De thermische uitdagingen van EV-laadtoepassingen begrijpen

Hoewel het concept van elektrische voertuigen (EV's) al net zo lang bestaat als benzinevoertuigen, zijn ze pas de laatste jaren algemeen geaccepteerd. Deze stijging in populariteit kan worden toegeschreven aan de aanzienlijke vooruitgang in EV-technologie in combinatie met aanzienlijke overheidssteun. De beslissing van de Europese Unie om voertuigen met inwendige verbranding te verbieden tegen 2035 en snelle EV-oplaadstations om de 60 kilometer te verplichten tegen 2025 is bijvoorbeeld een duidelijk bewijs van deze verwachte stijging in de vraag.

Naarmate EV de overhand krijgen als transportmiddel, zullen factoren als batterijbereik en nog snellere oplaadsnelheden een cruciale rol spelen in het ondersteunen van de wereldeconomie. Verbeteringen in de infrastructuur voor het opladen van elektrische voertuigen zullen vooruitgang op verschillende gebieden vereisen, waarbij het thermisch beheer eruit springt als een belangrijk gebied dat technologische evolutie vereist.

AC en DC EV-laders - wat is het verschil?

Naarmate de vraag naar snellere laadoplossingen toeneemt, zijn er zowel incrementele als transformatieve verschuivingen in de aanpak geweest. Een opmerkelijke verandering is het toenemende gebruik van DC-laders - een term die in eerste instantie misschien dubbelzinnig lijkt omdat alle accusystemen inherent werken op DC-elektriciteit. Het cruciale verschil zit hem echter in de plaats waar de conversie van wisselstroom naar gelijkstroom plaatsvindt binnen deze systemen.

De conventionele AC-lader, die je meestal in woonomgevingen tegenkomt, dient voornamelijk als een geavanceerde interface die verantwoordelijk is voor communicatie, filtering en het regelen van de stroomtoevoer naar het voertuig. Vervolgens zorgt een ingebouwde DC-lader in het voertuig ervoor dat deze stroom wordt omgezet en dat de accu's worden opgeladen. Een DC-lader daarentegen doet aan gelijkrichting voordat hij stroom levert aan het voertuig, en stuurt deze door als een gelijkstroombron met hoge spanning.

Het belangrijkste voordeel van DC-laders ligt in hun vermogen om veel beperkingen met betrekking tot gewicht en grootte te elimineren door de stroomconditioneringscomponenten van de EV naar een externe structuur te verplaatsen.

Afbeelding 1: DC-laders vertonen opmerkelijk snellere laadsnelheden, zij het met een grotere complexiteit en meer warmteontwikkeling. (Bron afbeelding: Same Sky)

Door de beperkingen op het gebied van gewicht en afmetingen weg te nemen, kunnen DC-laders naadloos extra componenten integreren om zowel hun stroomdoorvoer als hun bedrijfsspanning te verbeteren. Deze laders maken gebruik van geavanceerde halfgeleiderapparaten voor het gelijkrichten van de stroom, naast filters en vermogensweerstanden, die allemaal aanzienlijke warmte genereren tijdens het gebruik. Hoewel de bijdragen van filters en weerstanden aan de warmteafvoer opmerkelijk zijn, is de belangrijkste warmteafgever in een EV-laadsysteem de geïsoleerde gate bipolaire transistor (IGBT), een halfgeleider die de laatste decennia steeds meer gebruikt wordt. Deze robuuste component heeft talloze mogelijkheden ontsloten op het gebied van opladen, maar een goede koeling blijft een belangrijk punt van zorg.

Warmte-uitdagingen aanpakken

Een Insulated-Gate Bipolaire Transistor, of IGBT, is in wezen een hybride tussen een FET (Field-Effect Transistor) en een BJT (Bipolar Junction Transistor). Bekend om hun vermogen om hoge spanningen te verdragen, minimale inschakelweerstand, snelle schakelsnelheden en opmerkelijke thermische bestendigheid, zijn IGBT's optimaal bruikbaar in scenario's met een hoog vermogen, zoals EV-laders.

