Forstå termiske utfordringer i ladeutrustninger for elbiler

Selv om konseptet med elektriske kjøretøy (EV) har eksistert like lenge som bensinbiler, er det bare de siste årene at de har opplevd utbredt aksept. Denne økningen i popularitet kan tilskrives store fremskritt innen elbilteknologi, kombinert med betydelig statlig støtte. For eksempel er EUs beslutning om å forby forbrenningskjøretøyer innen 2035 og pålegge raske ladestasjoner for elbiler hver 60. kilometer innen 2025, et klart bevis på denne forventede økningen i etterspørsel.

Etter hvert som elbiler fremstår som den dominerende transportmåten, vil faktorer som batterirekkevidde og enda raskere ladehastigheter spille en sentral rolle når det gjelder å opprettholde den globale økonomien. Forbedringer i ladeinfrastrukturen for elbiler vil kreve fremskritt på flere ulike områder, og varmestyring skiller seg ut som et nøkkelområde som krever teknologisk utvikling.

Dette er forskjellene mellom AC- og DC-elbilladere

Etter hvert som etterspørselen etter raskere ladeløsninger har akselerert, har det vært både trinnvise og transformative endringer i tilnærming. En endring som er verdt å merke seg er den økende bruken av DC-ladere – et begrep som i utgangspunktet kan virke tvetydig, siden alle batterisystemer i seg selv drives av likestrøm. Den avgjørende forskjellen er imidlertid hvor omformingen fra vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC) skjer i disse systemene.

Den konvensjonelle DC-laderen, som vanligvis er å finne i boliger, fungerer først og fremst som et sofistikert grensesnitt som er ansvarlig for kommunikasjon, filtrering og regulering av vekselstrømsflyten i kjøretøyet. En integrert DC-lader i kjøretøyet likeretter deretter denne strømmen, og lader batteriene. Til sammenligning utfører en DC-lader likeretting før den leverer strøm til kjøretøyet, og overfører denne som en høyspent DC-kilde.

Hovedfordelen med DC-ladere er evnen til å eliminere mange begrensninger knyttet til vekt og størrelse, noe som gjøres ved å flytte komponentene for mikrokretsvernet fra elbilen til en ekstern struktur.

Figur 1: DC-ladere utviser betydelig akselererte ladehastigheter, men de har økt kompleksitet og varmeproduksjon. (Bildekilde: Same Sky)

Ved å redusere vekt- og størrelsesbegrensninger, kan DC-ladere sømløst innlemme flere komponenter for å forbedre både strømgjennomstrømningen og driftsspenningen. Disse laderne utnytter toppmoderne halvlederenheter for å likerette strøm, kombinert med filtre og effektmotstander, som alle genererer betydelig varme under drift. Selv om bidragene fra filtre og motstander er bemerkelsesverdige for varmespredning, er den dominerende varmekilden i et elbil-ladesystem de bipolare transistorene med isolert gate (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor), som er halvlederenheter som har vært vitne til økt innføring de siste tiårene. Denne robuste komponenten har åpnet opp for mange muligheter når det gjelder lading, men det å sikre tilstrekkelig kjøling er fortsatt en stor utfordring.

Slik kan varmeproblemer takles

En bipolar transistor med isolert gate, eller IGBT, fungerer i hovedsak som en hybrid mellom en felteffekttransistor (FET) og en bipolar sperreskikttransistor (BJT – Bipolar Junction Transistor). IGBT-er er kjent for sin evne til å tåle høye spenninger, minimal på-motstand (motstand i påslått tilstand), raske vekslingshastigheter og bemerkelsesverdig varmebestandighet, og de er optimale i scenarier med høy effekt, for eksempel elbilladere.

I EV-ladekretser, der IGBT-er fungerer som likerettere eller vekselrettere, fører deres hyppige vekslingsoperasjoner til generering av betydelig varme. For tiden er den største termiske utfordringen den betydelige eskaleringen i varmeavledning forbundet med IGBT-er. I løpet av de siste tre tiårene har varmeavledningen mer enn tidoblet, fra 1,2 kW til 12,5 kW, og det estimeres at dette vil øke ytterligere. Figur 2 nedenfor illustrerer denne trenden når det gjelder effekt per enhetsoverflateområde.

