Sähköajoneuvojen lataussovellusten lämpöhaasteiden ymmärtäminen

Vaikka sähköajoneuvon (EV) konsepti on ollut olemassa yhtä kauan kuin bensiinikäyttöisen ajoneuvon, se on saanut laajaa hyväksyntää vasta viime vuosina. Tämä suosion kasvu johtuu sähköajoneuvoteknologian merkittävistä kehitysaskeleista ja huomattavasta valtiotuesta. Esimerkiksi Euroopan unionin päätös kieltää polttomoottoriajoneuvot vuoteen 2035 mennessä ja velvoittaa asentamaan sähköajoneuvojen pikalatausasemia 60 kilometrin välein vuoteen 2025 mennessä on selkeä osoitus kysynnän oletetusta kasvusta.

Kun sähköajoneuvoista tulee hallitseva liikennemuoto, sellaiset tekijät kuin akkujen toimintamatka ja vielä nopeammat latausnopeudet ovat ratkaisevissa rooleissa maailmantalouden tukemisessa. Sähköajoneuvojen latausinfrastruktuurin parantaminen vaatii edistystä useilla eri aloilla, ja lämmönhallinta on keskeinen teknologista kehitystä vaativa alue.

Sähköajoneuvojen AC- ja DC-laturit – mitä eroa niillä on?

Nopeampien latausratkaisujen kysynnän kasvaessa lähestymistavassa on tapahtunut sekä vähittäisiä että mullistavia muutoksia. Yksi merkittävä muutos on DC-latureiden yleistyminen – käsite saattaa aluksi vaikuttaa epäselkeältä, koska kaikki akkujärjestelmät toimivat luonnostaan DC-sähköllä. Ratkaiseva ero on kuitenkin siinä, missä muunnos vaihtovirrasta tasavirraksi tapahtuu näissä järjestelmissä.

Perinteinen AC-laturi, jota käytetään tyypillisesti asuinrakennuksissa, toimii ensisijaisesti kehittyneenä käyttöliittymänä, joka vastaa tiedonsiirrosta, suodatuksesta ja ajoneuvoon syötettävän AC-virran ohjauksesta. Sen jälkeen ajoneuvoon integroitu DC-laturi tasasuuntaa tämän virran ja lataa akut. DC-laturi sitä vastoin suorittaa tasasuuntauksen ennen virran syöttämistä ajoneuvoon ja siirtää sen ajoneuvoon korkeajännitteisenä DC-virtana.

DC-latureiden tärkein etu on se, että ne poistavat monia painoon ja kokoon liittyviä rajoituksia, koska tehonsäätökomponentit siirtyvät sähköajoneuvosta ulkoiseen rakenteeseen.

Kuva 1: DC-laturien latausnopeudet ovat parantuneet huomattavasti, mutta ne ovat kompleksisempia ja tuottavat enemmän lämpöä. (Kuvan lähde: Same Sky)

Kun paino- ja kokorajoituksista päästään eroon, DC-latureihin voidaan integroida saumattomasti lisäkomponentteja nostamaan sekä niiden virransyöttötehoa että käyttöjännitettä. Näissä latureissa hyödynnetään huipputason puolijohdekomponentteja virran tasasuuntaukseen sekä suodattimia ja tehovastuksia, jotka kaikki tuottavat huomattavasti lämpöä käytön aikana. Vaikka suodattimien ja vastusten osuus lämmöntuotosta on huomattava, EV-latausjärjestelmän pääasiallinen lämpösäteilijä on eristebipolaaritransistori (IGBT). Se on puolijohdekomponentti, jonka käyttö on lisääntynyt viime vuosikymmeninä. Tämä robusti komponentti on avannut lukuisia mahdollisuuksia lataukseen, mutta sen riittävän jäähdytyksen varmistaminen on edelleen merkittävä haaste.

Lämpöhaasteiden ratkaisu

Eristebipolaaritransistori eli IGBT on periaatteessa kanavatransistorin (FET) ja bipolaaritransistorin (BJT) hybridi. IGBT-transistorit ovat tunnettuja kyvystä kestää korkeita jännitteitä, minimaalisesta johtamisresistanssista, korkeista kytkentänopeuksista ja huomattavasta lämmönsietokyvystä. Ne soveltuvat optimaalisesti korkeatehoisiin sovelluksiin, kuten EV-latureihin.

EV-latauspiireissä, joissa IGBT-transistoreita käytetään tasasuuntaajina tai inverttereinä, niiden tiheät kytkentäoperaatiot johtavat huomattavaan lämmöntuottoon. Tällä hetkellä suurimman lämpöongelman aiheuttaa IGBT-transistoriin liittyvän lämmönluovutuksen huomattava kasvu. Viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana lämmönluovutus on yli kymmenkertaistunut 1,2 kilowatista (kW) 12,5 kilowattiin, ja ennusteiden mukaan se kasvaa edelleen. Alla olevassa kuvassa 2 on esitetty tämä suuntaus pinta-alayksikköä kohti laskettuna tehona.

