جنرال موتورز شارژ خودروهای برقی ارزان‌قیمت را با همانند‌سازی ولتاژ، شدت می‌بخشد_غروب شهر

شورلت اکویناکس برقی یکی از با اهمیت ترین خودروهای تازه در خط تشکیل جنرال موتورز است. قبل از برگشت بولت برقی در سال آینده، این کراس‌اوور ارزان‌ترین خودروی الکتریکی برند آمریکایی و یکی از ارزان‌ترین خودروهای الکتریکی لیتیوم یونی در بازار خواهد می بود. مسئله دلنشین درمورد باتری اکویناکس این است که همزمان نقاط قوت و ضعف پلتفرم اولتیوم جنرال موتورز را مشخص می کند. این نوشته نمایان‌گر اهمیت ولتاژ در شارژ خودروهای برقی است.

ماژول باتری اکویناکس شبیه همه خودروهای برقی تولیدشده مبتنی بر اولتیوم تا بحال است. ولتاژ اسمی آن در نزدیک به ۲۸.۸ ولت است که اهمیت بسیاری دارد. حتی در خودروهای اولتیوم دارای بسته باتری بزرگتر همانند کادیلاک لیریک با ۱۲ ماژول، همه این گروه‌های سلولی به طور سری سیم‌کشی خواهد شد، یعنی ولتاژ خروجی پایانه‌ها به تعداد ماژول‌های حاضر بستگی دارد.   

تاثییر ولتاژ معماری بر قوت و شدت شارژ خودروهای برقی

این بدان معناست که بسته باتری ۸۵ کیلووات ساعتی اکویناکس باید ولتاژ خود را از دست بدهد تا به ظرفیت کمتر ملزوم برای افت قیمت دست اشکار کند. این مدل فقط ۱۰ ماژول دارد که در کف ماشین نصب شده‌اند. به این علت اکویناکس از پک 80S با ولتاژ اسمی ۲۸۸ ولت برخوردار است، بعد واقعاً معماری ۴۰۰ ولتی ندارد؛ بلکه زیاد تر همانند به یک سیستم ۳۰۰ ولتی است.  

در نتیجه اکویناکس همانند بلیزر برقی بزرگتر با باتری ۱۰۲ کیلووات ساعتی یا لیریک به شدت شارژ نمی‌شود. نرخ شارژ اکویناکس حداکثر ۱۵۰ کیلووات در قیاس با ۱۹۰ کیلووات آن دو مدل است. ولتاژ بالاتر به معنی شارژ سریعتر و افتولتاژ به معنی شارژ آهسته‌تر است، مگر این که آمپر، جزء دیگر فرمول توان در کنار ولتاژ، برای جبران افزایش یابد، که در اینجا مقدور نیست.

شارژ خودروهای برقی فقط به ولتاژ و جریان بستگی دارد. وات حاصل‌ضرب این دو رقم است. خودرویی که می‌تواند با توان ۵۰ کیلووات (۵۰۰۰۰ وات) شارژ شود، ترکیبی مناسب از ولتاژ و جریان را برای رسیدن به این رقم پیدا کرده است.  

بازدید جزئی‌تر نحوه شارژ خودروهای برقی

سلول‌های باتری مجزا دارای یک ولتاژ شارژ، اسمی و دشارژ می باشند. این رقم های برای سلول‌های لیتیوم یون نیکل کبالت منگنز (NMC)، نزدیک به ۴.۲ ولت شارژ، ۳.۶ ولت اسمی و ۲.۸ ولت دشارژ می باشند. می‌توان این محدودیت‌های سلولی را مقداری بالاتر یا پایین‌تر برد. یقیناً این کار طبق معمولً عمر سلول را افت می‌دهد. به گفتن مثال، برخی از خودروسازان سلول‌های باتری خود را تا ۴.۲۵ ولت شارژ می‌کنند تا مقدار مقداری برد حرکتی اضافی را به دست بیاورند. دوج شارژر برقی تازه این کار را انجام می‌دهد، اما جنرال موتورز این کار را نمی‌کند.

برای شارژ یک سلول باتری در خودروهای برقی، ولتاژ شارژشده آن با جریان خاصی روی همه پایانه‌ها اعمال می‌شود. اگر بخواهید باتری سریعتر شارژ شود، باید جریان بیشتری اعمال کنید، اما ولتاژ ثابت باقی بماند. سلول‌ها نرخ شارژهایی دارند که مشخص می کند چه مقدار جریان می‌تواند برای چه زمان وقتی به آن‌ها اعمال شود. اگر از این محدودیت‌ها عبور کنید، داخل منطقه خطر می‌شوید. امکان پذیر چرخه عمر باتری افت یابد، احتمالا سلول‌ها در حالت غیرفعال زیاد سریعتر از حد معمول تخلیه شوند و حتی امکان انبساط، تشکیل دود یا آتش‌سوزی وجود دارد. مورد آخر طبق معمول در صورت سوء‌منفعت گیری شدید رخ می‌دهد.

