Wyzwania termiczne w ładowaniu pojazdów elektrycznych (EV)

Chociaż koncepcja pojazdów elektrycznych (EV) istnieje tak długo jak pojazdów benzynowych, dopiero w ostatnich latach zyskała szeroką akceptację. Ten wzrost popularności można przypisać znacznemu postępowi w technologii pojazdów elektrycznych oraz istotnemu poparciu ze strony rządów. Na przykład decyzja Unii Europejskiej o zakazie pojazdów spalinowych do 2035 r. i wymogu zainstalowania szybkich stacji ładowania pojazdów elektrycznych co 60 kilometrów do 2025 r. jest wyraźnym dowodem tego przewidywanego wzrostu popytu.

Ponieważ pojazdy elektryczne stają się dominującym środkiem transportu, a czynniki takie jak zasięg baterii i jeszcze szybsze ładowanie będą odgrywać kluczową rolę w utrzymaniu globalnej gospodarki. Udoskonalenia infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych będą wymagały postępu w różnych dziedzinach, a odprowadzanie ciepła będzie kluczowym obszarem wymagającym ewolucji technologicznej.

Ładowarki prądu zmiennego i stałego - na czym polega różnica?

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na szybsze rozwiązania do ładowania, nastąpiły zarówno stopniowe, jak i transformacyjne zmiany w podejściu. Jedną z godnych uwagi zmian jest coraz powszechniejsze stosowanie ładowarek prądu stałego - termin, który początkowo może wydawać się niejednoznaczny, biorąc pod uwagę, że wszystkie systemy bateryjne z natury działają na prąd stały. Jednak kluczowa różnica polega na tym, gdzie w tych systemach zachodzi konwersja prądu zmiennego na stały.

Konwencjonalna ładowarka prądu zmiennego, zwykle spotykana w budynkach mieszkalnych, służy przede wszystkim jako zaawansowany interfejs odpowiedzialny za komunikację, filtrowanie i regulację przepływu prądu zmiennego do pojazdu. Następnie wbudowana ładowarka prądu stałego w pojeździe prostuje napięcie i ładuje baterie. W przeciwieństwie do tego, ładowarka prądu stałego wykonuje prostowanie przed dostarczeniem zasilania do pojazdu, przesyłając je w postaci prądu stałego wysokiego napięcia.

Podstawowa zaleta ładowarek prądu stałego polega na wyeliminowaniu wielu ograniczeń związanych z wagą i rozmiarami poprzez przeniesienie komponentów kondycjonowania energii z pojazdu elektrycznego (EV) na konstrukcję zewnętrzną.

Ilustracja 1: Ładowarki prądu stałego wykazują znacznie przyspieszone tempo ładowania, jednak towarzyszy temu większa złożoność i zwiększone wytwarzanie ciepła. (Źródło ilustracji: CUI Devices)

Dzięki wyeliminowaniu ograniczeń w zakresie wagi i rozmiaru, w ładowarkach prądu stałego można bezproblemowo montować dodatkowe komponenty, aby zwiększyć zarówno wydajność prądową, jak i napięcie robocze. Omawiane ładowarki wykorzystują najnowocześniejsze urządzenia półprzewodnikowe do prostowania napięcia, a także filtry i rezystory mocy, a wszystkie te komponenty generują znaczne ilości ciepła podczas pracy. Podczas gdy udział filtrów i rezystorów w wytwarzaniu ciepła jest istotny, głównym emiterem ciepła w układzie ładowania pojazdów elektrycznych (EV) są tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT), czyli urządzenia półprzewodnikowe, które na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci zyskują coraz szersze zastosowanie. Ten wytrzymały komponent otworzył wiele możliwości w dziedzinie ładowania, jednak zapewnienie odpowiedniego chłodzenia pozostaje poważnym problemem.

Rozwiązywanie problemów z wysoką temperaturą

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT) zasadniczo stanowi hybrydę tranzystora polowego (FET) i bipolarnego tranzystora złączowego (BJT). Znane ze swojej wytrzymałości na wysokie napięcia, minimalnej rezystancji w stanie włączenia, szybkiego przełączania i niezwykłej odporności termicznej, tranzystory IGBT znajdują optymalne zastosowanie w scenariuszach wymagających dużej mocy, takich jak ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV).

W obwodach ładowania pojazdów elektrycznych, w których tranzystory IGBT służą jako prostowniki lub przemienniki, częste operacje przełączania prowadzą do generowania znacznych ilości ciepła. Obecnie głównym wyzwaniem termicznym jest znaczne zwiększenie rozpraszania ciepła związanego z tranzystorami IGBT. W ciągu ostatnich trzech dekad stopień rozpraszania ciepła wzrósł ponad dziesięciokrotnie, z 1,2kW do 12,5kW, a prognozy wskazują na dalszy wzrost. Ilustracja 2 poniżej ukazuje ten trend w ujęciu mocy przypadającej na jednostkę powierzchni.