For å sette dette i perspektiv, oppnår moderne CPU-er effektnivåer på rundt 0,18 kW, noe som tilsvarer bare 7 kW/cm². Den svimlende forskjellen understreker de formidable varmestyringsutfordringene for IGBT-er i konstruksjoner med høyt strømforbruk.

Figur 2: Effekttettheten til IGBT-er har opplevd betydelig videreutvikling. (Bildekilde: Same Sky)

To medvirkende faktorer spiller en viktig rolle når det gjelder å forbedre kjølingen av IGBT-er. For det første er overflatearealet til IGBT-er omtrent dobbelt så stort som for CPU-er. For det andre tåler IGBT-er høyere driftstemperaturer, og når opptil +170 °C. Moderne CPU-er derimot er vanligvis virksomme ved bare +105 °C.

Den mest effektive metoden å håndtere varmeforhold på innebærer å bruke en kombinasjon av kjøleribber og tvungen luft. Halvlederenheter, for eksempel IGBT-er, utviser vanligvis ekstremt lav varmemotstand internt, mens varmemotstanden mellom enheten og den omgivende luften er forholdsvis høy. Ved å innlemme en kjøleribbe økes det tilgjengelige overflateområdet for å avlede varme til den omgivende luften kraftig, og dermed reduseres varmemotstanden. I tillegg økes yteevnen ved å rette luftstrømmen over kjøleribben. Gitt at enhet-luft-kontaktflaten representerer den mest signifikante termiske motstanden i systemet, er det svært viktig å minimere den. Fordelen forbundet med denne enkle tilnærmingen ligger i påliteligheten til passive kjøleribber og den veletablerte teknologien til vifter.

Same Sky har tilpassede kjøleribber for ladekonstruksjoner for elbiler, med dimensjoner på opptil 950x350x75 mm. Disse kjøleribbene er i stand til å passivt håndtere mindre krevende behov eller aktivt håndtere mer krevende scenarier med tvungen luft.

Figur 3: Bruken av kjøleribber og vifter representerer en svært effektiv varmestyringsløsning for IGBT-er. (Bildekilde: Same Sky)

I tillegg til luftkjølingsmetoder, tilbyr væskekjøling et alternativ for å avlede varme vekk fra komponenter med høyt strømforbruk, slik som IGBT-er. Vannkjølingssystemer er attraktive fordi de er i stand til å oppnå de laveste termiske motstandene. De har imidlertid høyere kostnader og økt kompleksitet sammenlignet med luftkjølingsløsninger. Det er også verdt å merke seg at kjøleribber og vifter, selv i vannkjølingsoppsett, fortsatt er viktige komponenter for effektiv varmeavledning fra systemet.

Tatt i betraktning de tilknyttede kostnadene og kompleksiteten, er direkte kjøling av IGBT-er ved hjelp av kjøleribber og vifter fortsatt den foretrukne tilnærmingen. Den pågående forskningsinnsatsen er fokusert på å forbedre luftkjølingsteknologier som er skreddersydd for IGBT-konstruksjoner. Denne aktive forskningen tar sikte på å optimalisere varmeavledning og samtidig minimere kostnader og systemkompleksitet forbundet med væskekjølingsmetoder.

Konstruksjonsfaktorer for termiske systemer

Effektiviteten til ethvert kjølesystem avhenger i stor grad av den strategiske plasseringen av komponenter for å optimalisere luftstrømmen og forbedre varmefordelingen. Utilstrekkelig avstand mellom komponentene kan hindre luftstrømmen og begrense størrelsen på kjøleribbene som kan brukes. Derfor er det veldig viktig å strategisk posisjonere kritiske varmegenererende komponenter over hele systemet for å legge til rette for effektiv kjøling.