In EV-laadcircuits, waar IGBT's dienen als gelijkrichters of inverters, leiden hun frequente schakelbewerkingen tot de productie van aanzienlijke warmte. Op dit moment heeft de grootste thermische uitdaging te maken met de aanzienlijke escalatie in warmtedissipatie die gepaard gaat met IGBT's. In de afgelopen drie decennia is de warmteafvoer meer dan vertienvoudigd, van 1,2 kW tot 12,5 kW, en de prognoses wijzen op een verdere toename. Afbeelding 2 hieronder illustreert deze trend in termen van vermogen per oppervlakte-eenheid.

Om dit in perspectief te plaatsen: hedendaagse CPU's bereiken energieniveaus rond de 0,18 kW, wat overeenkomt met een bescheiden 7 kW/cm². Het duizelingwekkende verschil onderstreept de formidabele hindernissen op het gebied van thermisch beheer waarmee IGBT's in toepassingen met hoog vermogen worden geconfronteerd.

Afbeelding 2: De vermogensdichtheid van IGBT's is aanzienlijk verbeterd. (Bron afbeelding: Same Sky)

Twee factoren spelen een belangrijke rol bij het verbeteren van de koeling van IGBT's. Ten eerste is het oppervlak van IGBT's ongeveer twee keer zo groot als dat van CPU's. Ten tweede zijn IGBT's bestand tegen hogere bedrijfstemperaturen, tot +170 °C, terwijl moderne CPU's doorgaans werken bij slechts +105 °C.

De meest effectieve methode voor het beheren van thermische omstandigheden is het gebruik van een combinatie van koellichamen en geforceerde lucht. Halfgeleiderapparaten, zoals IGBT's, hebben intern over het algemeen een extreem lage warmteweerstand, terwijl de warmteweerstand tussen het apparaat en de omringende lucht relatief hoog is. De integratie van een koellichaam vergroot het beschikbare oppervlak voor het afvoeren van warmte naar de omgevingslucht aanzienlijk, waardoor de thermische weerstand afneemt. Bovendien wordt de efficiëntie nog verder verbeterd door de luchtstroom over het koellichaam te leiden. Aangezien de interface tussen het apparaat en de lucht de belangrijkste thermische weerstand in het systeem is, is het van cruciaal belang om deze tot een minimum te beperken. Het voordeel van deze eenvoudige aanpak ligt in de betrouwbaarheid van passieve koellichamen en de beproefde technologie van ventilators.

Same Sky heeft speciaal voor EV-laadtoepassingen aangepaste koellichamen met afmetingen tot 950 x 350 x 75 mm. Deze koellichamen kunnen minder veeleisende vereisten passief verwerken of meer veeleisende scenario's actief beheren met geforceerde lucht.

Afbeelding 3: Het gebruik van koellichamen en ventilators is een zeer effectieve oplossing voor thermisch beheer van IGBT's. (Bron afbeelding: Same Sky)

Naast luchtkoeling biedt vloeistofkoeling een alternatief voor het afvoeren van warmte van krachtige componenten zoals IGBT's. Waterkoelsystemen zijn aantrekkelijk omdat ze de laagste thermische weerstand kunnen bereiken. Ze gaan echter gepaard met hogere kosten en een grotere complexiteit in vergelijking met oplossingen voor luchtkoeling. Het is ook vermeldenswaard dat zelfs in waterkoelingopstellingen koellichamen en ventilators nog steeds essentiële componenten zijn voor effectieve warmteafvoer uit het systeem.

Gezien de bijbehorende kosten en complexiteit blijft directe koeling van IGBT's met behulp van koellichamen en ventilatoren de voorkeursbenadering. Lopend onderzoek richt zich op het verbeteren van luchtkoelingstechnologieën die specifiek zijn afgestemd op IGBT-toepassingen. Dit actieve onderzoek is erop gericht om de warmteafvoer te optimaliseren en tegelijkertijd de kosten en de complexiteit van het systeem die gepaard gaan met methoden voor vloeistofkoeling te minimaliseren.

Overwegingen bij het thermisch systeemontwerp

De effectiviteit van elk koelsysteem is sterk afhankelijk van de strategische plaatsing van onderdelen om de luchtstroom te optimaliseren en de warmteverdeling te verbeteren. Onvoldoende ruimte tussen de componenten kan de luchtstroom belemmeren en de grootte van de koellichamen die gebruikt kunnen worden beperken. Daarom is het cruciaal om kritieke warmteproducerende componenten strategisch te plaatsen in het hele systeem om efficiënte koeling mogelijk te maken.

