Тепловий контроль бортових зарядних пристроїв в електронних транспортних засобах

Електричні транспортні засоби готуються до фази швидкого зростання із комбінованим ефектом більшої дальності дії, нижчої вартості акумулятора та швидшої зарядки. Зокрема, продажі електромобілів, що підключаються (PEV), зросли втричі з 2013 року і продовжують зростати понад 40% на рік. Очікується, що за таких темпів зростання 8 з 10 нових автомобілів, проданих у всьому світі в 2030 році, будуть PEV. У деяких країнах, таких як Норвегія, майже третина нових автомобілів, що продаються в даний час, є електричними.

Із швидким прийняттям ПЕВ виникають деякі унікальні теплові проблеми. PEV має різні типи теплових навантажень, ніж транспортні засоби внутрішнього згоряння, особливо в батареях та бортовій електроніці для перетворення та управління енергією, що включає в себе зарядний пристрій, перетворювач постійного та постійного струму та інвертор. У той час як управління тепловим режимом батареї займається відведенням тепла, силова електроніка вимагає відводу тепла від щільно упакованих, концентрованих теплових навантажень. Оскільки управління тепловою енергією батареї є важливою темою саме по собі і вже було розглянуто в декількох публікаціях [1], основна увага в цій статті зосереджена на тепловому управлінні компонентами силової електронки.

Однією з ключових проблем у PEV є час, необхідний для зарядки акумуляторів, та наявність розеток. Заряджання ПЕВ класифікується за рівнями 1, 2 та 3 Товариством автомобільних інженерів.

Рівень 1 - повільна зарядка при 120/240 В змінного струму та 15 ампер за допомогою стандартних доступних побутових розеток до 3,3 кВт. Перетворення потужності змінного та постійного струму виконується на борту.
Рівень 2 - зарядка середньої швидкості з використанням 240 В змінного струму та 60 ампер до 14,4 кіловата від розеток, спеціально створених для заряджання PEV. Перетворення потужності змінного та постійного струму виконується на борту.
Рівень 3 - Швидка зарядка, що використовується спеціально для заряджання PEV потужністю понад 14,4 кіловат. У цьому випадку перетворення змінного та постійного струму, як правило, здійснюється поза платою.

Вбудовані зарядні пристрої, що використовуються в основному для перетворення змінного та постійного струму, містять кілька типів силових електронних пристроїв, таких як MOSFET, діоди та магніти. Перевага наявності бортового зарядного пристрою (порівняно із позашляховим) полягає в тому, що автомобіль можна заряджати від розеток змінного струму. Однак це також вимагає від автомобіля додаткової ваги силової електроніки та радіаторів. Нові конструкції інтегрували в зарядний пристрій кілька функціональних можливостей, включаючи двонаправлене перетворення потужності [4], а також перетворення постійного та постійного струму. Це робить загальну конструкцію більш компактною. Малюнок 1 ілюструє різні функції, які можна включити до вбудованого зарядного пристрою разом із різними рівнями зарядки [3].

Електроніка зарядного пристрою повинна бути упакована в корпус, який повинен бути герметичним, щоб запобігти забрудненню навколишнього середовища. Це вимагає, щоб теплові навантаження були термічно пов’язані зі стінами корпусу, щоб ефективно відводити тепло. Отже, стінка корпусу повинна функціонувати як тепловідвід для того, щоб відводити тепло на зовнішнє повітря (або рідину). Щоб забезпечити теплове навантаження тепловим навантаженням на стінку корпусу, слід вибрати відповідний тепловий інтерфейсний матеріал, який забезпечує не тільки хорошу теплопровідність, але й необхідну електричну ізоляцію між пристроєм та корпусом. Температура зовнішнього навколишнього повітря може досягати 50 ° C (найгірший сценарій).

При зарядці рівня 1 необхідний R-sa (тепловий опір від поглинання до навколишнього середовища) для радіатора повинен бути менше 0,24 oC/Вт для зарядного пристрою на 3,3 кВт на основі вищезазначених теплових параметрів. На малюнку 2 показана мережа теплового опору для декількох силових пристроїв, встановлених на загальному радіаторі, який був використаний для розрахунку необхідного значення R-sa.