I tillegg til komponentplassering, er plasseringen av termiske sensorer like viktig. I store systemer som DC-elbiladere spiller temperaturovervåking i sanntid som støttes av styringssystemer en avgjørende rolle i aktiv varmestyring. Automatiske justeringer i kjølemekanismer basert på temperaturavlesninger kan optimalisere systemytelsen og forhindre overoppheting ved å regulere strømutgangen eller justere viftehastigheter. Nøyaktigheten til disse automatiske justeringene avhenger imidlertid av kvaliteten og presisjonen til temperatursensorene. Dårlig plassering av sensorer kan føre til unøyaktige temperaturavlesninger, noe som resulterer i ineffektive systemresponser. Derfor må det tas nøye hensyn til plasseringen av termiske sensorer for å sikre at temperaturovervåkingen og -styringen er nøyaktig og pålitelig.

Miljømessige faktorer

Ladestasjoner for elbiler brukes ofte i utendørsmiljøer, men avhenger av værforholdene. Derfor er det viktig å konstruere værbestandige kabinetter med egnet ventilasjon og beskyttelse mot elementene, for eksempel regn og ekstreme temperaturer, for å opprettholde optimal termisk ytelse. Det er viktig å sikre at luftstrømsbaner og ventilasjonssystemer er konstruert slik at de forhindrer vanninntrengning, samtidig som de opprettholder luftstrømmen.

Hvis vi tar eksterne faktorer i betraktning, utgjør soloppvarming fra direkte sollys en betydelig utfordring. Sollys kan føre til stor økning i den interne omgivelsestemperaturen i laderens kabinett. Selv om dette er en legitim problemstilling, er den mest effektive løsningen relativt enkel. Implementering av velutviklede solskjermingsstrukturer med tilstrekkelig luftstrøm mellom skjermingen og ladeenheten reduserer soloppvarming på en effektivt måte, og opprettholder derfor lavere omgivelsestemperaturer i laderens kabinett.

Figur 4: Skjerming av ladere fra direkte sollys presenterer en kostnadseffektiv og effektiv strategi for å håndtere varmeforhold. (Bildekilde: Same Sky)

Slik ser fremtiden ut

De siste årene har det vært en bemerkelsesverdig økning i den verdensomspennende innføringen av elbiler, med etterspørsel som opplever jevn og betydelig vekst på tvers av ulike teknologiske fronter. Etter hvert som det blir flere og flere elbiler på veien, forventes det at spredningen av ladeinfrastrukturer også fortsetter å øke. Den effektive driften og effektiviteten til ladere er avgjørende for utviklingen av denne voksende ladeinfrastrukturen. Kostnadseffektivitet er også en svært viktig faktor, fordi hyppigheten som enkeltpersoner og bedrifter vil integrere disse laderne i sine hjemmene og virksomhetene sine på, er avhengig av overkommelige priser.

I påvente av den kontinuerlige veksten av elbiler og ladere, må man anerkjenne den kontinuerlige utviklingen av de underliggende teknologiene. Dette innebærer å se på potensielle fremskritt innen ladestrøm og -kapasitet, utvikle programvare- og maskinvarestandarder og gi rom for uforutsette innovasjoner. Denne proaktive tilnærmingen sikrer at varmestyringssystemer kan tilpasse seg krav som endres over tid.

Elbilladere deler stort sett de samme utfordringene forbundet med varmestyring som andre kraftige elektroniske enheter med høy tetthet. Effekttettheten til de bipolare transistorene med isolert gate (IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistor) som brukes i elbilladere, kombinert med de økende kravene til disse, utgjør imidlertid en unik utfordring. Etter hvert som ladehastigheter og batterikapasitet fortsetter å øke, blir det viktigere å utvikle ladere på en effektiv og trygg måte, og dette krever mer fra varmestyringsteknikere og -konstruktører enn noen gang før.

Same Sky tilbyr et omfattende utvalg av varmedistribusjonskomponenter, kombinert med bransjeledende termiske designtjenester, for å støtte de stadig utviklende behovene til økosystemet for elbilladere.