Förstå termiska utmaningar i tillämpningar för laddning av elfordon

Även om konceptet med elfordon har funnits lika länge som bensinfordon, är det först på senare år som de har fått ett brett genomslag. Den ökade populariteten kan tillskrivas betydande framsteg inom elfordonsteknik i kombination med omfattande statliga stöd. Europeiska unionens beslut att förbjuda förbränningsfordon senast 2035 och kräva snabbladdningsstationer för elfordon var 60:e kilometer senast 2025 är ett tydligt bevis på denna förväntade kraftiga ökning av efterfrågan.

När elfordon blir det dominerande transportmedlet kommer faktorer som batteriets räckvidd och ännu snabbare laddning att spela en avgörande roll för att upprätthålla den globala ekonomin. Förbättringar av laddningsinfrastrukturen för elbilar kommer att kräva framsteg inom olika områden, där värmehantering sticker ut som ett viktigt område som kräver teknisk utveckling.

Växel- eller likströmsladdare för elfordon - vad är skillnaden?

I takt med att efterfrågan på snabbare laddningslösningar ökar har det skett både stegvisa och omvälvande förändringar i tillvägagångssättet. En anmärkningsvärd förändring är den ökande användningen av likströmsladdare - en term som till en början kan verka tvetydig eftersom alla batterisystem i grunden använder likström. Den avgörande skillnaden ligger dock i var omvandlingen från växel- till likström sker i dessa system.

Den vanliga växelströmsladdaren, som vanligtvis finns i bostadsmiljöer, fungerar i huvudsak som ett sofistikerat gränssnitt som ansvarar för kommunikation, filtrering och reglering av växelströmsflödet till fordonet. Därefter likriktar en inbyggd likströmsladdare i fordonet strömmen och laddar batterierna. En likströmsladdare likriktar däremot strömmen innan den levereras till fordonet och överför den som en likström med hög spänning.

Den främsta fördelen med likströmsladdare är deras förmåga att eliminera många begränsningar relaterade till vikt och storlek genom att flytta komponenterna för strömreglering från elfordonet till en extern struktur.

Figur 1: Likströmsladdare som uppvisar avsevärt snabbare laddning, om än med ökad komplexitet och ökad värmeutveckling. (Bildkälla: Same Sky)

Genom att slippa vikt- och storleksbegränsningar kan likströmsladdare integrera ytterligare komponenter sömlöst, för att förbättra både genomströmningen av ström och driftspänningen. Laddarna använder toppmoderna halvledarenheter för likriktning av strömmen, tillsammans med filter och effektresistorer, som alla genererar en avsevärd värme vid drift. Även om filter och resistorer bidrar till värmeavledningen är IGBT:er (bipolära transistorer med isolerad grind) en halvledaranordning som har fått ökad användning under de senaste årtiondena, den dominerande värmealstraren i ett laddningssystem. Denna robusta komponent har öppnat upp många möjligheter inom laddningsområdet, men att garantera tillräcklig kylning är fortfarande ett betydande bekymmer.

Hantera värmeutmaningar

En bipolär transistor med isolerad grind, eller IGBT, är en hybrid mellan en fälteffekttransistor (FET) och en transistor med bipolär övergång (BJT). IGBT:er är kända för sin förmåga att tåla höga spänningar, minimal på-resistans, snabba switchningshastigheter och anmärkningsvärd termisk tålighet, vilket gör dem optimala i situationer med hög effekt, som t.ex. laddare för elfordon.

I laddningskretsar för elfordon, där IGBT:er används som likriktare eller växelriktare, leder de frekventa switchningarna till en betydande värmeutveckling. För närvarande är den främsta termiska utmaningen kopplad till den kraftigt ökande värmeavledningen i samband med IGBT-transistorer. Under de senaste tre decennierna har värmeavledningen ökat mer än tiofaldigt, från 1,2 kW till 12,5 kW, och prognoserna pekar på ytterligare ökningar. Figur 2 nedan illustrerar denna trend i termer av effekt per ytenhet.

För att sätta detta i perspektiv har dagens processorer en effekt på cirka 0,18 kW, vilket motsvarar blygsamma 7 kW/cm². Den häpnadsväckande skillnaden understryker de enorma hinder som IGBT:er står inför vid värmehantering i tillämpningar med hög effekt.

Figur 2: Effekttätheten hos IGBT-transistorer har förbättrats avsevärt. (Bildkälla: Same Sky)

Två bidragande faktorer är viktiga för att förbättra kylningen av IGBT-transistorer. För det första är IGBT-transistorernas ytarea ungefär dubbelt så stor som processorernas. För det andra klarar IGBT:er högre drifttemperaturer, upp till +170 °C, medan moderna processorer normalt arbetar vid endast +105 °C.

Den effektivaste metoden för att hantera termiska förhållanden är att använda en kombination av kylflänsar och fläktar. Halvledarelement, som t.ex. IGBT:er, har i allmänhet extremt låg intern värmeresistans, medan värmeresistansen mellan elementet och den omgivande luften är jämförelsevis högt. Genom att integrera en kylfläns ökar den tillgängliga värmeavledningsytan till omgivande luft avsevärt, vilket minskar värmeresistansen. Genom att rikta luftflödet över kylflänsen förbättras dess effektivitet ytterligare. Eftersom gränssnittet mellan enhet och luft utgör den största värmeresistansen i systemet är det viktigt att minimera det. Fördelen med detta enkla tillvägagångssätt ligger i tillförlitligheten hos passiva kylflänsar och den väletablerade tekniken med fläktar.

