Soluciones de gestión térmica para la carga de vehículos eléctricos

Con un número creciente de vehículos eléctricos en las carreteras, la construcción de estaciones de carga está avanzando rápidamente. Las velocidades de carga más rápidas se han convertido en un enfoque clave en el desarrollo de estaciones de carga.

Cargadores que funcionan bien y de manera eficiente son cruciales para la formación activa de la infraestructura de carga. Sin embargo, velocidades de carga más rápidas también generan niveles más altos de calor, lo que plantea desafíos para la seguridad del proceso de carga. En este artículo, aprende más sobre el desarrollo de la tecnología de carga de vehículos eléctricos y la importancia de los sistemas de enfriamiento para la disipación del calor durante la carga, junto con soluciones de gestión térmica para tu diseño.

Tecnologías de gestión térmica de próxima generación para la carga de vehículos eléctricos

A medida que los vehículos eléctricos se convierten en un modo principal de transporte, la autonomía de las baterías e incluso velocidades de carga más rápidas se volverán componentes clave para la viabilidad económica global. La mejora de estos sistemas de carga de vehículos eléctricos requiere avances en múltiples áreas tecnológicas, incluyendo la gestión térmica.   Con la creciente demanda de cargadores más rápidos, se están produciendo diversos cambios en los métodos de implementación. Un cambio notable es la transición hacia cargadores de corriente continua (DC, por sus siglas en inglés), lo cual podría sonar confuso ya que todos los sistemas de baterías operan con DC. Sin embargo, la distinción crucial radica en dónde ocurre la conversión de energía de corriente alterna (AC) a DC. En aplicaciones residenciales típicas, el enfoque más común implica cargadores de AC convencionales que se utilizan para la comunicación, filtrado y control del flujo de energía AC hacia el vehículo, tras lo cual el cargador de DC a bordo rectifica la energía y carga la batería. En contraste, los cargadores de DC rectifican la energía antes de transmitirla como DC de alta tensión al vehículo. Una ventaja significativa de los cargadores de DC es la capacidad de eliminar muchas de las limitaciones de peso y tamaño al reubicar el hardware de acondicionamiento de energía del vehículo eléctrico a una estructura externa.   Con la eliminación de las limitaciones de peso y tamaño, los cargadores de DC pueden integrar fácilmente más componentes, mejorando así el flujo de corriente y el voltaje de operación. Estos cargadores utilizan dispositivos semiconductores de vanguardia, filtros y resistencias de potencia para la rectificación de energía, todos los cuales generan cantidades significativas de calor. Si bien los filtros y las resistencias contribuyen con cantidades notables de calor, la fuente principal de calor en los sistemas de carga de vehículos eléctricos es el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés), un dispositivo semiconductor ampliamente utilizado durante las últimas décadas. Este potente dispositivo ha traído muchas oportunidades al ámbito de la carga, pero enfriarlo adecuadamente sigue siendo un desafío importante.   Los IGBT son esencialmente una combinación entre un transistor de efecto campo (FET) y un transistor de unión bipolar (BJT), capaces de soportar altos voltajes, baja resistencia en estado de conducción, altas velocidades de conmutación y una notable tolerancia al calor, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta potencia como los cargadores de vehículos eléctricos. Debido a que los IGBT actúan como rectificadores o inversores en estos circuitos de carga, cambian de estado con frecuencia, generando una cantidad considerable de calor. El desafío térmico actual es que el requisito de disipación de calor para los IGBT ha aumentado de 1,2 kW hace tres décadas a más de 12,5 kW en la actualidad, un aumento más de diez veces, y se espera que esta demanda continúe incrementándose.   Existen dos factores que contribuyen al enfriamiento de los IGBT. En primer lugar, la superficie de los IGBT es aproximadamente el doble que la de una CPU. En segundo lugar, pueden operar a temperaturas más altas, con una temperatura de operación de 170°C en comparación con las CPU modernas, que generalmente funcionan a unos 105°C. Sin embargo, la solución de gestión térmica más directa y confiable es una combinación de disipadores de calor y ventilación forzada.   La resistencia térmica dentro de los dispositivos semiconductores como los IGBT suele ser muy baja, mientras que la resistencia térmica entre el dispositivo y el aire circundante es relativamente alta. Agregar un disipador de calor incrementa significativamente el área de superficie disponible para disipar el calor hacia el aire circundante, reduciendo la resistencia térmica. Además, mover aire sobre el disipador de calor mejora aún más su eficiencia. La ventaja de este sistema de enfriamiento simple es que, cuando se instala correctamente, los disipadores de calor pasivos nunca fallarán, y los ventiladores son una tecnología madura y altamente refinada, conocida por su fiabilidad.

