Hőszabályozási problémák és feladatok elektromos járművek töltőberendezéseinél

Bár az elektromos jármű gondolata ugyanolyan régi, mint a benzinüzemű járműé, ezen előbbiek csak a közelmúltban váltak széles körben elterjedté. Népszerűségük ezen növekedése az elektromos járműtechnológia nagyléptékű fejlődésének és a jelentős kormányzati támogatásoknak tulajdonítható. Az Európai Unió azon döntése például, miszerint 2035-ig betiltja a belső égésű járművek használatát, és 60 kilométerenkénti gyors villanyjármű töltőállomások kiépítését írja elő 2025-ig egyértelműen előrevetíti a kereslet várható növekedését.

Az elektromos járművek domináns közlekedőeszközzé válásával egyes tulajdonságaik és jellemzőik, mint például az akkumulátorok által kínált hatótáv és az egyre gyorsabb töltési sebességek kulcsfontosságú szerepet fognak játszani a globális gazdaság fenntartásában. Az elektromos járművek töltési infrastruktúrájának továbbfejlesztése magával vonja a más egyéb területeken való fejlődést is. Kulcsfontosságú tényezőként a hűtési teljesítmény és hőszabályozás emelkedik ki, amelyeknél további technológiai fejlődésre van szükség.

A váltóáramú és egyenáramú villanyjármű töltők közötti különbség

Párhuzamosan a gyorsabb töltési megoldások iránti kereslet növekedésével, fokozatos és átalakító jellegű változások egyaránt történtek ennek módját illetően is. Egyik figyelemre méltó változás, hogy az egyenáramú töltők egyre szélesebb körben elterjedté váltak. Az egyenáramú töltés, mint fogalom kezdetben talán lehet nem teljesen egyértelmű, hiszen minden akkumulátorrendszer eredendően egyenáramú villamos energiával működik. A döntő különbség azonban az, hogy az adott rendszereben hol történik a váltóáramról egyenáramra történő átalakítás.

A jellemzően lakossági környezetekbe telepített hagyományos váltakozó áramú töltők elsősorban kifinomult interfész szerepét töltik be, amely a kommunikációért, a szűrésért és a járműbe folyó váltakozó áram szabályozásáért felelős. Ezt követően a járműbe épített egyenáramú töltő egyenirányítja ezt az energiát, és feltölti az akkumulátorokat. Ezzel szemben az egyenáramú töltő már azelőtt egyenirányítást végez, mielőtt az energiát nagyfeszültségű egyenáram formájában a járműbe továbbítaná.

Az egyenáramú töltők legfőbb előnye az, hogy számos súly- és méretbeli korlátozást kiküszöbölnek azáltal, hogy az áramkondicionáló alkatrészek az elektromos járműből egy külső berendezésbe helyeződnek át.

1. ábra: Az egyenáramú töltők jelentősen felgyorsult töltési sebességet biztosítanak, bár ez a bonyolultság és a hőtermelés növekedésével jár (kép: Same Sky)

A súly- és méretbeli korlátok lényeges csökkentése lehetővé tette, hogy az egyenáramú töltőkbe akadálytalanul további alkatrészek legyenek építhetők, növelve az áramátviteli teljesítményt és névleges üzemi feszültséget. Ezekben a töltőkben az áram egyenirányítására a legmodernebb félvezető eszközöket használják, szűrőkkel és teljesítményellenállásokkal együtt, amelyek mindegyike jelentős hőt termel működés közben. Habár a szűrők és az ellenállások is jelentős mértékben hozzájárulnak a hő keletkezéséhez, az elektromos járművek töltőrendszereiben a legtöbb hőt a szigetelt kapus bipoláris tranzisztor (IGBT) termeli, amely egy olyan félvezető technológiás eszköz, amely az elmúlt évtizedekben terjedt el egyre nagyobb mértékben. Ez a nagy tűrőképességű alkatrész számos lehetőséget nyitott meg a töltés területén, ugyanakkor hűtésének megfelelő biztosítása továbbra is mindig jelentős megoldandó problémát jelent.

Hűtési problémák kezelése

A szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok (IGBT-k) lényegében a térvezérlésű tranzisztorok (FET-ek) és a bipoláris tranzisztorok (BJT-k) hibridjei. Legfőbb erényeik, hogy nagy névleges feszültségeken használhatók, minimális nyitóirányú ellenállással, gyors kapcsolási sebességgel és figyelemre méltó hőállósággal, így optimálisan hasznosíthatók a nagy teljesítményű áramkörökben, például elektromos járművek töltőrendszereiben.