Vertailun vuoksi nykyisten CPU-yksiköiden teho on noin 0,18 kW, mikä vastaa vaatimatonta arvoa 7 kW/cm². Tämä huikea ero korostaa IGBT-transistorien suuria lämmönhallintaongelmia korkeatehoisissa sovelluksissa.

Kuva 2: IGBT-transistorien tehotiheys on kehittynyt merkittävästi. (Kuvan lähde: Same Sky)

Kahdella tekijällä on merkittävä rooli IGBT-transistorien jäähdytyksen parantamisessa. Ensinnäkin IGBT-transistorien pinta-ala on noin kaksi kertaa CPU-yksikköjä suurempi. Toiseksi IGBT-transistorit kestävät korkeampia käyttölämpötiloja, jopa +170 °C, kun taas nykyaikaiset mikroprosessorit toimivat yleensä vain +105 °C:n lämpötiloissa.

Kaikkein tehokkain tapa hallita lämpöä on käyttää jäähdytyselementtien ja koneellisen ilmajäähdytyksen yhdistelmää. Puolijohdekomponenttien, kuten IGBT-transistoreiden, sisäinen lämpövastus on yleensä erittäin alhainen, kun taas laitteen ja ympäröivän ilman välinen lämpövastus on suhteellisen korkea. Asentamalla jäähdytyselementti lisätään huomattavasti lämmön luovuttamiseen ympäröivään ilmaan käytettävissä olevaa pinta-alaa, mikä vähentää lämpövastusta. Lisäksi ilmavirran ohjaaminen jäähdytyselementin kautta parantaa edelleen sen tehokkuutta. Koska laitteen ja ilman välinen rajapinta muodostaa järjestelmän merkittävimmän lämpövastuksen, sen minimointi on ratkaisevan tärkeää. Tämän suoraviivaisen lähestymistavan etuja ovat passiivisten jäähdytyselementtien luotettavuus ja vakiintunut tuuletintekniikka.

Same Sky valmistaa kustomoituja jäähdytyselementtejä erityisesti EV-lataussovelluksiin ja niiden mitat ovat jopa 950x350x75 mm. Nämä jäähdytyselementit soveltuvat passiivisesti vähemmän haastaviin vaatimuksiin tai aktiivisesti vaativampiin skenaarioihin ilmajäähdytyksen avulla.

Kuva 3: Jäähdytyselementtien ja tuulettimien hyödyntäminen on erittäin tehokas lämmönhallintaratkaisu IGBT-transistoreja varten. (Kuvan lähde: Same Sky)

Ilmajäähdytysmenetelmien ohella nestejäähdytys tarjoaa vaihtoehdon korkeatehoisten komponenttien, kuten IGBT-transistorien, lämmönpoistoon. Vesijäähdytysjärjestelmät ovat houkuttelevia, koska niillä voidaan saavuttaa kaikkein alhaisin lämpövastus. Ne ovat kuitenkin ilmajäähdytysratkaisuja kalliimpia ja kompleksisempia. On myös syytä huomata, että jäähdytyselementit ja tuulettimet ovat myös vesijäähdytysjärjestelmissä yhä olennaisia komponentteja, jotta lämpö saadaan poistettua tehokkaasti järjestelmästä.

Kun otetaan huomioon asiaan liittyvät kustannukset ja kompleksisuus, IGBT-transistorien suora jäähdytys jäähdytyselementtejä ja tuulettimia käyttämällä on edelleen suositeltavin menettelytapa. Tutkimusta jatketaan ja siinä keskitytään erityisesti IGBT-sovelluksiin räätälöityjen ilmajäähdytystekniikoiden parantamiseen. Tämän aktiivisen tutkimuksen tavoitteena on optimoida lämmönpoisto ja samalla minimoida nestejäähdytysmenetelmiin liittyvät kustannukset ja järjestelmäkompleksisuudet.

Termiseen järjestelmäsuunnitteluun liittyviä näkökohtia

Kaikkien jäähdytysjärjestelmien tehokkuus riippuu suuresti komponenttien strategisesta sijoittelusta ilmavirran optimoimiseksi ja lämmönjakelun parantamiseksi. Jos komponentit ovat liian lähellä toisiaan, tämä voi estää ilmavirran ja rajoittaa käytettävissä olevien jäähdytyselementtien kokoa. Siksi on ratkaisevan tärkeää sijoittaa kriittiset lämpöä tuottavat komponentit strategisesti koko järjestelmässä tehokkaan jäähdytyksen mahdollistamiseksi.