Same Sky har specialanpassat kylflänsar specifikt för laddningstillämpningar för elfordon, med mått på upp till 950 x 350 x 75 mm. Kylflänsarna kan hantera mindre krav passivt, eller mer krävande scenarier aktivt med fläktkylning.

Figur 3: Användning av kylflänsar och fläktar är en mycket effektiv lösning vid termisk hantering av IGBT:er. (Bildkälla: Same Sky)

Förutom luftkylning kan vätskekylning vara ett alternativ för att avleda värme från högeffektskomponenter som IGBT:er. Vattenkylda system är attraktiva tack vare sin förmåga att uppnå de lägsta termiska resistanserna. De är dock förknippade med högre kostnader och ökad komplexitet jämfört med luftkylningslösningar. Det är värt att notera att även i vattenkylda konfigurationer är kylflänsar och fläktar fortfarande viktiga komponenter för en effektiv värmeavledning från systemet.

Med tanke på kostnaderna och komplexiteten är direkt kylning av IGBT:er med kylflänsar och fläktar fortfarande den bästa lösningen. Pågående forskning är inriktad på att förbättra tekniker för luftkylning som är särskilt anpassade för IGBT-tillämpningar. Denna aktiva forskning syftar till att optimera värmeavledningen och samtidigt minimera kostnaderna och systemkomplexiteten i samband med vätskekylning.

Termiska överväganden vid utformning av system

Effektiviteten hos ett kylsystem är i hög grad beroende av komponenternas strategiska placering för att optimera luftflödet och förbättra värmefördelningen. Otillräckliga avstånd mellan komponenter kan hindra luftflödet och begränsa storleken på de kylflänsar som kan användas. Därför är det viktigt att placera viktiga värmealstrande komponenter strategiskt i hela systemet för att underlätta en effektiv kylning.

Förutom komponentplaceringen är placeringen av termiska givare lika viktig. I storskaliga system som likströmsladdare för elfordon spelar temperaturövervakning i realtid som hanteras av styrsystem en avgörande roll i en aktiv värmehantering. Automatiska justeringar av kylmekanismerna baserat på temperaturavläsningar kan optimera systemets prestanda och förhindra överhettning genom att strömutgången eller fläktarnas hastigheter regleras. Noggrannheten i dessa automatiska justeringar är dock beroende av temperaturgivarnas kvalitet och precision. Felaktig placering av givare kan leda till felaktiga temperaturavläsningar, vilket medför ineffektiva gensvar från systemet. Därför måste man noga överväga placeringen av termiska givare för att garantera noggrannhet och tillförlitlighet vid övervakning och reglering av temperaturen.

Miljöfaktorer

Laddningsstationer för elfordon är ofta placerade i utomhusmiljöer, där de utsätts för olika väderförhållanden. Därför är det viktigt att konstruera väderbeständiga kapslingar med ordentlig ventilation och skydd mot väder och vind, t.ex. regn och extrema temperaturer, för att upprätthålla en optimal termisk prestanda. Det är viktigt att se till att vägar för luftflöden och ventilationssystem är konstruerade så att vatteninträngning förhindras, samtidigt som ett obehindrat luftflöde bibehålls.

Bland de externa faktorerna utgör uppvärmning från direkt solljus en betydande utmaning, vilket leder till en avsevärd ökning av den invändiga omgivningstemperaturen i laddarens kapsling. Även om detta är ett logiskt bekymmer, är den effektivaste lösningen relativt enkel. Väl utformade solskydd med tillräckligt luftflöde mellan den solskyddade enheten och laddningsenheten minskar soluppvärmningen på ett effektivt sätt, och håller därmed omgivningstemperaturen i laddarens kapsling på en lägre nivå.

Bild 4: Att skydda laddaren från direkt solljus är en kostnadseffektiv och effektiv strategi för att hantera termiska förhållanden. (Bildkälla: Same Sky)

Vad händer härnäst?

Under de senaste åren har det skett en anmärkningsvärd ökning av användningen av elfordon i hela världen, och efterfrågan har påvisat en konsekvent och betydande tillväxt på olika tekniska fronter. I takt med att antalet elfordon fortsätter att öka på vägarna, förväntas även infrastrukturen för laddning växa i samma takt. Effektiv drift och effektivitet för laddarna är avgörande för utvecklingen av denna växande laddningsinfrastruktur. Kostnadseffektivitet är också en kritisk faktor, eftersom den hastighet med vilken privatpersoner och företag integrerar laddarna i sina hem och anläggningar är beroende av överkomliga priser.

För att kunna förutse den fortsatta tillväxten av elfordon och laddare måste man ta hänsyn till att den underliggande tekniken är under utveckling. Det innebär att man måste beakta potentiella framsteg gällande laddningseffekt och kapacitet, utveckla programvaru- och hårdvarustandarder och skapa utrymme för oförutsedda innovationer. Detta proaktiva tillvägagångssätt garanterar att systemen för värmehantering kan anpassas till förändrade krav över tid.

Alla laddare för elfordon delar i grunden samma problem med värmehantering som andra kompakta elektroniska enheter med hög effekt. Effekttätheten hos de IGBT-transistorer (bipolära transistorer med isolerad grind) som används i laddare för elbilar, i kombination med de ökande kraven på dem, utgör dock en unik utmaning. I takt med att laddningshastigheterna och batterikapaciteten fortsätter att öka blir det allt viktigare att utveckla laddare effektivt och säkert, vilket ställer högre krav än någonsin tidigare på konstruktörer och ingenjörer inom termisk hantering.

Same Sky erbjuder ett omfattande sortiment av komponenter för termisk hantering, i kombination med branschledande tjänster för termisk design, för att stödja de föränderliga behoven i ekosystemet för laddning av elfordon.