Chłodzenie cieczą a chłodzenie powietrzem w-szafach ładujących DC o dużej mocy: którą technologię wybrać?

W miarę ciągłego zwiększania się zasięgu pojazdów nowych energii (NEV)-oraz rosnącego zapotrzebowania na szybkie uzupełnianie energii w obszarach obsługi autostrad, parkach logistycznych, zajezdniach autobusowych i dużych-stacjach ładowania-wysokiej-mocy, ładowanie prądem stałym staje się kluczowym kierunkiem rozwoju infrastruktury ładowania NEV.

 

W porównaniu ze standardowym sprzętem do ładowania-o małej mocy, systemy ładowania DC o dużej-mocy muszą przesyłać więcej energii w krótszym czasie; w rezultacie komponenty takie jak moduły ładujące, urządzenia zasilające, szyny zbiorcze, złącza i kable ładujące są poddawane większym obciążeniom termicznym.

W tym kontekście technologia zarządzania ciepłem stała się kluczowym czynnikiem przy projektowaniu-szaf do ładowania prądem stałym dużej mocy.

Obecnie w sprzęcie do ładowania dużej-mocy stosuje się głównie dwie metody zarządzania temperaturą:

 

· Chłodzenie powietrzem
· Chłodzenie cieczą

 

Jakie są więc dokładnie różnice między chłodzeniem powietrzem a chłodzeniem cieczą? Dlaczego chłodzenie cieczą zyskuje coraz większe znaczenie w szybkim ładowaniu prądem stałym? A jak dokonać właściwego wyboru przy zakupie tych szaf?

 

 

Podstawową funkcją szafy do ładowania prądu stałego-o dużej mocy jest przekształcanie prądu przemiennego z sieci na prąd stały odpowiedni dla akumulatorów trakcyjnych pojazdów nowej generacji.

 

Podstawowy proces konwersji energii można podsumować w następujący sposób:

 

Sieć prądu przemiennego → Moduł zasilania → Wyjście prądu stałego → Dozownik ładowania → Akumulator EV

 

Podczas tego procesu komponenty modułu mocy,-takie jak urządzenia półprzewodnikowe, cewki indukcyjne, kondensatory, transformatory i inne elementy elektroniki mocy,-generują ciepło.

 

Chociaż nowoczesne moduły ładujące charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji, w systemach ładowania działających na poziomie setek--kilowatów nawet niewielki procent utraty wydajności może skutkować znacznym bezwzględnym obciążeniem cieplnym.

 

Na przykład, gdy system ładowania o dużej mocy-w sposób ciągły dostarcza setki kilowatów mocy, ciepło generowane przez straty wewnętrzne musi być w sposób ciągły rozpraszane; w przeciwnym razie mogą pojawić się następujące problemy:

 

· Rosnące temperatury elementów mocy
· Zmniejszona wydajność ładowania
· Ograniczenia mocy wyjściowej
· Obniżona żywotność komponentów
· Aktywacja mechanizmów zabezpieczających system
· Zmniejszona stabilność podczas długotrwałej pracy

 

Dlatego w przypadku szafy ładującej DC-o dużej mocy układ chłodzenia nie jest jedynie elementem pomocniczym, ale elementem krytycznym, który określa stałą wydajność wyjściową sprzętu.

 

 

Chłodzona powietrzem-szafa do ładowania prądu stałego wykorzystuje powietrze jako czynnik chłodzący do rozpraszania ciepła generowanego wewnątrz sprzętu do otoczenia za pośrednictwem takich elementów, jak wentylatory, radiatory i kanały powietrzne.

 

Typowy system-chłodzony powietrzem zazwyczaj obejmuje:

 

·Wentylator chłodzący
· Radiator
· Kanał powietrzny
· Filtr powietrza
· Czujnik temperatury
· Struktura wentylacji

 

Jego podstawowa zasada działania to:

 

Wytwarzanie ciepła → Radiator → Wymuszony przepływ powietrza → Rozpraszanie ciepła → Powietrze otoczenia

 

Wentylatory napędzają powietrze przez moduły mocy i radiatory, odprowadzając ciepło ze sprzętu.

Podejście to charakteryzuje się stosunkowo dojrzałą konstrukcją i pozostaje bardzo praktyczne w przypadku sprzętu do ładowania prądem stałym- średniej mocy oraz zastosowań w odpowiednich warunkach środowiskowych.

 

 

W chłodzonej cieczą szafie ładującej DC-wykorzystuje się czynnik chłodzący jako nośnik ciepła.

 

W porównaniu z powietrzem, ciecz krążąca przez specjalnie zaprojektowaną pętlę chłodzącą może skuteczniej przenosić ciepło wytworzone wewnątrz urządzenia do wymiennika ciepła w celu późniejszego rozproszenia do otoczenia.

 

Typowy system-chłodzony cieczą może obejmować:

 

· Pompa płynu chłodzącego
· Płyta chłodząca
· Wymiennik ciepła
· Kaloryfer
· Zbiornik chłodziwa
· Czujnik temperatury
· Czujnik przepływu
· System monitorowania ciśnienia

 

Podstawowy proces operacyjny można podsumować następująco:

 

Moduł mocy → Płyta chłodząca → Płyn chłodzący → Wymiennik ciepła → Chłodnica → Rozpraszanie ciepła

 

W systemach ładowania o większej-mocy technologię chłodzenia cieczą można zastosować nie tylko w modułach mocy wewnątrz szafy, ale także w-wysokoprądowych kablach i złączach do ładowania.

