Înțelegerea provocărilor termice în aplicațiile de încărcare a vehiculelor electrice

Deși conceptul de vehicule electrice (EV) există de la fel de mult timp ca și cel al vehiculelor pe benzină, abia în ultimii ani acestea au fost acceptate pe scară largă. Această creștere a popularității poate fi atribuită progreselor semnificative în tehnologia vehiculelor electrice, precum și sprijinului guvernamental substanțial. De exemplu, decizia Uniunii Europene de a interzice vehiculele cu combustie internă până în 2035 și de a impune stații de încărcare rapidă a vehiculelor electrice la fiecare 60 de kilometri până în 2025 reprezintă o dovadă clară a acestei creșteri anticipate a cererii.

Pe măsură ce vehiculele electrice vor deveni modul de transport dominant, factori precum autonomia bateriei și chiar și vitezele de încărcare mai rapide vor juca un rol esențial în susținerea economiei globale. Îmbunătățirile aduse infrastructurii de încărcare EV vor necesita progrese în diverse domenii, gestionarea termică fiind un domeniu cheie care necesită evoluție tehnologică.

Încărcătoare EV de curent alternativ și de curent continuu – care este diferența?

Pe măsură ce cererea de soluții de încărcare mai rapidă se intensifică, au avut loc schimbări de abordare atât progresive, cât și transformative. O schimbare notabilă este adoptarea din ce în ce mai frecventă a încărcătoarelor c.c. – un termen care poate părea inițial ambiguu, având în vedere că toate sistemele de baterii funcționează în mod inerent pe curent continuu. Cu toate acestea, distincția crucială constă în locul în care are loc conversia de la c.a. la c.c. în cadrul acestor sisteme.

Încărcătorul convențional c.a., întâlnit în mod obișnuit în mediile rezidențiale, servește în primul rând ca o interfață sofisticată responsabilă pentru comunicare, filtrare și reglarea fluxului de curent alternativ către vehicul. Ulterior, un încărcător c.c. încorporat în vehicul redresează această energie și încarcă bateriile. În schimb, un încărcător c.c. efectuează o redresare înainte de a furniza energie electrică vehiculului, transmițând-o ca o sursă c.c. de înaltă tensiune.

Principalul avantaj al încărcătoarelor c.c. constă în capacitatea lor de a elimina multe constrângeri legate de greutate și dimensiuni prin mutarea componentelor de condiționare a energiei din vehiculul electric într-o structură externă.

Figura 1: Încărcătoarele c.c. prezintă viteze de încărcare mult accelerate, dar cu o complexitate sporită și o generare de căldură mai mare. (Sursă imagine: Same Sky)

Prin eliminarea constrângerilor de greutate și dimensiune, încărcătoarele c.c. pot încorpora fără probleme componente suplimentare pentru a îmbunătăți atât debitul de curent, cât și tensiunea de funcționare. Aceste încărcătoare utilizează dispozitive semiconductoare de ultimă generație pentru redresarea energiei, alături de filtre și rezistoare de putere, toate acestea generând căldură substanțială în timpul funcționării. În timp ce contribuțiile filtrelor și rezistoarelor la disiparea căldurii sunt notabile, emițătorul de căldură predominant într-un sistem de încărcare a unui vehicul electric este tranzistorul bipolar cu poartă izolată (IGBT), un dispozitiv semiconductor care a fost adoptat din ce în ce mai des în ultimele decenii. Această componentă robustă a deblocat numeroase posibilități în domeniul încărcării, însă asigurarea unei răciri adecvate a acesteia rămâne o preocupare semnificativă.

Abordarea provocărilor legate de căldură

Un tranzistor bipolar cu poartă izolată sau IGBT este, în esență, un hibrid între un tranzistor cu efect de câmp (FET) și un tranzistor bipolar de putere (BJT). Recunoscute pentru capacitatea lor de a rezista la tensiuni ridicate, de a oferi rezistență minimă la pornire, rate de comutare rapide și rezistență termică remarcabilă, IGBT-urile își găsesc utilitatea optimă în scenarii de mare putere, cum ar fi încărcătoarele de vehicule electrice.

În circuitele de încărcare a vehiculelor electrice, în care IGBT-urile servesc drept redresoare sau invertoare, operațiunile frecvente de comutare ale acestora duc la generarea de căldură semnificativă. În prezent, cea mai mare provocare termică se referă la creșterea substanțială a disipării de căldură asociată cu IGBT-urile. În ultimele trei decenii, disiparea căldurii a crescut de peste zece ori, de la 1,2 kW la 12,5 kW, iar previziunile indică și alte creșteri suplimentare. Figura 2 de mai jos ilustrează această tendință în termeni de putere pe unitatea de suprafață.