Componentes del sistema de refrigeración y técnicas de colocación para monitoreo térmico

Un componente esencial de cualquier sistema de enfriamiento es cómo se colocan los componentes para optimizar el flujo de aire y maximizar la disipación de calor. Un espacio insuficiente entre los componentes puede restringir el flujo de aire y limitar el tamaño de los disipadores de calor disponibles. Por lo tanto, los componentes críticos que generan calor deben colocarse estratégicamente en todo el sistema para facilitar un enfriamiento general efectivo.   Si bien la colocación cuidadosa de los componentes que generan calor es necesaria, la ubicación de los sensores térmicos es igualmente importante. En sistemas grandes como los cargadores de vehículos eléctricos de corriente continua (DC), un sistema de control utilizado para monitorear los niveles de temperatura en tiempo real puede habilitar una gestión térmica activa. Ajustar automáticamente los mecanismos de enfriamiento en función de las lecturas de temperatura puede optimizar el rendimiento y prevenir el sobrecalentamiento limitando la salida de corriente o ajustando las velocidades de los ventiladores. Sin embargo, estos ajustes automáticos dependen de la calidad de los datos de entrada. Si los sensores de temperatura están mal colocados, la respuesta del sistema será correspondientemente inexacta.   Las estaciones de carga de vehículos eléctricos generalmente se instalan en exteriores, expuestas a diversas condiciones ambientales. Diseñar gabinetes a prueba de clima con ventilación adecuada para soportar la lluvia y temperaturas extremas es crucial para mantener condiciones térmicas óptimas. El diseño de los caminos de flujo de aire y las rejillas de ventilación debe prevenir la entrada de agua sin restringir el flujo de aire.   Uno de los factores externos más preocupantes es el calor solar generado por la luz del sol que incide sobre el gabinete del cargador, lo que puede aumentar significativamente las temperaturas internas. Si bien esta es una preocupación válida, las soluciones más efectivas a menudo implican enfoques simples pero directos. Usar dispositivos de sombra cuidadosamente diseñados y asegurar un flujo de aire suficiente entre el dispositivo de sombra y la unidad de carga puede reducir significativamente la temperatura ambiental alrededor del cargador.

Ventiladores DC y sopladores centrífugos con opciones versátiles y características personalizadas

Same Sky ofrece una amplia gama de ventiladores de CC y sopladores centrífugos diseñados para diversas necesidades de refrigeración. Su línea incluye ventiladores axiales y sopladores centrífugos con tamaños de marco que varían de 20 a 172 mm y un flujo de aire que va desde 0.33 hasta 382 CFM. Estos ventiladores de CC de Same Sky vienen de serie con protección de reinicio automático y utilizan cojinetes de bolas, cojinetes de casquillo o la avanzada construcción del sistema omniCOOL™ de Same Sky. Además, cuentan con diversas opciones y características personalizables, lo que los convierte en soluciones ideales de refrigeración por aire forzado para la disipación de calor en aplicaciones.   Los ventiladores axiales de CC de Same Sky están diseñados para voltajes de 5, 12, 24 y 48 Vcc y ofrecen opciones para señales de tacómetro, detector de rotación y señales de control PWM. Pueden alcanzar velocidades de hasta 25,000 RPM y están disponibles en modelos con clasificaciones de protección IP68, adecuados para entornos adversos.   Same Sky ofrece sopladores centrífugos con tamaños de marco que varían de 35 a 120 mm. Estos sopladores cuentan con cojinetes de bolas, cojinetes de casquillo o construcción del sistema omniCOOL™, con voltajes nominales de 5, 12 y 24 Vcc. Vienen equipados con protección de reinicio automático y proporcionan un rango de flujo de aire de 0.57 a 44.2 CFM, con diversas opciones de velocidad de hasta 20,000 RPM, lo que los hace ideales para aplicaciones con alta presión estática.

