Soluzioni di gestione termica per la ricarica dei veicoli elettrici

Con l'aumento del numero di veicoli elettrici sulle strade, la costruzione di stazioni di ricarica sta progredendo rapidamente. Velocità di ricarica più rapide sono diventate un obiettivo chiave nello sviluppo delle stazioni di ricarica.

Caricabatterie ben funzionanti ed efficienti sono cruciali per la formazione attiva di un'infrastruttura di ricarica. Tuttavia, velocità di ricarica più elevate generano anche livelli più alti di calore, ponendo sfide alla sicurezza del processo di ricarica. In questo articolo, scopri di più sullo sviluppo della tecnologia di ricarica dei veicoli elettrici e sull'importanza dei sistemi di raffreddamento per la dissipazione del calore durante la ricarica, insieme a soluzioni di gestione termica per il tuo design.

Tecnologie di gestione termica di nuova generazione per la ricarica di veicoli elettrici

Con il progressivo affermarsi dei veicoli elettrici come principale mezzo di trasporto, l'autonomia delle batterie e la velocità di ricarica sempre più rapida diventeranno componenti fondamentali per la sostenibilità economica globale. Il miglioramento di questi sistemi di ricarica per veicoli elettrici richiede avanzamenti in molteplici aree tecnologiche, inclusa la gestione termica.   Con la crescente domanda di caricabatterie più veloci, stanno avvenendo vari cambiamenti nei metodi di implementazione. Un cambiamento significativo è il passaggio ai caricabatterie a corrente continua (DC), che potrebbe sembrare confuso dato che tutti i sistemi a batteria funzionano su DC. Tuttavia, la distinzione fondamentale risiede nel punto in cui avviene la conversione dell'energia da corrente alternata (AC) a corrente continua (DC). Nelle applicazioni residenziali tipiche, l'approccio più comune prevede l'uso di caricabatterie AC convenzionali impiegati per la comunicazione, il filtraggio e il controllo del flusso di energia AC al veicolo, dopo di che il caricabatterie DC interno converte l'energia e ricarica la batteria. Al contrario, i caricabatterie DC convertono l'energia prima di trasmetterla come DC ad alta tensione al veicolo. Uno dei vantaggi più significativi dei caricabatterie DC è la possibilità di eliminare molte limitazioni di peso e dimensioni trasferendo l'hardware di condizionamento dell'energia dal veicolo elettrico a una struttura esterna.   Grazie all'eliminazione dei vincoli di peso e dimensioni, i caricabatterie DC possono facilmente integrare più componenti, migliorando così il flusso di corrente e il voltaggio operativi. Questi caricabatterie utilizzano dispositivi semiconduttori all'avanguardia, filtri e resistori di potenza per la rettificazione dell'energia, tutti elementi che generano una quantità significativa di calore. Sebbene i filtri e i resistori contribuiscano notevolmente alla produzione di calore, la principale fonte di calore nei sistemi di ricarica per veicoli elettrici è il transistor bipolare a gate isolato (IGBT), un dispositivo semiconduttore ampiamente utilizzato negli ultimi decenni. Questo potente dispositivo ha portato molte opportunità nel campo della ricarica, ma il suo raffreddamento adeguato rimane una sfida significativa.   Gli IGBT sono essenzialmente un incrocio tra un transistor a effetto di campo (FET) e un transistor a giunzione bipolare (BJT), capaci di sopportare alte tensioni, avere bassa resistenza, velocità di commutazione elevate e una straordinaria tolleranza al calore, rendendoli ideali per applicazioni ad alta potenza come i caricabatterie per veicoli elettrici. Poiché gli IGBT fungono da raddrizzatori o inverter in questi circuiti di ricarica, commutano frequentemente, generando quantità significative di calore. La sfida termica attuale è che il requisito di dissipazione del calore per gli IGBT è aumentato da 1,2 kW di tre decenni fa a oltre 12,5 kW oggi, un incremento di oltre dieci volte, con una previsione di ulteriore crescita.   Esistono due fattori che contribuiscono al raffreddamento degli IGBT. Innanzitutto, la superficie degli IGBT è circa il doppio rispetto a quella di una CPU. In secondo luogo, possono operare a temperature più elevate, con una temperatura operativa di 170°C rispetto alle moderne CPU, che tipicamente operano a circa 105°C. Tuttavia, la soluzione di gestione termica più diretta e affidabile è una combinazione di dissipatori di calore e ventilazione forzata.   La resistenza termica all'interno dei dispositivi semiconduttori come gli IGBT è generalmente molto bassa, mentre la resistenza termica tra il dispositivo e l'aria circostante è relativamente alta. L'aggiunta di un dissipatore di calore aumenta notevolmente l'area superficiale disponibile per dissipare il calore nell'aria circostante, riducendo la resistenza termica. Inoltre, il movimento dell'aria sul dissipatore ne migliora ulteriormente l'efficienza. Il vantaggio di questo semplice sistema di raffreddamento è che, se installato correttamente, i dissipatori di calore passivi non si guastano mai, mentre le ventole sono una tecnologia matura e altamente raffinata, nota per la sua affidabilità.