Komponenttien sijoittelun lisäksi myös lämpöanturien sijoittelu on yhtä tärkeää. Suurissa järjestelmissä, kuten DC-laturien kaltaisissa EV-latureissa, ohjausjärjestelmien tarjoamalla lämpötilojen reaaliaikaisella valvonnalla on ratkaiseva merkitys aktiivisessa lämmönhallinnassa. Jäähdytysmekanismien automaattinen säätö lämpötilamittausten perusteella voi optimoida järjestelmän suorituskyvyn ja estää ylikuumenemisen lähtötehoa tai tuuletinnopeutta säätämällä. Näiden automaattisten säätöjen tarkkuus riippuu kuitenkin lämpötila-antureiden laadusta ja tarkkuudesta. Antureiden heikko sijoittelu voi johtaa epätarkkoihin lämpötilalukemiin eikä järjestelmä siten pysty reagoimaan lämpötilaan tehokkaasti. Lämpötila-antureiden sijoittelussa on käytettävä siksi huolellista harkintaa lämpötilavalvonnan ja säädön tarkkuuden ja luotettavuuden varmistamiseksi.

Ympäristötekijät

Sähköajoneuvojen latausasemat sijoitetaan usein ulkotiloihin, joissa ne altistuvat kaikenlaisille sääolosuhteille. Siksi on tärkeää suunnitella säänkestävät kotelot, joissa on riittävä ilmanvaihto ja jotka antavat suojaa sääolosuhteilta, kuten sateelta ja äärilämpötiloilta, jotta voidaan varmistaa optimaalinen terminen tehokkuus. On välttämätöntä varmistaa, että ilman virtausreitit ja tuuletusjärjestelmät on suunniteltu siten, että ne estävät veden pääsyn kotelon sisään ja takaavat samalla rajoittamattoman ilmavirran.

Suoran auringonvalon aiheuttama lämpeneminen on yksi ulkoinen tekijä ja merkittävä haaste, sillä se johtaa laturikotelon sisäisen ympäristölämpötilan merkittävään nousuun. Vaikka tämä on perusteltu huolenaihe, kaikkein tehokkain ratkaisu on suhteellisen yksinkertainen. Hyvin suunniteltujen auringolta suojaavien rakenteiden ja riittävän ilmavirran toteuttaminen aurinkosuojan ja laturin välille vähentää tehokkaasti auringon aiheuttamaa lämpenemistä, jolloin ympäristölämpötila pysyy alhaisempana laturikotelon sisällä.

Kuva 4: Latureiden suojaaminen suoralta auringonvalolta on edullinen ja tehokas strategia lämpöolosuhteiden hallintaan. (Kuvan lähde: Same Sky)

Mitä seuraavaksi?

Sähköajoneuvojen käyttöönotto on lisääntynyt viime vuosina huomattavasti kautta maailman, ja kysyntä jatkaa merkittävää kasvua eri teknologiarintamilla. Koska sähköautojen määrä kasvaa teillä jatkuvasti, latausinfrastruktuurin odotetaan kasvavan samassa tahdissa. Latureiden tehokas toiminta ja tehokkuus ovat erittäin tärkeitä ominaisuuksia tämän kasvavan latausinfrastruktuurin kehittämisessä. Myös kustannustehokkuus on kriittinen tekijä, koska kohtuuhintaisuus ratkaisee, kuinka nopeasti yksityishenkilöt ja yritykset ottavat nämä laturit käyttöön kodeissaan ja toimipaikoissaan.

Sähköajoneuvojen ja niiden latureiden käytön jatkuvaa kasvua ennakoitaessa on otettava huomioon perustana olevien teknologioiden kehittyvä luonne. Tämä tarkoittaa sitä, että on otettava huomioon lataustehon ja -kapasiteetin mahdolliset kehitysaskeleet, kehittyvät ohjelmisto- ja laitteistostandardit sekä jätettävä tilaa ennakoimattomille innovaatioille. Tämä ennakoiva lähestymistapa takaa, että lämmönhallintajärjestelmät voivat mukautua ajan myötä muuttuviin vaatimuksiin.

Sähköajoneuvojen latureilla on periaatteessa samanlaisia lämmönhallintaongelmia kuin muillakin kompakteilla ja korkeatehoisilla elektroniikkalaitteilla. EV-latureissa käytettävien IGBT-transistorien tehotiheys ja niihin kohdistuvat kasvavat vaatimukset muodostavat kuitenkin ainutlaatuisen haasteen. Kun akkujen latausnopeus ja kapasiteetti kasvavat, tehokkaiden ja turvallisten latureiden kehittämisestä tulee yhä tärkeämpää, mikä asettaa suunnittelijoille ja lämmönhallintainsinööreille suurempia vaatimuksia kuin koskaan aiemmin.

Same Sky tarjoaa kattavan valikoiman lämmönhallintakomponentteja sekä alan johtavia termisen suunnittelun palveluja, joilla vastataan sähköajoneuvojen latausekosysteemin kehittyviin tarpeisiin.