 

Na przykład publicznie dostępne dane branżowe pokazują rozproszone systemy ładowania-obejmujące szafę zasilającą o mocy 600 kW połączoną z-chłodzonymi cieczą kablami do ładowania-500 A, zaprojektowanymi do obsługi jednoczesnego ładowania wielu pojazdów przy dynamicznym przydzielaniu mocy na podstawie-zapotrzebowania pojazdu w czasie rzeczywistym.

 

 

1. Lepiej nadaje się do projektów o dużej gęstości mocy

Ponieważ moc ładowania prądem stałym rośnie, szafy ładujące wymagają instalacji większej liczby modułów energoelektroniki-o większej pojemności.

Gdyby po prostu dodać więcej wentylatorów i zwiększyć przepływ powietrza, kwestie takie jak konstrukcja wewnętrznej ścieżki przepływu powietrza, wymiary radiatora, poziom hałasu i ograniczona przestrzeń w szafie stałyby się poważnymi wyzwaniami.

 

Z kolei systemy chłodzenia cieczą wykorzystują płyty chłodzące i pętle cyrkulacyjne do pobierania ciepła bezpośrednio z otoczenia elementów-generujących ciepło, zapewniając w ten sposób większą elastyczność projektowania sprzętu o dużej gęstości mocy.

 

2. Ułatwia ładowanie-wysokim prądem

Moc ładowania można po prostu wyrazić jako:

 

P = U × I

 

Innymi słowy, przy danym napięciu zwiększenie mocy ładowania wymaga większego prądu.

Jednakże wraz ze wzrostem prądu wytwarzanie ciepła w przewodnikach, kablach i złączach staje się bardziej wyraźne.

 

 

Rozwiązania chłodzenia cieczą powinny być traktowane priorytetowo w przypadku projektów o następujących cechach:

 

1. Stacje ultraszybkiego ładowania-na autostradach

Obszary obsługiwane przez autostrady zazwyczaj wymagają krótkich czasów postoju pojazdów, co stwarza duże zapotrzebowanie na możliwości szybkiego uzupełniania energii.

Gdy jednocześnie ładuje się wiele pojazdów, urządzenia ładujące mogą pracować pod dużym obciążeniem przez dłuższy czas, co stawia większe wymagania systemom zarządzania temperaturą.

 

2. Floty pojazdów użytkowych i logistycznych

Pojazdy logistyczne zazwyczaj działają według określonych harmonogramów z określonymi oknami ładowania.

W przypadku flot wymagających szybkiego czasu realizacji,-ładowanie prądem stałym o dużej mocy może pomóc zminimalizować czas spędzany przez pojazdy na stacjach ładowania.

Departament Energii Stanów Zjednoczonych zauważył również, że szybkie ładowanie prądem stałym jest odpowiednie w przypadku niektórych zastosowań flotowych, w których pojazdy muszą zostać doładowane podczas krótkich postojów.

 

3. Autobusy i ciężkie-pojazdy elektryczne

Autobusy, ciężarówki, pojazdy portowe i inne komercyjne pojazdy elektryczne zazwyczaj mają akumulatory o dużej pojemności; w związku z tym infrastruktura ładowania może wymagać wyższej mocy wyjściowej i możliwości ciągłej pracy przez dłuższy czas.

Wraz z rozwojem-standardów i systemów ładowania o dużej mocy,-takich jak MCS-, znaczenie technologii chłodzenia cieczą w-zastosowaniach ładowania wysokoprądowego staje się coraz większe.

 

4. Stacje ładujące o wysokim-wykorzystaniu

Jeśli stacja ładowania musi obsługiwać dużą liczbę pojazdów w sposób ciągły przez cały dzień, rzeczywiste obciążenie robocze urządzenia może być znacznie wyższe niż w typowym biurze lub mieszkaniu.

 

 

Ponieważ zapotrzebowanie na ładowanie pojazdów o nowej energii stale rośnie,-systemy ładowania o dużej mocy ewoluują w kilku kluczowych kierunkach.

 

1. Siła wyższa

Systemy ładowania odchodzą od tradycyjnych, niższych poziomów mocy w stronę mocy rzędu setek kilowatów, a nawet megawatów (MW).

 

2. Wyższa gęstość mocy

Skonfigurowanie większej liczby modułów mocy w tej samej obudowie stawia większe wymagania w zakresie zarządzania ciepłem i projektowania strukturalnego.

 

3. Modułowość

Modułowe szafy zasilające umożliwiają konfigurację różnej liczby modułów mocy w zależności od wymagań projektu, ułatwiając jednocześnie konserwację i skalowalność mocy.

 

4. Inteligentna alokacja mocy

Przyszłe stacje ładowania niekoniecznie będą dostarczać stałą moc do każdego pojazdu; zamiast tego moc będzie przydzielana dynamicznie na podstawie takich czynników, jak stan naładowania pojazdu (SOC), zapotrzebowanie na ładowanie w czasie rzeczywistym-oraz obciążenie innych terminali ładowania.

 

Obecnie rozproszone systemy ładowania klasy 600 kW- wykorzystują już dynamiczną alokację mocy, umożliwiając wielu pojazdom współdzielenie scentralizowanej szafy energetycznej.

 

5. Rozszerzone zastosowanie technologii chłodzenia cieczą

Kierując się zapotrzebowaniem na większą moc i prąd, technologia chłodzenia cieczą wykracza poza szafy zasilające i będzie coraz częściej stosowana w takich komponentach, jak pistolety ładujące, kable i złącza.