Mówiąc obrazowo, współczesne procesory osiągają poziomy mocy około 0,18kW, co daje rozpraszanie na skromnym poziomie 7kW/cm2. Ta oszałamiająca dysproporcja podkreśla ogromne przeszkody w odprowadzaniu ciepła, z jakimi borykają się tranzystory IGBT w zastosowaniach dużej mocy.

Ilustracja 2: Gęstość mocy tranzystorów IGBT uległa znacznej poprawie. (Źródło ilustracji: CUI Devices)

W poprawie chłodzenia tranzystorów IGBT znaczącą rolę odgrywają dwa czynniki. Po pierwsze, powierzchnia tranzystorów IGBT jest około dwukrotnie większa od powierzchni procesora. Po drugie, tranzystory IGBT wytrzymują wyższe temperatury robocze, dochodzące do +170°C, podczas gdy nowoczesne procesory zwykle działają w temperaturze zaledwie +105°C.

Najskuteczniejsza metoda odprowadzania ciepła polega na zastosowaniu kombinacji radiatorów i wymuszonego przepływu powietrza. Urządzenia półprzewodnikowe, takie jak tranzystory IGBT, zwykle wykazują bardzo niski opór cieplny wewnątrz, podczas gdy opór cieplny między urządzeniem a otaczającym powietrzem jest stosunkowo wysoki. Zastosowanie radiatora znacznie zwiększa powierzchnię rozpraszania ciepła w powietrzu otoczenia, zmniejszając w ten sposób opór cieplny. Ponadto wytworzenie przepływu powietrza nad radiatorem dodatkowo zwiększa jego skuteczność. Biorąc pod uwagę, że granica między urządzeniami a powietrzem odpowiada za najważniejszy opór cieplny w układzie, jego minimalizacja ma kluczowe znaczenie. Zaletą tego prostego podejścia jest niezawodność pasywnych radiatorów i dobrze znana technologia wentylatorów.

Firma CUI Devices oferuje niestandardowe radiatory o wymiarach do 950x350x75mm przeznaczone specjalnie do zastosowań ładowania pojazdów elektrycznych (EV). Omawiane radiatory są w stanie pasywnie obsługiwać mniej surowe wymagania lub aktywnie radzić sobie z bardziej wymagającymi scenariuszami z wymuszonym obiegiem powietrza.

Oprócz metod chłodzenia powietrzem, do rozpraszania ciepła z komponentów dużej mocy, takich jak tranzystory IGBT, można wykorzystać alternatywne chłodzenie cieczą. Systemy chłodzenia wodą są atrakcyjne ze względu na ich zdolność do osiągania najniższych oporów cieplnych. Jednak charakteryzują się wyższymi kosztami i większą złożonością w porównaniu z rozwiązaniami chłodzenia powietrzem. Warto również zauważyć, że nawet w konfiguracjach z chłodzeniem wodnym, radiatory i wentylatory nadal są niezbędnymi komponentami umożliwiającymi skuteczne odprowadzanie ciepła z systemu.

Biorąc pod uwagę związane z tym koszty i złożoność, preferowanym podejściem pozostaje bezpośrednie chłodzenie tranzystorów IGBT za pomocą radiatorów i wentylatorów. Bieżące wysiłki badawcze koncentrują się na udoskonalaniu technologii chłodzenia powietrzem, specjalnie dopasowanych do zastosowań tranzystorów IGBT. Wspomniane aktywne badania mają na celu optymalizację rozpraszania ciepła przy jednoczesnej minimalizacji kosztów i złożoności systemów związanych z metodami chłodzenia cieczą.

Zagadnienia projektowe dotyczące układów termicznych

Skuteczność każdego układu chłodzenia w dużej mierze zależy od strategicznego rozmieszczenia komponentów w celu optymalizacji przepływu powietrza i poprawy dystrybucji ciepła. Niewystarczające odstępy między komponentami mogą utrudniać przepływ powietrza i ograniczać rozmiary możliwych do wykorzystania radiatorów. Dlatego tak ważne jest strategiczne rozmieszczenie krytycznych komponentów generujących ciepło w całym układzie, aby zapewnić wydajne chłodzenie.

