Chladenie kvapalinou vs. chladenie vzduchom pre vysokovýkonné-jednosmerné nabíjacie skrine: Ktorú technológiu by ste si mali vybrať?

Keďže jazdný dosah nových energetických vozidiel (NEV) sa neustále zvyšuje-a s rastúcim dopytom po rýchlom doplnení energie v oblastiach s obsluhou diaľnic, logistických parkoch, autobusových depách a veľkých{1}}nabíjacích staniciach-vysokým-jednosmerným prúdom sa stáva kľúčovým smerom rozvoja nabíjacej infraštruktúry NEV.

 

V porovnaní so štandardným-nabíjacím zariadením s nízkou spotrebou energie musia vysokovýkonné{1}}nabíjacie systémy jednosmerného prúdu preniesť viac energie za kratší čas. v dôsledku toho sú komponenty ako nabíjacie moduly, napájacie zariadenia, prípojnice, konektory a nabíjacie káble vystavené vyššiemu tepelnému zaťaženiu.

V tomto kontexte sa technológia tepelného manažmentu stala kritickým faktorom pri navrhovaní-nabíjacích skríň na jednosmerný prúd s vysokým výkonom.

V súčasnosti vysokovýkonné nabíjacie zariadenia využívajú najmä dve metódy riadenia teploty:

 

· Chladenie vzduchom
· Chladenie kvapalinou

 

Aké sú teda rozdiely medzi chladením vzduchom a chladením kvapalinou? Prečo kvapalinové chladenie získava čoraz väčší význam pri rýchlonabíjaní jednosmerným prúdom? A ako sa správne rozhodnúť pri kúpe týchto skriniek?

 

 

Hlavnou funkciou-jednosmernej nabíjacej skrine s vysokým výkonom je premena striedavého prúdu zo siete na jednosmerný prúd vhodný pre trakčné batérie nových energetických vozidiel.

 

Základný proces premeny energie možno zhrnúť takto:

 

AC sieť → Napájací modul → Výstup jednosmerného prúdu → Nabíjací dávkovač → Batéria EV

 

Počas tohto procesu komponenty výkonového modulu-ako polovodičové zariadenia, induktory, kondenzátory, transformátory a iná výkonová elektronika-vytvárajú teplo.

 

Hoci sa moderné nabíjacie moduly môžu pochváliť vysokou účinnosťou konverzie, v nabíjacích systémoch pracujúcich na úrovni stoviek{0}}-kilowattov môže aj malé percento straty účinnosti viesť k výraznému absolútnemu tepelnému zaťaženiu.

 

Keď napríklad nabíjací systém s vysokým{0}}výkonom nepretržite dodáva stovky kilowattov energie, teplo generované vnútornými stratami sa musí neustále odvádzať; v opačnom prípade môžu nastať nasledujúce problémy:

 

· Rastúce teploty výkonových komponentov
· Znížená účinnosť nabíjania
· Obmedzenia výstupného výkonu
· Ohrozená životnosť komponentov
· Aktivácia mechanizmov ochrany systému
· Znížená stabilita pri dlhšej prevádzke

 

Preto pre vysokovýkonnú nabíjaciu skriňu jednosmerným prúdom{0} nie je chladiaci systém iba pomocným komponentom, ale aj kritickým prvkom, ktorý určuje trvalú výstupnú kapacitu zariadenia.

 

 

Vzduchom-chladená nabíjacia skriňa jednosmerného prúdu využíva vzduch ako chladiace médium na odvádzanie tepla generovaného vo vnútri zariadenia do okolitého prostredia prostredníctvom komponentov, ako sú ventilátory, chladiče a vzduchové kanály.

 

Typický vzduchom-chladený systém zvyčajne zahŕňa:

 

·Chladiaci ventilátor
· Chladič
· Vzduchové potrubie
· Vzduchový filter
· Snímač teploty
· Štruktúra vetrania

 

Jeho základný princíp fungovania je:

 

Generovanie tepla → Chladič → Nútené prúdenie vzduchu → Odvod tepla → Okolitý vzduch

 

Ventilátory poháňajú vzduch cez napájacie moduly a chladiče a odvádzajú teplo von zo zariadenia.

Tento prístup sa vyznačuje relatívne vyspelým dizajnom a zostáva vysoko praktický pre zariadenia na nabíjanie jednosmerným prúdom so stredným{0}}výkonom a aplikácie s vhodnými podmienkami prostredia.

 

 

Kvapalinou{0}}chladená jednosmerná nabíjacia skriňa využíva chladiacu kvapalinu ako teplonosné médium.

 

V porovnaní so vzduchom môže kvapalina cirkulujúca cez špeciálne navrhnutú chladiacu slučku efektívnejšie prenášať teplo generované vo vnútri zariadenia do výmenníka tepla na následné rozptýlenie do okolia.

 

Typický kvapalinou-chladený systém môže zahŕňať:

 

· Čerpadlo chladiacej kvapaliny
· Chladiaca doska
· Výmenník tepla
· Radiátor
· Zásobník chladiacej kvapaliny
· Snímač teploty
· Prietokový senzor
· Systém monitorovania tlaku

 

Základný prevádzkový proces možno zhrnúť takto:

 

Napájací modul → Chladiaca doska → Chladivo → Výmenník tepla → Radiátor → Odvod tepla

 

V{0}}systémoch nabíjania s vyšším výkonom možno technológiu chladenia kvapalinou použiť nielen na napájacie moduly vo vnútri skrinky, ale aj na-nabíjacie káble a konektory s vysokým prúdom.

