelektrisõidukites, kuid need on keskkonnaprobleemide tõttu suuresti kasutuselt kõrvaldatud.
Liitiumioonakud:
Liitiumraudfosfaat (LFP): 3,2 V raku kohta; tuntud kõrge ohutuse poolest ja kasutatakse sageli tarbesõidukites.
Liitium-nikkel-koobalt-mangaanoksiid (NCM) / Liitium-nikkel-koobalt-alumiiniumoksiid (NCA): 3,6–3,7 V raku kohta; pakuvad suurt energiatihedust ja neid kasutatakse laialdaselt sõiduautodes.
Liitiumtitanaat (LTO): 2,4 V elemendi kohta; neil on suurepärased kiirlaadimisvõimalused, kuid need on kõrgema hinnaga.
Seeria lahtrite arvu praktilised vahemikud
Järjestikku ühendatud elementide arvu määrab sõiduki võimsusvajadus ja akuhaldussüsteemi (BMS) konstruktsioon. Levinud konfiguratsioonid hõlmavad järgmist:
Sõiduautod:
LFP akud: umbes 100–120 elementi järjestikku, mille tulemuseks on kogupinge 320–384 V.
NCM/NCA (kolmliitium) akud: umbes 90–100 elementi järjestikku, mille tulemuseks on kogupinge 324–370 V.
Tipptasemel mudelid (nt Tesla Model S): kasutage 400 V arhitektuuri; mõned mudelid suurendavad seda üle 450 V, ühendades järjest suurema arvu elemente. Tarbesõidukid:
Elektribussid: kandevõime ja sõiduulatuse nõuete tõttu kasutavad need sageli 600–800 V kõrgepingearhitektuure, kusjuures akuelementide arv seerias ulatub 200–300 ühikuni.
Raskeveokid: mõnel mudelil on suure võimsusega elektrimootorite toetamiseks süsteemi kogupinge üle 800 V.
Spetsiaalsed rakendused:
Lennunduskvaliteediga toiteakud: kaalu minimeerimiseks kasutavad need kõrgepingekonstruktsioone (nt üle 1000 V), mis nõuavad lahendusi isolatsiooni ja soojusjuhtimise probleemidele.
Energiasalvestussüsteemid (ESS): sõltuvalt võrgunõuetest saab süsteemi kogupinget skaleerida kuni 1500 V või isegi kõrgemale.
Süsteemi kogupinge piiravad tegurid
Kuigi süsteemi kogupingel pole teoreetilist ülempiiri, piiravad praktilisi rakendusi järgmised tegurid:
Aku ohutus: kõrge pinge suurendab elektrikaare ja isolatsioonirikke ohtu, mistõttu on vaja täiustatud akuhaldussüsteemi (BMS) jälgimist ja tugevat elektriisolatsiooni.
Materjali pingetaluvus: akuümbrised, pistikud ja juhtmestikud peavad taluma kõrget pinget, mis suurendab nii kulusid kui ka kaalu.
Laadimisinfrastruktuuri ühilduvus: olemasolevad kiirlaadimisstandardid (nagu CCS ja CHAdeMO) toetavad peamiselt 400–800 V vahemikku; ülikõrgepingesüsteemide jaoks on vaja spetsiaalseid ühilduvaid laadimisjaamu.
Mootori kontrolleri efektiivsus: kõrgem pinge võimaldab väiksemat voolu, vähendades seeläbi ülekandekadusid; selleks on aga vaja kasutada kõrgepinge nimivõimsusega elektroonilisi komponente (nt SiC MOSFET-id).
Tööstuse suundumused: nihe kõrgemate pingete ja standardimise suunas
Sõiduulatuse ja laadimise tõhususe parandamiseks on selge suundumus akupakettide suuremate kogupingete poole:
400 V arhitektuur: praegu tavastandard, mis hõlmab enamikku reisi- ja tarbesõidukeid.
800 V kõrgepingeplatvorm: rakendatakse masstoodanguna toodetud mudelites, nagu Porsche Taycan ja Hyundai IONIQ 5, võimaldades kuni 350 kW laadimisvõimsust, millest piisab 300 km sõiduulatuse suurendamiseks vaid 10 minutiga.
Ülikõrgete pingete uurimine: mõned ettevõtted uurivad süsteeme, mille pinge ületab 1200 V, kuigi selleks on vaja ületada olulised kitsaskohad materjaliteaduses ja ohutuses.
Samal ajal töötab tööstus kõrgepingesüsteemide standardimise suunas, et vähendada uurimis-, arendus- ja tootmiskulusid. Näiteks Hiina autoinseneride ühingu välja antud akuga elektriliste reisisõidukite tehnilistes kirjeldustes on sätestatud, et pärast 2025. aastat turule toodud uute sõidukimudelite kõrgepingesüsteemid peavad ühilduma 800 V arhitektuuriga.
Kokkuvõte
Veoaku kogupinge määrab üksikute elementide pinge ja järjestikku ühendatud elementide arv; praktilistes rakendustes tuleb saavutada tasakaal jõudluse, kulude ja ohutuse vahel. Tehnoloogia arenedes on nihe kõrgemate pingete poole muutunud selgeks trendiks; konkreetsed pingetasemed tuleb siiski kindlaks määrata tervikliku disainiga, võttes arvesse sõiduki turupositsiooni, kavandatud kasutusstsenaariume ja tarneahela võimalusi.