Villanyjármű-töltési áramkörökben az egyenirányítóként vagy inverterként szolgáló IGBT-k gyakori működésbe lépése (kapcsolása) jelentős hőtermeléssel jár. Jelenleg a legnagyobb hőelvezetési problémát az IGBT-k miatti jelentősen megnövekedett hőtermelés jelenti. Az elmúlt három évtizedben a disszipált hő több mint tízszeresére, 1,2 kW-ról 12,5 kW-ra emelkedett, és az előrejelzések szerint ez csak növekedni fog. Az alábbi 2. ábra ezt a tendenciát szemlélteti, az egységnyi felületre jutó teljesítmény szempontjából.

Hogy ezt kontextusba helyezzük, a korszerű CPU-k teljesítménye 0,18 kW körül van, ami egy szerény, 7 kW/cm² körüli értéknek felel meg. Ez a rendkívüli eltérés jól szemlélteti, hogy nagyteljesítményű áramkörökben milyen akadályokkal kell megküzdeni az IGBT-k által termelt jelentős hő elvezetésekor.

2. ábra: Az IGBT-k teljesítménysűrűsége jelentős fejlődésen ment keresztül (kép: Same Sky)

IGBT-k hűtésének javításakor két tényező játszik legnagyobb szerepet. Először is, az IGBT-k felülete körülbelül kétszer nagyobb, mint a CPU-ké. Másodszor, az IGBT-k magasabb, akár +170 °C üzemi hőmérsékletet is kibírnak, míg a modern CPU-k jellemzően csak +105 °C-on működnek.

A hőmérsékletek leghatékonyabban kombinált módon, hűtőbordákkal és aktív légáramlással szabályozhatók. Más félvezető eszközökhöz hasonlóan az IGBT-kre is érvényes, hogy belső hőellenállásuk rendkívül alacsony, míg az eszköz felülete és a környező levegő közötti hőellenállás viszonylag magas. Hűtőborda beépítésével jelentősen megnő a környezeti levegőbe történő elvezetésre rendelkezésre álló hűtési felület, ezáltal csökkentve a hőellenállást. Ezenkívül a levegő irányított áramoltatása a hűtőborda felett tovább növeli annak hatékonyságát. Mivel a rendszeren belül a legjelentősebb hőellenállási tényezőt az alkatrész és a levegő közötti határfelület képezi, ezért a hőellenállás minimalizálása kulcsfontosságú. Ezen egyszerű módszer előnye, hogy a passzív hűtőbordák rendkívül megbízhatók a ventilátoros hűtési technika pedig már bizonyította ilyen célú alkalmasságát.

A Same Sky kifejezetten elektromos járművek töltőrendszereihez gyárt erre a célra tervezett hűtőbordákat, akár 950 x 350 x 75 mm méretben. Ezek a hűtőbordák kevésbé igényes esetekben passzív működéssel is képesek kielégíteni a követelményeket, igényesebb feltételek esetén pedig hatékonyságuk aktív légáramoltatással javítható.

3. ábra: Az IGBT-k hőfoka hűtőbordák és ventilátorok segítségével rendkívül hatékonyan szabályozható (kép: Same Sky)

A léghűtés mellett alternatív megoldásként folyadékhűtési módszerek is használhatók a nagy hőt termelő alkatrészek, például az IGBT-k hűtésére. A vízhűtéses rendszerek azért vonzóak, mert ezekkel érhető el a legalacsonyabb hőellenállás, költségeik viszont magasabbak, és kiépítésük is sokkal összetettebb a léghűtési megoldásokhoz képest. Azt is fontos megjegyezni, hogy a hatékony hőelvezetéshez ugyanúgy hűtőbordákat és ventilátorokat is használni kell még vízhűtéses rendszerekben is.

Az ezzel járó költségekre és bonyolultságra való tekintettel tehát, az IGBT-k hűtésekor továbbra is a hűtőbordákkal és ventilátorokkal megvalósított közvetlen hőelvezetést részesítik előnyben. Folyamatosan zajlanak kutatások, melyek kifejezetten az IGBT-ket tartalmazó áramkörökhöz szabott léghűtési technológiák fejlesztésére irányulnak. Ezen aktív kutatások célja a hőelvezetés optimalizálása, minimalizálva a folyadékhűtéses módszerekhez kapcsolódó költségeket és a rendszerek bonyolultságát.

Tervezési szempontok hőelvezetési rendszerek kialakításakor

Minden hűtőrendszer hatékonysága nagyban függ attól, hogy az alkatrészek mennyire helyesen vannak elhelyezve az optimális légáramlás és a jó hőelosztás biztosítása szempontjából. Ha nem elég nagy az alkatrészek közötti távolság, az akadályozhatja a légáramlást és korlátokat szabhat a felhasználható hűtőbordák méretét illetően. A hűtés hatékonyságához ezért elengedhetetlen, hogy a generált hő szempontjából kritikus komponensek a megfelelő helyekre kerüljenek a rendszeren belül.

