Forståelse af termiske udfordringer i opladningsapplikationer til elbiler

Selvom konceptet med elbiler har eksisteret lige så længe som benzinbiler, er det først i de senere år, at de er blevet bredt accepteret. Denne stigning i popularitet kan tilskrives betydelige fremskridt inden for elbilteknologi kombineret med betydelig statslig opbakning. For eksempel er EU's beslutning om at forbyde forbrændingsbiler i 2035 og kræve hurtige elopladningsstationer for hver 60 kilometer i 2025 et klart bevis på denne forventede stigning i efterspørgslen.

Efterhånden som elbiler bliver det dominerende transportmiddel, vil faktorer som batteriets rækkevidde og endnu hurtigere opladningshastigheder spille en afgørende rolle for at opretholde den globale økonomi. Forbedringer i infrastrukturen til opladning af elbiler vil kræve fremskridt på forskellige områder, hvor termisk styring skiller sig ud som et nøgleområde, der kræver teknologisk udvikling.

AC- og DC-opladere til elbiler - hvad er forskellen?

Efterhånden som efterspørgslen efter hurtigere opladningsløsninger stiger, har der været både trinvise og transformative skift i tilgangen. En bemærkelsesværdig ændring er den stigende anvendelse af jævnstrømsopladere – et udtryk, der i første omgang kan virke tvetydigt, da alle batterisystemer i sagens natur kører på jævnstrøm. Men den afgørende forskel ligger i, hvor konverteringen fra vekselstrøm til jævnstrøm sker i disse systemer.

Den konventionelle vekselstrømsoplader, som man typisk ser i boliger, fungerer primært som en avanceret grænseflade, der er ansvarlig for kommunikation, filtrering og regulering af vekselstrømsflowet til køretøjet. Derefter udligner en indbygget DC-oplader i køretøjet denne strøm og oplader batterierne. I modsætning hertil foretager en DC-oplader en ensretning, før den leverer strøm til køretøjet og overfører den som en højspændings DC-kilde.

Den primære fordel ved DC-opladere er deres evne til at eliminere mange begrænsninger i forhold til vægt og størrelse ved at flytte strømkonditioneringskomponenterne fra elbilen til en ekstern struktur.

Figur 1: DC-opladere udviser markant hurtigere opladningshastigheder, om end med øget kompleksitet og øget varmeudvikling. (Billedkilde: Same Sky)

Ved at fjerne vægt- og størrelsesbegrænsninger kan DC-opladere problemfrit inkorporere yderligere komponenter for at forbedre både deres effektgennemstrømning og driftsspænding. Disse opladere udnytter avancerede halvlederenheder til ensretning af strøm, sammen med filtre og effektmodstande, som alle genererer betydelig varme under drift. Selvom filtre og modstande bidrager til varmeafledning, er den dominerende varmeafgiver i et elbilopladningssystem en IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), en halvlederenhed, der er blevet mere og mere udbredt i de seneste årtier. Denne robuste komponent har åbnet op for mange muligheder inden for opladning, men det er stadig et stort problem at sikre tilstrækkelig køling.

Håndtering af varmeudfordringer

En IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) fungerer i bund og grund som en hybrid mellem en felt-effekt-transistor (FET) og en Bipolar Junction Transistor (BJT). IGBT'er er kendt for deres evne til at modstå høje spændinger, minimale on-modstand, hurtige koblingshastigheder og bemærkelsesværdige termiske modstandsdygtighed, og de finder optimal anvendelse i højeffektscenarier som f.eks. elbilopladere.

I opladningskredsløb til elbiler, hvor IGBT'er fungerer som ensrettere eller invertere, fører deres hyppige skift til en betydelig varmeudvikling. I øjeblikket er den største termiske udfordring den store stigning i varmeafgivelse, der er forbundet med IGBT'er. I løbet af de sidste tre årtier er varmeafgivelsen steget mere end ti gange, fra 1,2 kW til 12,5 kW, og prognoserne tyder på yderligere stigninger. Figur 2 nedenfor illustrerer denne tendens i form af effekt pr. overfladeenhed.

For at sætte det i perspektiv opnår moderne CPU'er effektniveauer på omkring 0,18 kW, hvilket svarer til beskedne 7 kW/cm². Den svimlende forskel understreger de formidable forhindringer for termisk styring, som IGBT'er står over for i applikationer med høj effekt.

Figur 2: IGBT'ernes effekttæthed har oplevet betydelige fremskridt. (Billedkilde: Same Sky)

To faktorer spiller en væsentlig rolle i forbedringen af IGBT'ernes køling. For det første er overfladearealet på IGBT'er cirka dobbelt så stort som på CPU'er. For det andet kan IGBT'er modstå højere driftstemperaturer, op til +170 °C, mens moderne CPU'er typisk kun arbejder ved +105 °C.

Den mest effektive metode til at styre de termiske forhold er at bruge en kombination af køleplader og tvungen luft. Halvlederenheder, såsom IGBT'er, udviser generelt ekstremt lav termisk modstand internt, mens den termiske modstand mellem enheden og den omgivende luft er forholdsvis høj. Ved at inkorporere en køleplade øges det tilgængelige overfladeareal til afledning af varme til den omgivende luft betydeligt, hvorved den termiske modstand reduceres. Derudover øger luftstrømmen over kølepladen dens effektivitet yderligere. Da grænsefladen mellem enhed og luft udgør den største termiske modstand i systemet, er det afgørende at minimere den. Fordelen ved denne enkle tilgang ligger i pålideligheden af passive køleplader og den veletablerede teknologi med blæsere.

