Vehiculele electrice sunt pregătite pentru o fază de creștere rapidă, cu efect combinat de autonomie mai mare, costuri mai mici ale bateriei și o rată de încărcare mai rapidă. În special, vânzările de vehicule electrice plug-in (PEV) s-au triplat din 2013 și continuă să crească cu peste 40% pe an. Se așteaptă ca la aceste rate de creștere, 8 din 10 mașini noi vândute la nivel global în 2030 să fie un PEV. În unele țări precum Norvegia, aproape o treime din mașinile noi vândute sunt în prezent electrice.

termic

Odată cu adoptarea rapidă a PEV-urilor, apar niște provocări termice unice. PEV are diferite tipuri de sarcini de căldură decât vehiculele cu ardere internă, în special în baterii și electronice la bord pentru conversia și gestionarea puterii, care includ încărcătorul la bord, convertorul de curent continuu și invertor. În timp ce gestionarea termică a bateriei se ocupă cu eliminarea căldurii în vrac, dispozitivele electronice de putere necesită îndepărtarea căldurii din încărcăturile de căldură concentrate bine ambalate. Deoarece gestionarea termică a bateriei este un subiect important de la sine și a fost deja abordată în mai multe publicații [1], accentul principal al acestui articol este asupra gestionării termice a componentelor electronice de putere.

Una dintre provocările cheie în PEV este timpul necesar pentru încărcarea bateriilor și disponibilitatea prizelor. Încărcarea PEV-urilor este clasificată în nivelurile 1, 2 și 3 de către Societatea inginerilor auto.

  • Nivelul 1 - Încărcare lentă la 120/240V c.a. și 15 amperi folosind prize de uz casnic standard disponibile de până la 3,3kW. Conversia de curent alternativ la c.c. se face la bord.
  • Nivelul 2 - Încărcare medie utilizând 240V c.a. și 60 amperi de până la 14,4 kilowați de la prize de alimentare special concepute pentru încărcarea PEV. Conversia de curent alternativ la c.c. se face la bord.
  • Nivelul 3 - Încărcare rapidă utilizată special pentru încărcarea PEV cu o valoare de peste 14,4 kilowați. În acest caz, conversia de curent alternativ la c.c. se face de obicei off-board.

Încărcătoarele de la bord, utilizate în principal pentru conversia de curent alternativ la c.c., conțin mai multe tipuri de dispozitive electronice de putere precum MOSFET-uri, diode și magnetice. Avantajul de a avea un încărcător la bord (în comparație cu off-board) este că vehiculul poate fi încărcat de la prizele de curent alternativ. Cu toate acestea, este necesar ca vehiculul să poarte și greutatea suplimentară a electronice de putere și a radiatoarelor. Designurile mai noi au integrat mai multe funcționalități în încărcător pentru a include conversia bidirecțională a puterii [4], precum și conversia DC la CC. Acest lucru face ca designul general să fie mai compact. Figura 1 ilustrează funcționalitățile multiple care pot fi incluse în încărcătorul de la bord împreună cu diferitele niveluri de încărcare [3].

Componentele electronice ale încărcătorului trebuie să fie ambalate într-o incintă care trebuie sigilată pentru a preveni contaminarea mediului. Acest lucru necesită ca încărcăturile de căldură să fie conectate termic la pereții incintei pentru a disipa în mod eficient căldura. Prin urmare, peretele incintei trebuie să funcționeze ca un radiator pentru a disipa căldura către aerul exterior (sau lichid). Pentru a vă asigura că încărcăturile de căldură sunt conectate termic la peretele incintei, trebuie selectat un material de interfață termică adecvat, care asigură nu numai o bună conducere termică, ci și izolația electrică necesară între dispozitiv și incintă. Temperatura aerului ambiant exterior poate fi de până la 50C (cel mai rău caz scenariu).

La încărcarea de nivel 1, R-sa (rezistența termică a chiuvetei la mediu) necesară pentru radiator ar trebui să fie mai mică de 0,24 oC/W pentru un încărcător de 3,3kW pe baza parametrilor termici de mai sus. Figura 2 prezintă rețeaua de rezistență termică pentru mai multe dispozitive de alimentare montate pe un radiator comun care a fost utilizat pentru a calcula R-sa necesară.