Componenti del sistema di raffreddamento e tecniche di posizionamento per il monitoraggio termico

Un componente essenziale di qualsiasi sistema di raffreddamento è la disposizione dei componenti per ottimizzare il flusso d'aria e massimizzare la dissipazione del calore. Uno spazio insufficiente tra i componenti può limitare il flusso d'aria e ridurre la dimensione dei dissipatori di calore disponibili. Pertanto, i componenti critici che generano calore dovrebbero essere posizionati strategicamente nel sistema per facilitare un raffreddamento complessivo efficace.   Sebbene sia necessaria una disposizione attenta dei componenti che generano calore, la posizione dei sensori termici è altrettanto importante. In sistemi di grandi dimensioni, come i caricabatterie per veicoli elettrici DC, un sistema di controllo utilizzato per monitorare i livelli di temperatura in tempo reale può consentire una gestione termica attiva. Regolando automaticamente i meccanismi di raffreddamento in base alle letture di temperatura, è possibile ottimizzare le prestazioni e prevenire il surriscaldamento limitando l'uscita di corrente o regolando la velocità delle ventole. Tuttavia, queste regolazioni automatiche dipendono dalla qualità dei dati di input. Se i sensori di temperatura sono posizionati in modo inaccurato, la risposta del sistema sarà altrettanto imprecisa.   Le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici sono generalmente installate all'aperto, esposte a diverse condizioni ambientali. Progettare involucri impermeabili con una ventilazione adeguata per resistere alla pioggia e alle temperature estreme è fondamentale per mantenere condizioni termiche ottimali. Il design dei percorsi del flusso d'aria e delle prese d'aria deve impedire l'ingresso dell'acqua senza limitare il flusso d'aria.   Uno dei fattori esterni più preoccupanti è il calore solare generato dalla luce del sole che colpisce l'involucro del caricatore, il quale può aumentare significativamente le temperature interne. Sebbene si tratti di una preoccupazione valida, le soluzioni più efficaci spesso prevedono approcci semplici ma diretti. Utilizzare dispositivi di ombreggiamento progettati con cura e garantire un flusso d'aria sufficiente tra il dispositivo di ombreggiamento e l'unità di ricarica può ridurre significativamente la temperatura ambientale attorno al caricatore.

Ventilatori DC e soffianti centrifughe con opzioni versatili e caratteristiche personalizzate

Same Sky offre una vasta gamma di ventilatori DC e soffianti centrifughe progettati per diverse esigenze di raffreddamento. La loro gamma include ventilatori assiali e soffianti centrifughe con dimensioni del telaio che variano da 20 a 172 mm e un flusso d'aria compreso tra 0,33 e 382 CFM. Questi ventilatori DC di Same Sky sono dotati di protezione standard per il riavvio automatico e utilizzano cuscinetti a sfere, cuscinetti a manicotto o l’avanzato sistema di costruzione omniCOOL™ di Same Sky. Inoltre, sono disponibili con diverse opzioni e caratteristiche di personalizzazione che li rendono ideali come soluzioni di raffreddamento ad aria forzata per la dissipazione del calore in varie applicazioni.   I ventilatori assiali DC di Same Sky sono progettati per tensioni di 5, 12, 24 e 48 Vdc e offrono opzioni per segnali di tachimetro, rilevatore di rotazione e segnali di controllo PWM. Possono raggiungere velocità fino a 25.000 RPM e sono disponibili modelli con classificazione di protezione IP68, adatti per ambienti difficili.   Same Sky offre soffianti centrifughe con dimensioni del telaio che variano da 35 a 120 mm. Queste soffianti sono dotate di cuscinetti a sfere, cuscinetti a manicotto o costruzione con sistema omniCOOL™ e sono progettate per tensioni di 5, 12 e 24 Vdc. Dispongono di protezione automatica per il riavvio e offrono un flusso d'aria compreso tra 0,57 e 44,2 CFM, con diverse opzioni di velocità fino a 20.000 RPM, rendendole ideali per applicazioni ad alta pressione posteriore.