روش جنرال موتورز برای افزایش عمر سلول‌های باتری

ولتاژ بسته باتری با نحوه سیم‌کشی داخلی سلول‌ها تعیین می‌شود.به گفتن مثال شورولت اکویناکس دارای سه گروه موازی متشکل از ۸۰ سلول به طور سری است، که ولتاژ اسمی ۲۸۸ ولت این ماشین (۳.۶ ولت ضربدر ۸۰) را به وجود می‌آورند. اگر بخواهیم آن را به طور کامل شارژ کنیم، ۳۳۶ ولت (۴.۲ ولت ضربدر ۸۰) را روی پایانه‌ها اعمال می‌کنیم. یقیناً جنرال موتورز این کار را انجام نمی‌دهد، بلکه ماشین را با ولتاژ کمتری شارژ می‌کند تا طول عمر سلول‌ها را افزایش دهد.

اگر جریان بیشتری اعمال کنیم، ماشین از نظر تئوری می‌تواند سریع تر شارژ شود، اما باید نرخ شارژ سلول‌ها را در نظر داشته باشیم. جریان زیاد تر به معنی گرمای بیشتری است که باید دفع شود و در برخی اوقات سلول‌ها، سیستم خنک‌کننده بسته یا هردو نمی توانند این گرما را تحمل کنند.    

جنرال موتورز از ولتاژ شارژ بسته باتری اکویناکس و مقدار جریانی که سلول‌ها می‌توانند در طول شارژ مداوم تحمل کنند، خبر دارد. فکر می‌کنیم که جنرال موتورز بسته باتری را با ولتاژ ۳۳۶ ولت شارژ کرده است. اگر جریان را پنج آمپر در نظر بگیریم، باتری‌ با توان ۱۶۸۰ وات شارژ شده است (۳۳۶ ولت ضربدر ۵). اگر جریان را ۴۰۰ آمپر در نظر بگیریم، به توان ۱۳۴۴۰۰ وات (۱۳۴.۴ کیلووات) می‌رسیم. 

چرا شارژ خودروهای برقی نیرومندتر، سریعتر انجام می‌شود؟

سه گروه موازی بسته باتری اکویناکس مقدار جریان قابل جذب را افزایش خواهند داد، اما ولتاژ پایین ماشین اساساً توانی را که بسته می‌تواند دریافت کند محدود می‌کند. احتمالا اکنون فهمید شده باشید که چرا معماری‌های ولتاژ-بالا قابلیت شارژ زیاد سریع‌تری را دارند. اگر ولتاژ را افزایش دهیم، ناظر افزایش شدید گرما تحت شارژ نیستیم و مطابق فرمول با ثابت ماندن جریان، توان زیاد بالاتر می‌رود.

به همین علت است که خودروهایی با بسته‌های ۸۰۰ ولتی طبق معمولً می‌توانند با توانی تا ۳۵۰ کیلووات شارژ شوند. تعداد بسیاری از محصولات هیوندای و کیا، لوسید ایر و تسلا سایبرتراک، با ولتاژ نزدیک به ۸۰۰ ولت کار می‌کنند. واحدهای محرکه هامر برقی با ولتاژ نزدیک به ۳۵۰ ولت کار می‌کند، اما این مدل می‌تواند با سیم‌کشی دو نیمه بسته باتری بزرگ خود به طور سری، با ولتاژ نزدیک به ۸۰۰ ولت شارژ شود.

ولتاژ پایین‌تر لزوما به معنی کارکرد پایین‌تر نیست!

ولتاژ پایین‌تر نیز از نظر تئوری به معنی کارکرد پایین‌تر در سطوح بالا است. اما این قضیه مقداری پیچیده‌تر می‌شود. می‌توان سیم‌پیچ‌های موتور آهنربای دائمی را طوری طراحی کرد که برای یک ولتاژ معین با شدت خاصی بچرخد. این به گفتن نرخ kV موتور شناخته می‌شود. فرمول kV برابر با دور موتور ماشین تقسیم بر ولتاژ ورودی است. یک موتور ۱۰۰ کیلوولت وقتی که یک ولت به آن اعمال شود با شدت ۱۰۰ دور در دقیقه، با ولتاژ ۵ ولت ۵۰۰ دور در دقیقه و … می‌چرخد.

اگر فکر می‌کنید قرار است ماشین زیاد تر اوقات با شدت‌های بالا حرکت کند، بهتر است ضریب دنده کمتری داشته باشید تا قبل از همه شدن قوت موتور به شدت بالاتری دست اشکار کنید. یقیناً این کار نیازمند صرف گشتاور است، که فقط با افزایش جریان جبران می‌شود، که خودش یک قضیه جداگانه محسوب می‌شود.  

همین نوشته تبدیل محدود شدن شدت عملیاتی در اکویناکس شده است. واحد محرک جلوی آن نسبت ۱۱.۵۹:۱ در قیاس با لیریک/بلیزر دیفرانسیل عقب با نسبت ۱۱.۶۳:۱ دارد که تقریبا یکسان است. اگر نرخ KV موتور شبیه باشد، کارکرد در سطوح بالا دچار مشکل خواهد شد.  

