Сорок восемь вольт
История автотранспорта, выходящего сегодня на новый виток развития, полна любопытных эпизодов. Так, свинцово-кислотные батареи для запуска двигателя внутреннего сгорания впервые стала применять компания Cadillac в 1912 году. До этого батареи служили в электромобилях в качестве тягового источника энергии, а бензиновые авто запускались с помощью заводной рукоятки.
Обращаться с такой рукояткой нужно было аккуратно. В частности, охватывать её рекомендовалось только четырьмя пальцами руки, оставляя большой палец свободным, чтобы можно было быстро освободить захват. Дело в том, что нехитрый механизм зацепления за коленвал порой заклинивал, и когда двигатель заводился, железный стартёр бил автомобилиста по рукам.
В 1910 году инженер Байрон Картер, заводя автомобиль, получил серьёзную травму, от которой умер. В те годы инженеры были на вес золота, но дело не только в этом. Друживший с Картером глава компании Cadillac Генри Лиланд был настолько шокирован и опечален потерей, что твёрдо решил исключить опасность травм при запуске двигателя.
Конструктору новой системы зажигания Cadillac Чарльзу Кеттерингу предложили доработать схему так, чтобы двигатель запускался автоматически. С 1912 года автомобили Cadillac стали оснащаться электрическими стартёрами, затем прогрессивную идею внедрили и другие автопроизводители.
Автомобильные батареи в те годы состояли из трёх свинцово-кислотных элементов, а потому имели номинальное напряжение 6 В. Этот стандарт продержался вплоть до 1952 года, когда автоиндустрия начала переход к привычным для нас 12-вольтным батареям с шестью элементами. В мотоциклах и мотороллерах, для которых важны габариты аккумуляторов, шестивольтные версии продержались дольше.
Что подтолкнуло автопроизводителей удвоить напряжение в бортовой сети? В те годы быстро развивались различные средства автоматизации, включая электроприводные стеклоподъёмники и «дворники», электрообогреватели, автомобильные радиоприёмники. По мере того как росла потребляемая всеми этими устройствами мощность, количество и масса медных проводов также увеличивались. На диаграмме видно, что в 1960-х снизились токи (а с ними - и требования к сечению проводов).
Эффект облегчения бортовой электропроводки, увы, сошёл на нет уже в 1970-е. Автомобильная электроника, добавляя пассажирам безопасности и комфорта, требовала всё большей мощности. На рубеже нового столетия потребляемый бортовой сетью ток дошёл до критической отметки в 150 А.
Почему это важно? Не только потому, что на нужды электроники и вычислительной техники уходит много энергии. Низковольтная электрическая сеть, провода от датчиков и исполнительных механизмов пронизывают весь салон, как кровеносная система - человеческое тело. А кабельные жгуты для автомобилей изготавливаются и связываются вручную. Этот процесс крайне трудно роботизировать, а потому на предприятиях - поставщиках автокомплектующих большие коллективы (как правило, женские) заняты малоинтересным рутинным трудом (см. фото). Увеличить производительность здесь практически невозможно, можно лишь снизить процент брака.
Сегодня автоиндустрия готовится к широкому внедрению самоуправляемых авто, где используются многочисленные датчики и мощные вычислители, повышающие нагрузку на бортовую энергосеть. Также есть планы по внедрению энергоёмкой активной подвески. Кстати, всё сказанное относится и к электромобилям, где низковольтная бортовая сеть отделена от высоковольтной сети, соединяющей тяговые батареи, зарядное устройство, инверторы и двигатели. Нужно ли напоминать, что в электромобилях на счету каждый килограмм собственного веса, поскольку облегчение авто выливается в увеличение пробега без перезарядки?
Тем временем в отчётах аналитиков уже замаячили пределы по объёмам мировой добычи меди, во что может упереться энергопереход в целом и развитие электроприводного транспорта в частности. Автоиндустрия отвечает на вызов вторым повышением напряжения в бортовой сети. На этот раз - четырёхкратным.
Собственно, для специалистов автомобильных компаний необходимость перехода от 12 В к 48 В очевидна уже более двадцати лет. Почему именно сорок восемь? Потому что нужно сделать кардинальный скачок, не преодолевая при этом порога, выше которого электрическое напряжение уже представляет реальную опасность для пассажиров, ремонтного и обслуживающего персонала. Но не всё так просто.
Автоиндустрия в процессе производственной оптимизации выстроила сложную многозвенную сеть поставки комплектующих, которая опирается на экономику массового производства. Налажена унификация стандартов и деталей как внутри автоконцернов, так и между ними. В таких условиях прогрессивные решения тормозятся - тот, кто попытается первым внедрить новый стандарт, столкнётся с высокими производственными издержками. Не удивительно, что реальный массовый переход на 48 вольт начинает «выскочка» Tesla, а автоконцерны «старой закалки» медлят, предпочитая не рисковать. Ведь нужно перепроектировать автомобили, заказать, испытать и сертифицировать к применению тысячи новых комплектующих от сотен поставщиков, пройдя долгим путём проб и ошибок.
Компания Tesla вместо свинцово-кислотных аккумуляторов во всех своих авто применяет ионолитиевые, которые при той же ёмкости имеют на 87% меньшую массу и дольше служат. Разместить в легковом авто свинцово-кислотные батареи на 48 В было бы вообще проблематично. Важно, что при переходе на более высокое напряжение меняется архитектура бортовой информационной сети - она становится структурированной. Предусматриваются два центральных электронных блока управления и множество зональных блоков. Место промышленного интерфейса CAN bus займёт более быстрый проводной Ethernet. Внутри кузова электромобиля будут протянуты силовые линии 48 В и информационные кабели «витая пара». Разномастные жгуты исключаются. Переход начинается с электропикапа Cybertruck.
Компания Tesla на 95% обеспечивает себя электронными управляющими блоками, и ей под силу спроектировать и запрограммировать все их в едином ключе для надёжного взаимодействия.
Читайте другие наши материалы