El mejor disipador de calor para sistemas de convección natural o refrigeración por aire forzado

Same Sky ofrece una gama de disipadores de calor adecuados para diseños a nivel de placa y de matriz de bolas (BGA, por sus siglas en inglés). Sus disipadores de calor de aluminio y cobre son compatibles con los paquetes de transistores TO-218, TO-220, TO-252 y TO-263, así como con paquetes BGA. Estos disipadores de calor miden convenientemente la resistencia térmica bajo cuatro condiciones, lo que le permite seleccionar fácilmente el mejor disipador de calor para sistemas de convección natural o de enfriamiento por aire forzado.   Los tipos de disipadores de calor de Same Sky incluyen disipadores de calor BGA y disipadores de calor a nivel de placa. Sus disipadores de calor BGA son compatibles con dispositivos BGA, fabricados en aluminio o cobre, y están disponibles con un acabado anodizado negro o limpio, con opciones de montaje adhesivo o en PCB. Los disipadores de calor BGA de Same Sky admiten una variedad de tamaños desde 8.5 x 8.5 mm hasta 69.7 x 69.7 mm, con alturas de 5 a 25 mm. Medidos bajo cuatro condiciones de resistencia térmica, los disipadores de calor BGA de Same Sky tienen calificaciones de disipación de potencia que van desde 1.92 a 21.74 W a 75°C.   Los disipadores de calor a nivel de placa de Same Sky están diseñados con diversas extrusiones y estampados estándar, compatibles con los paquetes de transistores TO-218, TO-220, TO-252 y TO-263. Estos disipadores de calor están fabricados en aluminio o cobre y cuentan con acabados de material anodizados en negro, anodizados en azul o estañados. Admiten una gama de formas y tamaños estándar desde 8 mm hasta 70 mm, así como perfiles desde 4 mm hasta 45 mm.   Los disipadores de calor a nivel de placa de Same Sky pueden dividirse en disipadores de calor extruidos y disipadores de calor estampados. Los disipadores de calor extruidos de Same Sky ofrecen estructuras de aletas de aluminio con áreas de superficie más grandes para mejorar la disipación de calor en aplicaciones de alta potencia. Cuando se miden bajo cuatro condiciones de resistencia térmica, estos disipadores extruidos tienen calificaciones de disipación de potencia que van desde 1.93 hasta 16.7 W a 75°C. Los disipadores extruidos de Same Sky están fabricados en aluminio y cuentan con un acabado anodizado en negro o azul, compatibles con los paquetes de transistores TO-218 y TO-220.   Los disipadores de calor estampados de Same Sky están fabricados en aluminio o cobre y cuentan con acabados de material anodizados en negro o estañados, lo que los hace ideales para aplicaciones de enfriamiento en PCB de baja potencia. Estos disipadores de calor estampados son compatibles con varios paquetes de transistores con dimensiones que van desde 8 hasta 50.8 mm de ancho y de 4 a 25.4 mm de alto. Cuando se miden bajo cuatro condiciones de resistencia térmica, estos disipadores tienen calificaciones de disipación de potencia que van desde 2.1 hasta 10.29 W a 75°C.

Conclusión

A medida que el número de vehículos eléctricos y estaciones de carga continúa creciendo, las tecnologías en las que se basan también evolucionarán y mejorarán. Dado el posible aumento en la potencia y capacidad de carga, es esencial garantizar que los sistemas de gestión térmica puedan adaptarse a las demandas cambiantes con el tiempo. El rápido crecimiento en la densidad de potencia de los IGBT utilizados en los cargadores de vehículos eléctricos presenta desafíos únicos para la gestión térmica. Los requisitos para fabricar estos cargadores de manera efectiva y segura serán cada vez más exigentes, demandando niveles más altos de gestión térmica que nunca antes. Same Sky ofrece una amplia gama de componentes de gestión térmica junto con servicios de diseño térmico líderes en la industria para ayudar a los clientes con sus necesidades en cualquier momento.