Pochopení tepelné problematiky v aplikacích nabíjení elektromobilů

Přestože koncept elektromobilů (EV) existuje stejně dlouho jako benzinová vozidla, širokého přijetí se dočkal teprve v posledních letech. Tento nárůst popularity lze přičíst významnému pokroku v oblasti technologie elektromobilů (EV) ve spojení se značnou státní podporou. Jasným důkazem tohoto očekávaného nárůstu poptávky je například rozhodnutí Evropské unie zakázat do roku 2035 vozidla s vnitřními spalovacími motory a nařídit zavedení rychlonabíjecích stanic pro elektromobily každých 60 kilometrů do roku 2025.

Vzhledem k tomu, že se elektromobily stávají dominantním způsobem dopravy, faktory, jako je dojezd na baterie a rychlejší nabíjení, budou hrát v globální ekonomice klíčovou roli. Vylepšení infrastruktury nabíjení elektromobilů si vyžádá pokrok v různých oblastech, přičemž regulace tepla vystupuje jako klíčová oblast vyžadující technologický vývoj.

Střídavé a stejnosměrné nabíječky elektromobilů - jaký je rozdíl?

S rostoucí poptávkou po rychlejších řešeních nabíjení došlo v této koncepci k postupným i transformačním posunům. Jednou z výrazných změn je rostoucí zavádění stejnosměrných nabíječek - tento pojem se může zpočátku zdát nejednoznačný vzhledem k tomu, že všechny bateriové systémy ze své podstaty pracují na stejnosměrné napětí. Zásadní rozdíl však spočívá v tom, kde v těchto systémech dochází k převodu ze střídavého na stejnosměrné napětí.

Konvenční střídavá nabíječka, která se obvykle používá v obytných budovách, slouží především jako sofistikované rozhraní odpovědné za komunikaci, filtraci a regulaci toku střídavého elektrického výkonu do vozidla. Palubní DC nabíječka ve vozidle tento výkon následně usměrní a nabije baterie. Naproti tomu stejnosměrná nabíječka přenáší elektrickou energii jako vysokonapěťový stejnosměrný zdroj a usměrňuje ji před přívodem do vozidla.

Hlavní výhoda stejnosměrných nabíječek spočívá v jejich schopnosti eliminovat mnohá omezení daná hmotností a velikostí přemístěním komponent na úpravu energie z elektromobilu do vnějšího systému.

Obrázek 1: stejnosměrné nabíječky provádějí výrazně rychlejší nabíjení, i když za cenu zvýšené složitosti a tvorby tepla. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Díky odstranění hmotnostních a rozměrových omezení lze stejnosměrné nabíječky bezproblémově osadit dalšími komponentami, které zvyšují jejich proudovou propustnost i provozní napětí. Tyto nabíječky využívají společně s filtry a výkonovými odpory nejmodernější polovodičové součásti na usměrnění energie, z nichž všechny během provozu vytvářejí značné teplo. Přestože filtry a rezistory přispívají k odvodu tepla, dominantním zdrojem tepla v systému nabíjení elektromobilů je bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT), polovodičové součástka, které se v posledních desetiletích stále více prosazuje. Tato robustní součást otevřela cestu četným možnostem oblasti nabíjení, přesto zůstává významným problémem zajištění jejího dostatečného chlazení.

Řešení tepelných problémů

Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem, neboli IGBT, v podstatě slouží jako hybridní prvek mezi tranzistorem s efektem pole (FET) a tranzistorem s bipolárním přechodem (BJT). Tranzistory IGBT jsou známé svou schopností odolávat vysokým napětím, minimálním odporem v zapnutém stavu, rychlými spínacími rychlostmi a pozoruhodnou tepelnou odolností, a proto nacházejí optimální využití v aplikacích s vysokým výkonem, jako jsou nabíječky elektromobilů.