Il miglior dissipatore di calore per sistemi di convezione naturale o raffreddamento ad aria forzata

Same Sky offre una gamma di dissipatori di calore adatti a progetti a livello di scheda e array a griglia di sfere (BGA). I loro dissipatori di calore in alluminio e rame sono compatibili con i package dei transistor TO-218, TO-220, TO-252 e TO-263, oltre ai package BGA. Questi dissipatori di calore misurano comodamente la resistenza termica in quattro condizioni, aiutandoti a selezionare facilmente il miglior dissipatore di calore per sistemi di raffreddamento a convezione naturale o con aria forzata.   I dissipatori di calore proposti da Same Sky includono dissipatori BGA e dissipatori a livello di scheda. I dissipatori BGA sono compatibili con dispositivi BGA, realizzati in alluminio o rame, e disponibili con finitura anodizzata nera o pulita, con opzioni di montaggio adesivo o su PCB. I dissipatori BGA di Same Sky offrono una gamma di dimensioni che va da 8,5 x 8,5 mm a 69,7 x 69,7 mm, con altezze da 5 a 25 mm. Misurati in base a quattro condizioni di resistenza termica, i dissipatori di calore BGA di Same Sky hanno una dissipazione di potenza che varia da 1,92 a 21,74 W a 75°C.   I dissipatori a livello di scheda di Same Sky sono progettati con varie estrusioni e stampaggi standard, compatibili con i package dei transistor TO-218, TO-220, TO-252 e TO-263. Questi dissipatori di calore sono realizzati in alluminio o rame e presentano finiture materiali anodizzate nere, anodizzate blu o stagnate. Supportano una gamma di forme e dimensioni standard che va da 8 mm a 70 mm, oltre a profili da 4 mm a 45 mm.   I dissipatori di calore a livello di scheda di Same Sky possono essere ulteriormente suddivisi in dissipatori estrusi e dissipatori stampati. I dissipatori estrusi di Same Sky offrono strutture in alluminio con alette che garantiscono una maggiore superficie per migliorare la dissipazione del calore nelle applicazioni ad alta potenza. Quando misurati in base a quattro condizioni di resistenza termica, questi dissipatori estrusi hanno una dissipazione di potenza che varia da 1,93 a 16,7 W a 75°C. I dissipatori estrusi di Same Sky sono realizzati in alluminio e presentano una finitura anodizzata nera o blu, compatibili con i package dei transistor TO-218 e TO-220.   I dissipatori stampati di Same Sky sono realizzati in alluminio o rame e presentano finiture materiali anodizzate nere o stagnate, rendendoli ideali per applicazioni di raffreddamento a basso consumo su PCB. Questi dissipatori stampati supportano vari package di transistor con dimensioni che variano da 8 a 50,8 mm di larghezza e da 4 a 25,4 mm di altezza. Quando misurati in base a quattro condizioni di resistenza termica, questi dissipatori hanno una dissipazione di potenza che varia da 2,1 a 10,29 W a 75°C.

Conclusione

Man mano che il numero di veicoli elettrici e stazioni di ricarica continua a crescere, anche le tecnologie su cui si basano evolveranno e miglioreranno. Considerando il potenziale aumento della potenza e della capacità di ricarica, è fondamentale garantire che i sistemi di gestione termica siano in grado di adattarsi alle esigenze in evoluzione nel tempo. La rapida crescita della densità di potenza degli IGBT utilizzati nei caricatori per veicoli elettrici presenta sfide uniche per la gestione termica. I requisiti per produrre questi caricatori in modo efficace e sicuro diventeranno sempre più stringenti, richiedendo livelli di gestione termica più elevati che mai. Same Sky offre una vasta gamma di componenti per la gestione termica, insieme a servizi di progettazione termica leader del settore, per assistere i clienti con le loro esigenze in qualsiasi momento!