Same Sky har skræddersyet køleplader specifikt til opladning af elbiler, med dimensioner på op til 950x350x75 mm. Disse køleplader er i stand til passivt at håndtere mindre krævende krav eller aktivt at håndtere mere krævende scenarier med tvungen luft.

Figur 3: Brug af køleplader og blæsere er en yderst effektiv løsning til termisk styring af IGBT'er. (Billedkilde: Same Sky)

Ud over luftkølingsmetoder tilbyder væskekøling et alternativ til at bortlede varme fra højeffektkomponenter som IGBT'er. Vandkølesystemer er attraktive på grund af deres evne til at opnå de laveste termiske modstande. De er dog forbundet med højere omkostninger og øget kompleksitet sammenlignet med luftkølingsløsninger. Det er også værd at bemærke, at selv i vandkølingsopsætninger er køleplader og blæsere stadig vigtige komponenter til effektiv fjernelse af varme fra systemet.

I betragtning af de dermed forbundne omkostninger og kompleksitet er direkte køling af IGBT'er ved hjælp af køleplader og blæsere stadig den foretrukne metode. Den igangværende forskning fokuserer på at forbedre luftkølingsteknologier, der er specifikt skræddersyet til IGBT-applikationer. Denne aktive forskning sigter mod at optimere varmeafledning og samtidig minimere omkostninger og systemkompleksitet i forbindelse med væskekølingsmetoder.

Overvejelser om design af termiske systemer

Effektiviteten af ethvert kølesystem afhænger i høj grad af den strategiske placering af komponenter for at optimere luftstrømmen og forbedre varmefordelingen. Utilstrækkelig afstand mellem komponenterne kan hindre luftstrømmen og begrænse størrelsen på de køleplader, der kan bruges. Derfor er det afgørende at placere kritiske varmegenererende komponenter strategisk i hele systemet for at fremme effektiv køling.

Ud over komponentplacering er placeringen af termiske sensorer lige så vigtig. I store systemer som DC-opladning af elbiler spiller temperaturovervågning i realtid, muliggjort af kontrolsystemer, en afgørende rolle i aktiv varmestyring. Automatiske justeringer af kølemekanismerne baseret på temperaturmålinger kan optimere systemets ydeevne og forhindre overophedning ved at regulere strømudgangen eller justere blæserhastighederne. Nøjagtigheden af disse automatiske justeringer afhænger dog af temperatursensorernes kvalitet og præcision. Dårlig placering af sensorer kan føre til unøjagtige temperaturmålinger, hvilket resulterer i ineffektive systemresponser. Derfor skal man nøje overveje placeringen af termiske sensorer for at sikre nøjagtigheden og pålideligheden af temperaturovervågning og -kontrol.

Miljømæssige faktorer

Ladestationer til elbiler opstilles ofte i udendørs miljøer, hvor de udsættes for forskellige vejrforhold. Derfor er det afgørende at designe vejrbestandige kabinetter med ordentlig ventilation og beskyttelse mod elementer som regn og ekstreme temperaturer for at opretholde optimal termisk ydeevne. Det er afgørende at sikre, at luftstrømningsveje og udluftningssystemer er konstrueret til at forhindre vandindtrængning og samtidig opretholde uhindret luftstrøm.

Blandt de eksterne faktorer udgør solopvarmning fra direkte sollys en betydelig udfordring, hvilket fører til en betydelig stigning i den interne omgivelsestemperatur i opladerkabinettet. Det er en legitim bekymring, men den mest effektive løsning er relativt ligetil. Implementering af veldesignede afskærmningsstrukturer med tilstrækkelig luftstrøm mellem afskærmningen og opladningsenheden mindsker effektivt solopvarmning og opretholder derved lavere omgivelsestemperaturer i opladerkabinettet.

Figur 4: Afskærmning af opladere fra direkte sollys er en omkostningseffektiv og effektiv strategi til styring af termiske forhold. (Billedkilde: Same Sky)

Hvad bliver det næste?

I de seneste år har der været en bemærkelsesværdig stigning i udbredelsen af elbiler på verdensplan, og efterspørgslen har vist en konstant og betydelig vækst på tværs af forskellige teknologiske fronter. I takt med at antallet af elbiler på vejene fortsætter med at eskalere, forventes udbredelsen af opladningsinfrastruktur at vokse i samme takt. Effektiv drift og effektivitet af opladere er altafgørende for udviklingen af denne spirende opladningsinfrastruktur. Omkostningseffektivitet er også en kritisk faktor, da den hastighed, hvormed enkeltpersoner og virksomheder integrerer disse opladere i deres hjem og virksomheder, er afhængig af prisen.

Når man forudser den fortsatte vækst af elbiler og opladere, må man erkende, at de underliggende teknologier er under udvikling. Det indebærer at overveje potentielle fremskridt inden for opladningseffekt og -kapacitet, udvikling af software- og hardwarestandarder og at give plads til uforudsete innovationer. Denne proaktive tilgang sikrer, at termostyringssystemerne kan tilpasse sig de skiftende krav over tid.

I bund og grund har opladere til elbiler de samme problemer med varmestyring som andre tætte elektroniske enheder med høj effekt. Men effekttætheden af de IGBT'er (Insulated-Gate Bipolar Transistors), der bruges i elbilopladere, kombineret med de stigende krav, der stilles til dem, udgør en unik udfordring. I takt med at opladningshastighederne og batterikapaciteten stiger, bliver kravet om at udvikle effektive og sikre opladere stadig strengere, og det stiller større krav til designere og ingeniører inden for termisk styring end nogensinde før.

Same Sky tilbyder et omfattende udvalg af komponenter til termisk styring, kombineret med branchens førende termiske designtjenester, for at understøtte de skiftende behov i økosystemet for opladning af elbiler.