Az alkatrészek beépítése mellett a hőérzékelők elhelyezésének is ugyanilyen fontossága van. A nagyméretű rendszerekben – mint például az elektromos járművek egyenáramú töltőberendezéseiben –, a vezérlőrendszerekkel megvalósítható valós idejű hőmérséklet-felügyelet döntő szerepet játszik az aktív hőszabályozásban. A hűtésben részt vevő mechanizmusoknak a hőmérsékletmérések alapján történő automatikus szabályozása biztosítani tudja az optimális rendszerműködést és megakadályozhatja a túlmelegedést az áramerősség vagy a ventilátor fordulatszámának szabályozásával. Ezen automatikus szabályozások pontossága azonban függ a használt hőmérséklet-érzékelők minőségétől és pontosságától. Ezenkívül az érzékelők rossz elhelyezése pontatlan hőmérsékletméréshez vezethet, csorbítva a rendszer válaszadási képességét. A pontos és megbízható hőmérséklet-felügyelethez és hőszabályozáshoz tehát alaposan meg kell fontolni, hogy a hőmérséklet-érzékelők hová és milyen irányba kerüljenek.

Környezeti tényezők

Az elektromos járművek töltőállomásait gyakran telepítik kültéri környezetekbe, ahol azok ki vannak téve a különböző időjárási körülményeknek. Az optimális hűtési teljesítmény fenntartásához ezért elengedhetetlen időjárásálló, megfelelő szellőzőnyílásokkal és olyan szerkezeti elemekből épített burkolatok használata, amelyek ellenálnak a környezeti elemi hatásoknak, például az esőnek és a szélsőséges hőmérsékleteknek. Alapvető fontosságú, hogy a légáramlási útvonalak és a szellőzőrendszerek úgy legyenek kialakítva, hogy megakadályozzák a víz behatolását, de mégis biztosítsák az akadálytalan légáramlást.

A külső tényezők közül a közvetlen napsugárzás és napfény okoz jelentős problémát, jelentős hőmérséklet-emelkedést okozva a töltőberendezés burkolatán belül. Bár ez kétségkívül okozhatna gondokat, mégis van egy viszonylag egyszerű ámde igen hatékony megoldás. Jól megtervezett napellenző- illetve árnyékoló szerkezetek használatával, valamint az árnyékoló szerkezet és a töltőberendezés közötti kellő légáramlás biztosításával a nap melegítő hatása hatékonyan mérsékelhető, alacsonyan tartva a környezeti hőmérsékletet a töltőberendezés burkolatán belül.

4. ábra: A hőmérsékleti állapotok olcsón és hatékonyan szabályozhatók a töltőberendezés közvetlen napfénytől való megvédésével (kép: Same Sky)

Mit hoz a jövő?

Az elmúlt években világszerte figyelemre méltóan megugrott az elektromos járművek száma, és ennek következményeként az adott technológiai területeken a kereslet is folyamatosan és jelentősen nőtt. Az utakon közlekedő elektromos járművek számának növekedésével páhuzamosan a töltésükre szolgáló infrastruktúra is várhatóan szerteágazóan bővülni fog. A töltőinfrastruktúra fejlődése és kiépítése szempontjából kiemelkedően fontos, hogy a töltők hatékonyan és minél nagyobb hatásfokkal működjenek. A költséghatékonyság szintén kritikus tényező, mivel a megfizethetőségtől függ, hogy a magánszemélyek és a vállalkozások milyen gyorsan építik be ezeket a töltőket otthonaikba és létesítményeikbe.

Számolva azzal, hogy az elektromos járművek és töltők száma folyamatosan növekedni fog, várható, hogy az alapul szolgáló technológiák is folyamatosan fejlődni fognak. Ez alatt a töltési teljesítmény és kapacitás lehetséges további fejlődése, a szoftverre és hardverre vonatkozó szabványok bővülése, valamint az előre nem látható innovációk is értendők. Ilyen proaktív megközelítéssel biztosítható, hogy a hőszabályozó rendszerek is idővel mindig alkalmazkodni tudnak majd a változó igényekhez.

Más nagy sűrűségű és nagy teljesítményű elektronikus eszközökhöz hasonlóan az elektromos járművek töltőinél is alapvetően ugyanolyan hőszabályozási problémákkal kell megküzdeni. Az elektromos járművek töltőiben használt szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok (IGBT-k) a teljesítménysűrűségüknél és a velük szemben támasztott egyre növekvő követelményeknél fogva azonban sajátos problémát jelentenek. A töltési sebességek és az akkumulátorok kapacitásának folyamatos növekedésével egyre szigorúbb követelményeknek szükséges megfelelni a hatékony és biztonságos töltők fejlesztése terén is, minden eddiginél többet követelve a hőszabályozás tervezőitől és mérnökeitől.

A Same Sky átfogó választékot kínál hőszabályozási alkatrészekből, párosulva az iparágon belüli egyik legjobb hűtőrendszer-tervezési szolgáltatással, megfelelve a folyamatosan korszerűsödő igényeknek az elektromos járművek töltési rendszerei területén.