Naast de plaatsing van componenten is ook de plaatsing van thermische sensoren van vitaal belang. In grootschalige systemen zoals DC EV-laders speelt real-time temperatuurbewaking door regelsystemen een cruciale rol in actief thermisch beheer. Automatische aanpassingen in koelmechanismen op basis van temperatuurmetingen kunnen de systeemprestaties optimaliseren en oververhitting voorkomen door de stroomafgifte te regelen of de ventilatorsnelheid aan te passen. De nauwkeurigheid van deze automatische aanpassingen hangt echter af van de kwaliteit en precisie van de temperatuursensors. Een slechte plaatsing van sensoren kan leiden tot onnauwkeurige temperatuurmetingen, waardoor het systeem niet effectief reageert. Daarom moet er zorgvuldig worden nagedacht over de plaatsing van thermische sensors om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van temperatuurbewaking en -regeling te garanderen.

Omgevingsfactoren

Laadstations voor elektrische voertuigen worden vaak buiten geïnstalleerd en zijn onderhevig aan verschillende weersomstandigheden. Daarom is het ontwerpen van weerbestendige behuizingen met goede ventilatie en bescherming tegen de elementen, zoals regen en extreme temperaturen, noodzakelijk om optimale thermische prestaties te behouden. Het is cruciaal om ervoor te zorgen dat de luchtstroomroutes en ventilatiesystemen zo zijn ontworpen dat er geen water kan binnendringen terwijl de luchtstroom onbelemmerd blijft.

Een van de externe factoren is de opwarming door direct zonlicht, wat leidt tot een aanzienlijke stijging van de interne omgevingstemperatuur van de behuizing van de lader. Hoewel dit een legitieme zorg is, is de meest efficiënte oplossing relatief eenvoudig. Het implementeren van goed ontworpen zonweringsstructuren met voldoende luchtstroom tussen de zonwering en de lader vermindert effectief de opwarming door de zon, waardoor de omgevingstemperatuur in de behuizing van de lader lager blijft.

Afbeelding 4: Het afschermen van laders van direct zonlicht is een kostenefficiënte en efficiënte strategie voor het beheren van thermische omstandigheden. (Bron afbeelding: Same Sky)

Wat is het volgende?

De laatste jaren is er een opmerkelijke toename geweest in de wereldwijde adoptie van elektrische voertuigen, waarbij de vraag een consistente en significante groei laat zien op verschillende technologische fronten. Aangezien het aantal EV's op de weg blijft toenemen, wordt verwacht dat de uitbreiding van de laadinfrastructuur gelijke tred zal houden. De doeltreffende werking en efficiëntie van laders zijn van het grootste belang voor de ontwikkeling van deze snel groeiende laadinfrastructuur. Kostenefficiëntie is ook een kritieke factor, aangezien de snelheid waarmee particulieren en bedrijven deze laders in hun huizen en vestigingen integreren afhankelijk is van de betaalbaarheid.

Anticiperend op de voortdurende groei van EV's en laders, moet men rekening houden met de evoluerende aard van de onderliggende technologieën. Dit betekent dat er rekening moet worden gehouden met mogelijke verbeteringen in oplaadvermogen en -capaciteit, de ontwikkeling van software- en hardwarestandaarden en ruimte voor onvoorziene innovaties. Deze proactieve benadering zorgt ervoor dat systemen voor thermisch beheer zich in de loop der tijd kunnen aanpassen aan veranderende eisen.

In de kern hebben laders voor elektrische voertuigen dezelfde problemen op het gebied van thermisch beheer als andere dichte elektronische apparaten met een hoog vermogen. De vermogensdichtheid van de geïsoleerde gate bipolaire transistors (IGBT's) die in EV-laders worden gebruikt, in combinatie met de steeds hogere eisen die aan deze laders worden gesteld, vormt echter een unieke uitdaging. Naarmate de laadsnelheden en batterijcapaciteiten blijven stijgen, wordt de noodzaak om laders effectief en veilig te ontwikkelen steeds strenger en wordt er meer dan ooit gevraagd van ontwerpers en technici op het gebied van thermisch beheer.

Same Sky biedt een uitgebreide reeks componenten voor thermisch beheer, gekoppeld aan toonaangevende thermische ontwerpservices, om te voldoen aan de veranderende behoeften van het ecosysteem voor het opladen van elektrische voertuigen.