در عمل، این فقط یک فرضیه نیست. در رانندگی با شدت بالای ۷۵ مایل در ساعت با اکویناکس دیفرانسیل جلو، افت انرژی به وضوح حس می‌شود. این اتفاق ترکیبی از همه این عوامل است.

برتری خودروهای برقی گران‌تر در کارکرد روزانه

از طرفی، واحدهای محرک جلو و عقب کادیلاک لیریک همه چرخ محرک به ترتیب دارای نسبت ۹.۸۷:۱ و ۱۰.۴۹:۱ می باشند. بسته باتری لیریک دارای ولتاژ بالاتر و دو واحد محرکه است، به این علت قابلیت کنترل جریان پیشرانه افزایش می‌یابد. این به معنی گشتاور زیاد تر، شدت بالقوه بالاتر و قوت زیاد تر است.  

همه این‌ها به یک معمای دلنشین منجر می‌شود. جنرال موتورز به گمان زیاد خودروهایی با بسته‌های لیتیوم یون نیکل کبالت منگنز کوچکتر از اکویناکس تشکیل خواهد کرد – ۸۵ کیلووات ساعت به گفتن کوچک‌ترین باتری این خودروساز زیاد بزرگ است – اما اگر ماژول‌های بیشتری حذف شوند، ولتاژ زیاد پایین می‌آید. یک بسته ۵۳ کیلووات ساعتی که از شش ماژول استاندارد اولتیوم منفعت گیری می‌کند، ولتاژ اسمی ۱۷۲.۸ تشکیل می‌کند. این فقط برای یک خودروی شهری قابل قبول است، اگرچه تعداد بسیاری از خودروهای برقی کوچک چینی در این محدوده یا حتی پایین‌تر کار می‌کنند. تنها راه‌حل این مشکل تشکیل یک ماژول تازه یا سیم‌کشی مجدد ماژول حاضر است.

با این حال، مطرح ماژول مهم اولتیوم می‌تواند این مشکل را حل کند. پیکربندی آن 8S 3P برای مجموع ۲۴ سلول است؛ عددی که به خوبی قابل تقسیم است. می‌توان آن را به پیکربندی 12S 2P که ولتاژ بالاتری را در هر ماژول اراعه می‌دهد، سیم‌کشی کرد. یک چارت غیررسمی مشخص می کند که جنرال موتورز چطور امکان انجام این کار را دارد.

با یک ماژول فرضی12S  (تقریباً ۴۳.۲ ولت اسمی)، ولتاژ یک بسته ۵۳ کیلووات ساعتی با پیکربندی تازه 72S برابر با ۱۷۲.۸ ولت نیست، بلکه معادل ۲۵۹.۲ ولت است که در محدوده معماری‌های حاضر قرار می‌گیرد.

جنرال‌موتورز تا این مدت جزئیاتی از ماژول تازه خود انتشار نمی‌کند

یقیناً نمایندگان جنرال موتورز این چارت را «منسوخ» خطاب می‌کنند. شرکت‌های خودروسازی این چنین به گمانه‌زنی در رابطه محصولات آتی که به طور رسمی معارفه نکرده‌اند، تمایلی ندارند. به این علت جنرال موتورز می‌گوید که حداقل اکنون، «هیچ ماژول کوچکتر یا بزرگتری اراعه نخواهد کرد.»

کسب اطلاعات زیاد تر در این عرصه به گمان زیادً دشوار خواهد می بود، چون اظهار وجود یک ماژول ولتاژ بالاتر اولتیوم مشخص می کند که خودروهای برقی کوچکتری در حال گسترش می باشند، که ما به جز بولت از آن‌ها خبری نداریم.

به این علت اکویناکس برقی چیزهای بسیاری در رابطه استراتژی الکتریکی جنرال موتورز و نحوه برنامه‌ریزی آن برای اراعه خودروها در اندازه‌ها و کلاس‌های گوناگون به ما می‌گوید. این خودروساز تصمیم گرفته ابتدا خودروهای برقی بزرگتر خود و ماژول‌های منفعت گیری‌شده در آن‌ها را تجاری‌سازی کند.

اکویناکس کوچکترین خودروی برقی است که از این ماژول‌های ولتاژ پایین‌تر منفعت گیری می‌کند، به این علت اولین خودروی برقی کوچک اولتیوم این شرکت می بود که اراعه می‌شود. کوچکتر کردن ماشین به معنی تحول ماژول از طریق سیم‌کشی مجدد است.

در رابطه بولت برقی، این به معنی تحول مواد شیمیایی به لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) برای صرفه‌جویی زیاد تر در هزینه است. این که جنرال موتورز چطور تصمیم انجام این کار را دارد، تا این مدت اشکار نیست. اما به گمان زیادً برای این کار به یک سلول و ماژول باتری تازه نیاز داشته باشد.

تشکیل زیاد همزمان هر دو مدل کار سختی خواهد می بود، و با دقت به تعیین تاریخ رونمایی از بولت برای سال آینده، بدون شک این شرکت تلاش می‌کند تا فورا برنامه‌های خود در این عرصه را پیش ببرد.