Pentru a pune acest lucru în perspectivă, procesoarele contemporane ating niveluri de putere în jur de 0,18 kW, ceea ce corespunde unui nivel modest de 7 kW/cm². Această diferență uluitoare subliniază dificultățile formidabile de gestionare termică cu care se confruntă IGBT-urile în aplicațiile de mare putere.

Figura 2: Densitatea de putere a IGBT-urilor a înregistrat progrese semnificative. (Sursă imagine: Same Sky)

Doi factori asociați joacă un rol semnificativ în îmbunătățirea răcirii IGBT-urilor. În primul rând, suprafața IGBT-urilor este de aproximativ două ori mai mare decât cea a procesoarelor. În al doilea rând, IGBT-urile pot rezista la temperaturi de funcționare mai ridicate, ajungând până la +170 °C, în timp ce procesoarele moderne funcționează de obicei la doar +105 °C.

Cea mai eficientă metodă de gestionare a condițiilor termice implică utilizarea unei combinații de radiatoare și aer forțat. Dispozitivele semiconductoare, cum ar fi IGBT-urile, prezintă, în general, o rezistență termică internă extrem de scăzută, în timp ce rezistența termică dintre dispozitiv și aerul înconjurător este relativ ridicată. Încorporarea unui radiator mărește în mod considerabil suprafața disponibilă pentru disiparea căldurii în aerul ambiant, reducând astfel rezistența termică. În plus, direcționarea fluxului de aer peste radiator îmbunătățește și mai mult eficiența acestuia. Având în vedere că interfața dintre dispozitiv și aer reprezintă cea mai importantă rezistență termică din sistem, minimizarea acesteia este crucială. Avantajul acestei abordări simple constă în fiabilitatea radiatoarelor pasive și în tehnologia bine stabilită a ventilatoarelor.

Same Sky a personalizat radiatoare în mod special pentru aplicațiile de încărcare a vehiculelor electrice, cu dimensiuni de până la 950x350x75 mm. Aceste radiatoare sunt capabile să gestioneze în mod pasiv cerințele mai puțin solicitante sau să gestioneze în mod activ scenarii mai solicitante cu aer forțat.

Figura 3: Utilizarea radiatoarelor și a ventilatoarelor reprezintă o soluție de gestionare termică foarte eficientă pentru IGBT-uri. (Sursă imagine: Same Sky)

Pe lângă metodele de răcire cu aer, răcirea cu lichid oferă o alternativă pentru disiparea căldurii de la componentele de mare putere, cum ar fi IGBT-urile. Sistemele de răcire cu apă sunt atractive datorită capacității lor de a obține cele mai mici rezistențe termice. Cu toate acestea, ele vin cu costuri mai mari și o complexitate sporită în comparație cu soluțiile de răcire cu aer. De asemenea, merită menționat faptul că, chiar și în cazul instalațiilor de răcire cu apă, radiatoarele și ventilatoarele sunt în continuare componente esențiale pentru eliminarea eficientă a căldurii din sistem.

Având în vedere costurile și complexitatea asociate, răcirea directă a IGBT-urilor cu ajutorul radiatoarelor și ventilatoarelor rămâne abordarea preferată. Eforturile de cercetare continue se concentrează pe îmbunătățirea tehnologiilor de răcire cu aer, concepute special pentru aplicațiile IGBT. Aceste cercetări active au ca scop optimizarea disipării căldurii, minimizând în același timp costurile și complexitatea sistemului asociate cu metodele de răcire cu lichid.

Considerente privind proiectarea sistemului termic

Eficacitatea oricărui sistem de răcire se bazează în mare măsură pe amplasarea strategică a componentelor pentru a optimiza fluxul de aer și pentru a îmbunătăți distribuția căldurii. Spațiul insuficient între componente poate împiedica fluxul de aer și poate limita dimensiunea radiatoarelor care pot fi utilizate. Prin urmare, este esențial să poziționați strategic componentele critice generatoare de căldură în întregul sistem pentru a facilita o răcire eficientă.