Časté spínací operace v nabíjecích obvodech elektromobilů, kde tranzistory IGBT slouží jako usměrňovače nebo střídače, vedou ke generování značného tepla. V současnosti se hlavní tepelná problematika týká podstatného nárůstu rozptylu tepla spojeného s tranzistory IGBT. Za poslední tři desetiletí se rozptyl tepla zvýšil více než desetinásobně, tj. z 1,2 kW na 12,5 kW, přičemž předpovědi naznačují další nárůst. Níž uvedený obrázek 2 níže znázorňuje tento trend z hlediska výkonu na jednotku plochy.

Abychom to uvedli do perspektivy, současné jednotky CPU dosahují úrovně výkonu kolem 0,18 kW, což odpovídá skromné výkonové hustotě 7 kW/cm². Tento ohromující rozdíl podtrhuje obrovské překážky regulace tepla, kterým čelí tranzistory IGBT v aplikacích s vysokým výkonem.

Obrázek 2: výkonová hustota tranzistorů IGBT zaznamenala významný pokrok. (Zdroj obrázku:Same Sky)

Významnou roli ve zdokonalování chlazení tranzistorů IGBT hrají dva přispívající faktory. Za prvé, plocha tranzistoru IGBT je přibližně dvakrát větší než plocha jednotky CPU. Za druhé, tranzistory IGBT snesou vyšší provozní teploty dosahující až +170 °C, zatímco moderní jednotky CPU obvykle pracují pouze při teplotě +105 °C.

Nejúčinnější metodou zvládnutí regulace tepla je použití kombinace chladičů a nuceného vzduchového chlazení. Polovodičové součástky, jako jsou bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT), obecně vykazují extrémně nízký vnitřní tepelný odpor, zatímco tepelný odpor mezi součástkou a okolním vzduchem je poměrně vysoký. Začlenění chladiče podstatně zvětšuje dostupnou povrchovou plochu pro odvod tepla do okolního vzduchu, čímž se snižuje tepelný odpor. Navíc směrování proudění vzduchu přes chladič dále zvyšuje jeho účinnost. Vzhledem k tomu, že rozhraní součástka-vzduch představuje nejvýznamnější tepelný odpor v systému, je zásadní jeho minimalizace. Výhoda tohoto přímočarého přístupu spočívá ve spolehlivosti pasivních chladičů a v osvědčené technologii ventilátorů.

Společnost Same Sky nabízí chladiče navržené na míru speciálně pro aplikace nabíjení elektromobilů o rozměrech až 950x350x75 mm. Tyto chladiče jsou schopny zvládat pasivně méně náročné požadavky nebo aktivně náročnější scénáře s nuceným prouděním vzduchu.

Obrázek 3: využití chladičů a ventilátorů představuje pro tranzistory IGBT vysoce účinné řešení regulace tepla. (Zdroj obrázku:Same Sky)

Kromě metod vzduchového chlazení existuje také kapalinové chlazení, které představuje alternativu pro odvod tepla z výkonových součástí, jako jsou tranzistory IGBT. Systémy vodního chlazení jsou atraktivní díky své schopnosti dosahovat nejnižších tepelných odporů. V porovnání s řešeními vzduchového chlazení však přinášejí vyšší náklady a složitost. Za zmínku také stojí, že i v sestavách vodního chlazení jsou chladiče a ventilátory stále nezbytnými součástmi pro efektivní odvod tepla ze systému.

S ohledem na související náklady a složitost však upřednostňovaným přístupem zůstává přímé chlazení tranzistorů IGBT pomocí chladičů a ventilátorů. Pokračující výzkum se zaměřuje na zdokonalení technologií vzduchového chlazení speciálně přizpůsobených pro aplikace s tranzistory IGBT. Tento aktivní výzkum má za cíl optimalizovat odvod tepla a zároveň minimalizovat náklady a složitosti systému související s metodami kapalinového chlazení.

Kritéria návrhu tepelného systému

Účinnost jakéhokoli chladicího systému do značné míry závisí na strategickém rozmístění komponent, aby bylo dosaženo optimálního proudění vzduchu a zlepšení distribuce tepla. Nedostatečná vzdálenost mezi součástmi může bránit proudění vzduchu a omezovat velikost použitelných chladičů. Proto je zásadně důležité strategické umístění kritických součástí generujících teplo v celém systému, aby se usnadnilo účinné chlazení.