Pentru acest caz de putere relativ scăzută, sarcina de căldură poate fi ușor îndepărtată prin convecție forțată a aerului din exteriorul pereților incintei cu ajutorul unui ventilator. Având în vedere că sarcina de încărcare are loc atunci când vehiculul este staționar, nu există niciun avantaj suplimentar al fluxului de aer din cauza mișcării vehiculului. Deoarece nu este nevoie să utilizați sistemele de răcire lichidă ale vehiculului la nivelul 1, integratorul de sisteme are o flexibilitate mai mare cu privire la modul de poziționare a încărcătorului în interiorul vehiculului. Greutatea încărcătorului poate fi redusă semnificativ prin adăugarea de conducte de căldură la baza radiatorului pentru a răspândi căldura din sarcinile de căldură concentrate. Economia de greutate (și spațiu) poate fi un bonus dublu în ceea ce privește autonomia mărită a vehiculului și spațiul mai mic. Țevile de căldură pot fi, de asemenea, utilizate pentru a extinde fezabilitatea răcirii cu aer la densități mai mari de putere. Figura 3 prezintă un exemplu de ansamblu de radiator pentru conducte de căldură pentru aplicații de electronică de putere.

Include mai multe conducte de căldură încorporate în baza de aluminiu pentru o mai bună răspândire a căldurii din sarcinile de căldură concentrate. Țevile de căldură sunt, de asemenea, utilizate pentru transportul căldurii în aripioarele din aluminiu pentru o eficiență mai bună a aripioarelor.

Sistemul constă dintr-un sistem central de răcire care este răcit de un radiator și furnizează lichid răcit către mai multe subsisteme - cum ar fi HVAC, baterii, încărcătoare și alte componente electronice. Aceste subsisteme au propriile schimbătoare de căldură, pompe și regulatoare pentru a asigura capacitatea de răcire necesară pentru sarcinile lor de căldură respective. La nivelul componentelor, este necesară o placă de lichid rece (LCP) adecvată pentru a răci încărcăturile de căldură din încărcător. Figura 5 prezintă câteva dintre opțiunile de proiectare LCP disponibile în mod obișnuit, care pot fi utilizate pentru extragerea sarcinilor de căldură ale componentelor.

În timp ce tipurile de tuburi și canale pot fi utilizate pentru densități de putere mai mici, tipul cu aripioare extinse este mai potrivit pentru densități de putere mai mari. Selecția finală a tipului LCP depinde de o varietate de factori, iar designul LCP trebuie de obicei personalizat pentru a aborda structura sarcinilor de căldură, densitatea puterii, constrângerile de cădere de presiune și compatibilitatea materialului cu restul sistemului de răcire. De asemenea, trebuie să fie integrat mecanic în carcasa încărcătorului (a se vedea Figura 6) pentru a se asigura că componentele electronice sunt sigilate.

Dacă tendințele actuale continuă, este de așteptat ca cerința de încărcare rapidă (nivelul 3) să continue să accelereze. La niveluri de putere foarte ridicate, este probabil ca conversia de putere AC-DC să fie efectuată în afara bordului pentru a evita spațiul și greutatea suplimentară necesare în vehicul. De exemplu, Tesla Supercharger poate furniza 120 kW de putere continuă de la stația de încărcare și poate încărca Modelul S până la 50% în 30 de minute. Cu toate acestea, până când aceste stații DC de supraalimentare devin la fel de omniprezente ca benzinăriile, este probabil ca PEV-urile să continue să poarte un încărcător la bord pentru a oferi flexibilitatea de încărcare de la prizele de curent alternativ disponibile mai frecvent [2]. Viitoarea gestionare termică a încărcătoarelor de la bord va evolua probabil pentru a utiliza LCP-uri de ultimă generație integrate în carcasa încărcătorului, împreună cu interfețe inteligente cu sistemul de răcire a lichidului vehiculului. De asemenea, inginerul termic va trebui să se angajeze foarte devreme în ciclul de proiectare a vehiculului pentru a putea disipa în mod eficient toate încărcăturile de căldură, inclusiv încărcătorul, invertorul și bateriile.

MULȚUMIRI

Autorul dorește să mulțumească colegilor săi, Andy Grunes, Brad Whitney și Sachin Kanetkar, pentru că au furnizat informații și ilustrații valoroase pentru acest articol.

REFERINȚE

[1] „Un model cuprinzător de sistem de management termic pentru vehicule electrice hibride”, Sungjin Park, teză de doctorat, Departamentul de inginerie mecanică, Universitatea din Michigan, 2011.

[2] „Vehicule electrice cu încărcare rapidă utilizând curent alternativ”, teză de masterat, Joachim Johansen, Departamentul de inginerie electrică, Universitatea Tehnică din Danemarca, 2013.

[3] „Un convertor bidirecțional multifuncțional integrat AC/DC și DC/DC pentru aplicații pentru vehicule electrice”, Liwen Pan, Chenging Zhang, Energies 2016, 9, 493.

.