Pe lângă amplasarea componentelor, poziționarea senzorilor termici este la fel de importantă. În sistemele la scară largă, cum ar fi încărcătoarele c.c. pentru vehicule electrice, monitorizarea în timp real a temperaturii, facilitată de sistemele de control, joacă un rol crucial în gestionarea termică activă. Ajustările automate ale mecanismelor de răcire pe baza citirilor de temperatură pot optimiza performanța sistemului și pot preveni supraîncălzirea prin reglarea curentului de ieșire sau prin ajustarea vitezei ventilatoarelor. Cu toate acestea, acuratețea acestor ajustări automate depinde de calitatea și precizia senzorilor de temperatură. Amplasarea necorespunzătoare a senzorilor poate duce la citiri inexacte ale temperaturii, ceea ce duce la răspunsuri ineficiente ale sistemului. Prin urmare, trebuie să se acorde o atenție deosebită amplasării senzorilor termici pentru a asigura acuratețea și fiabilitatea monitorizării și controlului temperaturii.

Factorii de mediu

Stațiile de încărcare a vehiculelor electrice sunt frecvent instalate în medii exterioare, supuse la diverse condiții meteorologice. Prin urmare, proiectarea de carcase rezistente la intemperii, cu ventilație adecvată și protecție împotriva condițiilor meteo, cum ar fi ploaia și temperaturile extreme, este imperativă pentru a menține o performanță termică optimă. Este esențial să vă asigurați că traseele de aerisire și sistemele de ventilație sunt proiectate astfel încât să prevină pătrunderea apei, menținând în același timp un flux de aer liber.

Printre factorii externi, încălzirea solară din cauza luminii solare directe reprezintă o provocare semnificativă, conducând la o creștere considerabilă a temperaturii ambiante interne a incintei încărcătorului. Deși acest lucru reprezintă o preocupare legitimă, soluția cea mai eficientă este relativ simplă. Implementarea unor structuri de umbrire bine concepute, cu un flux de aer suficient între umbrire și unitatea de încărcare, reduce în mod eficient încălzirea solară, menținând astfel temperaturi ambiante mai scăzute în interiorul incintei încărcătorului.

Figura 4: Protejarea încărcătoarelor de lumina directă a soarelui reprezintă o strategie rentabilă și eficientă pentru gestionarea condițiilor termice. (Sursă imagine: Same Sky)

Ce urmează?

În ultimii ani, s-a înregistrat o creștere remarcabilă în adoptarea la nivel mondial a vehiculelor electrice, cererea înregistrând o creștere constantă și semnificativă pe diferite fronturi tehnologice. Pe măsură ce numărul de vehicule electrice în circulație continuă să crească, se așteaptă ca proliferarea infrastructurii de încărcare să se extindă în același ritm. Funcționarea eficientă și eficiența încărcătoarelor sunt esențiale pentru dezvoltarea acestei infrastructuri de încărcare în plină expansiune. Raportul cost-eficiență este, de asemenea, un factor critic, deoarece viteza cu care persoanele fizice și juridice integrează aceste încărcătoare în casele și unitățile lor depinde de accesibilitatea acestora.

În anticiparea creșterii continue a vehiculelor electrice și a încărcătoarelor, trebuie să recunoaștem natura evolutivă a tehnologiilor care stau la baza acestora. Acest lucru presupune luarea în considerare a progreselor potențiale în ceea ce privește puterea și capacitatea de încărcare, evoluția standardelor software și hardware, precum și posibilitatea de a lăsa loc pentru inovații neprevăzute. Această abordare proactivă asigură faptul că sistemele de gestionare termică se pot adapta în timp la cerințele în evoluție.

În esența lor, încărcătoarele pentru vehicule electrice au aceleași probleme de gestionare termică ca și alte dispozitive electronice dense și de mare putere. Cu toate acestea, densitatea de putere a tranzistoarelor bipolare cu poartă izolată (IGBT) utilizate în încărcătoarele de vehicule electrice, împreună cu cerințele tot mai mari impuse acestora, reprezintă o provocare unică. Pe măsură ce vitezele de încărcare și capacitățile bateriilor continuă să crească, imperativul de a dezvolta încărcătoare într-un mod eficient și sigur devine din ce în ce mai stringent, impunând mai multe cerințe ca niciodată asupra proiectanților și inginerilor de gestionare termică.

Same Sky oferă o gamă cuprinzătoare de componente de gestionare termică, împreună cu servicii de proiectare termică de top în industrie, pentru a susține nevoile în continuă evoluție ale ecosistemului de încărcare a vehiculelor electrice.