У цьому відносно низькому енергоспоживанні теплове навантаження можна легко зняти за допомогою примусової конвекції повітря із зовнішньої сторони стінок корпусу за допомогою вентилятора. Враховуючи, що навантажувальне навантаження виникає, коли транспортний засіб нерухомий, додаткових переваг потоку повітря через рух автомобіля не існує. Оскільки немає необхідності використовувати системи рідинного охолодження автомобіля на рівні 1, системний інтегратор має більшу гнучкість щодо розміщення зарядного пристрою всередині автомобіля. Вагу зарядного пристрою можна значно зменшити, додавши теплові труби до основи радіатора для розподілу тепла від концентрованих теплових навантажень. Заощадження ваги (та простору) може бути подвійним бонусом з точки зору збільшеного діапазону автомобіля та меншої вимоги до простору. Теплові труби також можуть бути використані для розширення можливості повітряного охолодження до вищих щільностей потужності. На малюнку 3 наведено приклад тепловідводу в зборі для застосування в силовій електроніці.

Він включає безліч теплових труб, вбудованих в алюмінієву основу для кращого розподілу тепла від концентрованих теплових навантажень. Теплові труби також використовуються для транспортування тепла в алюмінієві ребра для кращої ефективності ребра.

Система складається з центральної холодильної системи, яка охолоджується радіатором і забезпечує охолоджену рідину для декількох підсистем, таких як HVAC, акумулятори, зарядні пристрої та інші електронні компоненти. Ці підсистеми мають власні теплообмінники, насоси та регулятори, що забезпечують необхідну охолоджувальну здатність для відповідних теплових навантажень. На рівні компонентів необхідна відповідна рідинна холодна плита (LCP) для охолодження теплових навантажень у зарядному пристрої. На рисунку 5 показані деякі загальнодоступні варіанти конструкції LCP, які можна використовувати для вилучення теплових навантажень компонентів.

Хоча типи труб і каналів можна використовувати для меншої щільності потужності, розширений тип ребра є більш придатним для більш високої щільності потужності. Остаточний вибір типу LCP залежить від ряду факторів, і конструкція LCP, як правило, повинна бути налаштована з урахуванням плану теплових навантажень, щільності потужності, обмежень перепаду тиску та сумісності матеріалів з рештою системи охолодження. Його також потрібно механічно інтегрувати в корпус зарядного пристрою (див. Малюнок 6), щоб забезпечити герметичність електронних компонентів.

Якщо поточні тенденції збережуться, очікується, що вимога швидкої зарядки (рівень 3) буде продовжувати прискорюватися. При дуже високих рівнях потужності, ймовірно, перетворення потужності змінного та постійного струму буде здійснюватися поза бортом, щоб уникнути додаткового простору та ваги, необхідних у транспортному засобі. Наприклад, Tesla Supercharger може забезпечити 120 кВт постійного струму від зарядної станції і зарядити Model S до 50% за 30 хвилин. Однак поки ці станції постійного струму з наддувом не стануть такими ж повсюдними, як і заправні станції, цілком ймовірно, що PEV продовжуватимуть мати бортовий зарядний пристрій, щоб забезпечити гнучкість заряджання від більш доступних розеток змінного струму [2]. Майбутнє управління тепловою енергією бортових зарядних пристроїв, швидше за все, буде розвиватися з використанням високоякісних LCP, інтегрованих у корпус зарядного пристрою разом з інтелектуальними інтерфейсами з системою рідинного охолодження автомобіля. Крім того, теплотехніку доведеться брати участь дуже рано в циклі проектування автомобіля, щоб мати змогу ефективно розсіювати всі теплові навантаження, включаючи зарядний пристрій, інвертор та акумулятори.

ПОДЯКИ

Автор висловлює подяку своїм колегам Енді Грюнесу, Бреду Уітні та Сачіну Канеткару за те, що вони надали цінні матеріали та ілюстрації до цієї статті.

ЛІТЕРАТУРА

[1] “Комплексна модель системи теплового управління для гібридних електромобілів”, Парк Сунцзінь, докторська дисертація, Департамент машинобудування, Мічиганський університет, 2011 р.

[2] “Швидкі зарядні електромобілі за допомогою змінного струму”, магістерська робота, Йоахім Йохансен, кафедра електротехніки, Технічний університет Данії, 2013 р.

[3] «Інтегрований багатофункціональний двонаправлений перетворювач змінного/постійного струму та постійного струму/постійного струму для застосування в електромобілях», Liwen Pan, Chenging Zhang, Energies 2016, 9, 493.

[4] "Дизайн двонаправленого бортового зарядного пристрою для акумуляторів у гібридних електромобілях", магістерська робота, Мехді Ерфані, Департамент енергетики та навколишнього середовища, Технологічний університет Чалмерса, Швеція, 2011 р.