Oprócz rozmieszczenia komponentów, równie istotne jest rozmieszczenie czujników termicznych. W dużych systemach, takich jak ładowarki pojazdów elektrycznych (EV) prądu stałego, monitorowanie temperatury w czasie rzeczywistym za pomocą układów sterowania odgrywa kluczową rolę w aktywnym odprowadzaniu ciepła. Automatyczna regulacja mechanizmów chłodzących na podstawie odczytów temperatury pozwala zoptymalizować działanie systemu i zapobiegać przegrzaniu poprzez regulację prądu wyjściowego lub regulację prędkości obrotowej wentylatora. Jednak dokładność tych automatycznych regulacji zależy od jakości i precyzji czujników temperatury. Niewłaściwe rozmieszczenie czujników może prowadzić do niedokładnych odczytów temperatury, skutkując nieefektywną odpowiedzią systemu. Dlatego należy dokładnie rozważyć rozmieszczenie czujników termicznych, aby zapewnić dokładność i niezawodność monitorowania temperatury i sterowania nią.

Czynniki środowiskowe

Stacje ładowania pojazdów elektrycznych (EV) są często instalowane na zewnątrz budynków i podlegają działaniu zróżnicowanych warunków pogodowych. Dlatego utrzymanie optymalnych parametrów termicznych wymaga projektowania obudów odpornych na warunki atmosferyczne z odpowiednią wentylacją i ochroną przed takimi czynnikami, jak deszcz i ekstremalne temperatury. Bardzo ważne jest, aby drogi przepływu powietrza i systemy wentylacji były zaprojektowane w sposób zapobiegający wnikaniu wody przy jednoczesnym utrzymaniu niezakłóconego przepływu powietrza.

Jednym z czynników zewnętrznych stanowiącym duże wyzwanie jest nagrzewanie w wyniku bezpośredniego działania promieni słonecznych, prowadzące do znacznego wzrostu wewnętrznej temperatury otoczenia w obudowie ładowarki. Chociaż stanowi to istotny problem, najbardziej wydajne rozwiązanie jest stosunkowo proste. Wdrożenie dobrze zaprojektowanych konstrukcji cieniujących z wystarczającym przepływem powietrza między osłoną a ładowarką skutecznie ogranicza nagrzewanie od światła słonecznego, utrzymując w ten sposób niższe temperatury otoczenia w obudowie ładowarki.

Ilustracja 4: Osłanianie ładowarek przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych stanowi ekonomiczną i wydajną strategię sterowania warunkami termicznymi. (Źródło ilustracji: CUI Devices)

Co dalej?

W ostatnich latach nastąpił niezwykły wzrost popularności pojazdów elektrycznych (EV) na całym świecie, a popyt na różnych frontach technologicznych wykazuje stały i znaczny wzrost. Wraz z rosnącą liczbą pojazdów elektrycznych na drogach oczekuje się, że infrastruktura ładowania będzie rozwijać się w odpowiednim tempie. Efektywne działanie i sprawność ładowarek mają kluczowe znaczenie dla rozwoju tej rozwijającej się infrastruktury ładowania. Ekonomika jest również krytycznym czynnikiem, ponieważ szybkość, z jaką osoby fizyczne i firmy będą instalować omawiane ładowarki w domach i zakładach, zależy od ich przystępności.

Przewidując ciągły rozwój pojazdów elektrycznych i ładowarek, należy zdawać sobie sprawę z ewolucyjnego charakteru leżących u jego podstaw technologii. Wymaga to rozważenia potencjalnych postępów w zakresie mocy i pojemności ładowania, ewolucji standardów oprogramowania i sprzętu oraz wzięcia pod uwagę nieprzewidzianych innowacji. Takie proaktywne podejście zapewnia, że systemy odprowadzania ciepła mogą dostosowywać się do zmieniających się w czasie wymagań.

Zasadniczo w ładowarkach do pojazdów elektrycznych (EV) napotykamy podobne problemy z odprowadzaniem ciepła, co w innych urządzeniach elektronicznych dużej mocy o wysokiej gęstości. Jednak gęstość mocy tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), stosowanych w ładowarkach pojazdów elektrycznych (EV), w połączeniu z rosnącymi wymaganiami wobec nich stanowi wyjątkowe wyzwanie. Wraz ze wzrostem szybkości ładowania i pojemności baterii, konieczność skutecznego i bezpiecznego opracowywania ładowarek stawia coraz surowsze i bardziej wygórowane wymagania przed projektantami i inżynierami systemów odprowadzania ciepła.

Firma CUI Devices oferuje szeroki asortyment komponentów odprowadzania ciepła, równolegle oferując wiodące w branży usługi projektowania układów odprowadzania ciepła w celu zaspokojenia zmieniających się potrzeb ekosystemu ładowania pojazdów elektrycznych (EV).

Źródło: Zrozumienie wyzwań termicznych w zastosowaniach ładowania pojazdów elektrycznych (EV)

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!