Kromě umístění součástí je stejně důležité umístění tepelných senzorů. Ve velkých systémech, jako jsou stejnosměrné nabíječky elektromobilů, hraje v aktivní regulaci tepla zásadní roli monitorování teploty v reálném čase pomocí řídicích systémů. Automatická nastavení chladicích mechanismů na základě teplotních hodnot mohou optimalizovat výkon systému a zabránit přehřátí regulací proudového výstupu nebo úpravou otáček ventilátoru. Přesnost těchto automatických nastavení však závisí na kvalitě a přesnosti teplotních senzorů. Nevhodná umístění senzorů mohou vést k nepřesným odečtům teploty, což má za následek neúčinné reakce systému. Proto je třeba věnovat pečlivou pozornost umístění tepelných senzorů, aby byla zajištěna přesnost a spolehlivost monitorování a regulace teploty.

Faktory prostředí

Nabíjecí stanice pro elektromobily jsou často instalovány ve venkovním prostředí za různých povětrnostních podmínek. Pro udržení optimálního tepelného výkonu je proto nezbytné, aby byly kryty navrženy jako odolné proti povětrnostním vlivům se správnou ventilací a ochranou proti stavům, jako jsou déšť a extrémní teploty. Je důležité zajistit, aby cesty proudění vzduchu a ventilační systémy byly navrženy tak, aby zabraňovaly vnikání vody a zároveň zachovávaly neomezené proudění vzduchu.

Z vnějších faktorů představuje významný problém ohřev přímým slunečním zářením, který vede ke značnému zvýšení vnitřní teploty v prostředí skříně nabíječky. Ačkoli se jedná o oprávněnou obavu, nejúčinnější řešení je relativně přímočaré. Implementace dobře navržených stínících konstrukcí s dostatečným prouděním vzduchu mezi stíněním a nabíjecí jednotkou účinně zmírňuje sluneční ohřev, čímž udržuje nižší teploty uvnitř skříně nabíječky.

Obrázek 4: stínění nabíječek před přímým slunečním zářením představuje nákladově efektivní a účinnou strategii regulace tepla. (Zdroj obrázku:Same Sky)

Co bude dál?

V posledních letech došlo k pozoruhodnému nárůstu celosvětového rozšíření elektromobilů, přičemž poptávka vykazuje trvalý a významný růst v různých technologických oblastech. S rostoucím počtem elektromobilů na silnicích se očekává i rozšiřování nabíjecí infrastruktury. Efektivní provoz a účinnost nabíjecích stanic mají pro rozvoj této rychle se rozvíjející nabíjecí infrastruktury zásadní význam. Rozhodujícím faktorem je také nákladová efektivita, protože rychlost, s jakou fyzické osoby a podniky integrují tyto nabíječky do svých domácností a provozoven, závisí na cenové dostupnosti.

S ohledem na neustálý růst počtu elektromobilů a nabíječek je třeba vzít v úvahu vývoj základních technologií. To zahrnuje zohlednění možného pokroku v nabíjecím výkonu a kapacitě, vývoj softwarových a hardwarových standardů a prostor pro nepředvídané inovace. Tento proaktivní přístup zajišťuje, že systémy regulace tepla se mohou časem přizpůsobovat vyvíjejícím se požadavkům.

Nabíječky elektromobilů mají ve své podstatě podobné problémy s řízením teploty jako jiná hustě osazená elektronická zařízení s vysokým výkonem. Výkonová hustota bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem (IGBT) používaných v nabíječkách pro elektromobily ve spojení s rostoucími požadavky, které jsou na ně kladené, však představuje jedinečnou výzvu. Vzhledem k tomu, že rychlost nabíjení a kapacita baterií stále rostou, nutnost efektivního a bezpečného vývoje nabíječek je stále naléhavější a vyžaduje od konstruktérů a inženýrů v oboru regulace tepla více než kdykoli dříve.

Společnost Same Sky nabízí kompletní řadu součástí regulace tepla společně se špičkovými službami tepelné konstrukce podporujícími vyvíjející se potřeby ekosystému nabíjení elektromobilů.