 

Verejne dostupné údaje z odvetvia napríklad ukazujú distribuované nabíjacie systémy-s 600 kW napájacou skriňou spárovanou s 500 A kvapalinou chladenými nabíjacími káblami-navrhnutými na podporu súčasného nabíjania viacerých vozidiel pri dynamickom prideľovaní energie na základe dopytu po vozidle v reálnom-čase.

 

 

1. Vhodnejšie pre dizajny s vysokou hustotou výkonu

Keďže nabíjací výkon jednosmerným prúdom stále rastie, nabíjacie skrinky vyžadujú inštaláciu výkonových elektronických modulov s väčšou alebo vyššou{0}}kapacitou.

Ak by sme jednoducho pridali viac ventilátorov a zvýšili prúdenie vzduchu, problémy, ako je návrh vnútornej dráhy prúdenia vzduchu, rozmery chladiča, hladiny hluku a priestorové obmedzenia skrine, by sa stali významnými výzvami.

 

Na rozdiel od toho systémy chladenia kvapalinou využívajú chladiace dosky a cirkulačné slučky na extrakciu tepla priamo z blízkosti komponentov vytvárajúcich teplo-, čím ponúkajú väčšiu flexibilitu dizajnu zariadení s vysokou hustotou výkonu.

 

2. Uľahčuje nabíjanie-vysokým prúdom

Nabíjací výkon možno jednoducho vyjadriť ako:

 

P = U × I

 

Inými slovami, pre dané napätie si zvýšenie nabíjacieho výkonu vyžaduje vyšší prúd.

So zvyšujúcim sa prúdom sa však tvorba tepla vo vodičoch, kábloch a konektoroch stáva výraznejšou.

 

 

Kvapalné chladiace riešenia by sa mali uprednostňovať pri projektoch s nasledujúcimi charakteristikami:

 

1. Diaľničné ultra-rýchlo nabíjacie stanice

Oblasti diaľničných služieb si zvyčajne vyžadujú krátke doby zdržania vozidla, čo vytvára vysoký dopyt po schopnostiach rýchleho doplnenia energie.

Keď sa súčasne nabíja viacero vozidiel, nabíjacie zariadenie môže pracovať pri vysokej záťaži po dlhšiu dobu, čo kladie vyššie nároky na systémy tepelného manažmentu.

 

2. Úžitkové vozidlá a logistické parky

Logistické vozidlá zvyčajne fungujú podľa definovaných harmonogramov so špecifickými oknami na dobíjanie.

V prípade vozových parkov vyžadujúcich rýchle obrátky môže-nabíjanie jednosmerným prúdom s vysokým výkonom pomôcť minimalizovať čas, ktorý vozidlá strávia na nabíjacích staniciach.

Americké ministerstvo energetiky tiež poznamenalo, že rýchle nabíjanie jednosmerným prúdom je vhodné pre určité aplikácie vozového parku, kde sa vozidlá potrebujú dobíjať počas krátkych zastávok.

 

3. Autobusy a ťažké-elektrické vozidlá

Autobusy, nákladné autá, prístavné vozidlá a iné komerčné elektrické vozidlá majú zvyčajne veľkú kapacitu batérií; následne môže nabíjacia infraštruktúra vyžadovať vyšší výkon a schopnosť nepretržitej prevádzky počas dlhšieho obdobia.

S vývojom-štandardov a systémov vysokovýkonného nabíjania-ako je MCS-význam technológie kvapalinového chladenia v aplikáciách vysokonapäťového nabíjania-narastá.

 

4. Nabíjacie stanice s vysokým-využitím

Ak je potrebné, aby nabíjacia stanica slúžila veľkému počtu vozidiel nepretržite počas dňa, skutočné prevádzkové zaťaženie zariadenia môže byť oveľa vyššie ako v typických kancelárskych alebo obytných priestoroch.

 

 

Keďže dopyt po nabíjaní nových energetických vozidiel neustále narastá, systémy vysokoenergetického nabíjania{0} sa vyvíjajú niekoľkými kľúčovými smermi.

 

1. Vyššia sila

Nabíjacie systémy sa posúvajú od tradičných nižších úrovní výkonu ku kapacitám stoviek kilowattov alebo dokonca k rozsahu megawattov (MW).

 

2. Vyššia hustota výkonu

Konfigurácia viacerých napájacích modulov v rámci rovnakého pôdorysu skrinky kladie vyššie nároky na tepelný manažment a konštrukčný dizajn.

 

3. Modularita

Modulárne napájacie skrine umožňujú konfiguráciu rôzneho počtu napájacích modulov na základe požiadaviek projektu a zároveň uľahčujú údržbu a škálovateľnosť napájania.

 

4. Inteligentné prideľovanie výkonu

Budúce nabíjacie stanice nebudú nevyhnutne dodávať pevnú energiu do každého vozidla; namiesto toho bude energia dynamicky prideľovaná na základe faktorov, ako je stav nabitia vozidla (SOC), požiadavky na nabíjanie v reálnom{0}}čase a zaťaženie iných nabíjacích terminálov.

 

V súčasnosti distribuované nabíjacie systémy triedy 600 kW{1}}už využívajú dynamické prideľovanie energie, čo umožňuje viacerým vozidlám zdieľať centralizovanú napájaciu skriňu.

 

5. Rozšírená aplikácia technológie chladenia kvapalinou

Poháňaná potrebou vyššieho výkonu a prúdu, technológia kvapalinového chladenia presiahne hranice napájacích skríň a bude sa čoraz viac používať na komponenty, ako sú nabíjacie pištole, káble a konektory.