Chlazení kapalinou vs. chlazení vzduchem pro vysokovýkonné stejnosměrné nabíjecí skříně-: Kterou technologii byste si měli vybrat?

Vzhledem k tomu, že dojezd nových energetických vozidel (NEV) se neustále zvyšuje-a s rostoucí poptávkou po rychlém doplňování energie v oblastech s obsluhou dálnic, logistických parcích, autobusových depech a velkých -nabíjecích stanicích-vysokým-stejnosměrným proudem se jako klíčový směr vývoje infrastruktury pro nabíjení NEV objevuje.

 

Ve srovnání se standardním-nabíjecím zařízením s nízkou spotřebou energie musí vysokovýkonné DC nabíjecí systémy přenášet více energie za kratší dobu; v důsledku toho jsou součásti, jako jsou nabíjecí moduly, napájecí zařízení, přípojnice, konektory a nabíjecí kabely, vystaveny vyššímu tepelnému zatížení.

V této souvislosti se technologie tepelného managementu stala kritickým faktorem při navrhování-nabíjecích skříní na stejnosměrný proud s vysokým výkonem.

V současné době-nabíjecí zařízení s vysokým výkonem využívají především dvě metody řízení teploty:

 

· Chlazení vzduchem
· Chlazení kapalinou

 

Jaké jsou tedy přesně rozdíly mezi chlazením vzduchem a chlazením kapalinou? Proč získává kapalinové chlazení stále větší význam při stejnosměrném rychlém nabíjení? A jak se správně rozhodnout při nákupu těchto skříní?

 

 

Základní funkcí vysokovýkonné stejnosměrné nabíjecí skříně je přeměnit střídavý proud ze sítě na stejnosměrný proud vhodný pro trakční baterie nových energetických vozidel.

 

Základní proces přeměny energie lze shrnout takto:

 

AC Grid → Power Module → DC Output → Charging Dispenser → EV Battery

 

Během tohoto procesu generují součásti výkonového modulu,-jako jsou polovodičová zařízení, induktory, kondenzátory, transformátory a další výkonová elektronika,-teplo.

 

Přestože se moderní nabíjecí moduly mohou pochlubit vysokou účinností konverze, v nabíjecích systémech pracujících na úrovni stovek{0}}-kilowattů může i malé procento ztráty účinnosti vést k výraznému absolutnímu tepelnému zatížení.

 

Když například nabíjecí systém s vysokým{0}}výkonem nepřetržitě dodává stovky kilowattů energie, teplo generované vnitřními ztrátami musí být neustále odváděno; jinak mohou nastat následující problémy:

 

· Rostoucí teploty výkonových komponent
· Snížená účinnost nabíjení
· Omezení výstupního výkonu
· Omezená životnost komponent
· Aktivace mechanismů ochrany systému
· Snížená stabilita při delším provozu

 

V případě nabíjecí skříně na stejnosměrný proud s vysokým{0}}příkonem tedy není chladicí systém pouze pomocnou součástí, ale kritickým prvkem, který určuje trvalou výstupní kapacitu zařízení.

 

 

Vzduchem-chlazená stejnosměrná nabíjecí skříň využívá vzduch jako chladicí médium k odvádění tepla generovaného uvnitř zařízení do okolního prostředí prostřednictvím komponent, jako jsou ventilátory, chladiče a vzduchové kanály.

 

Typický vzduchem-chlazený systém obvykle zahrnuje:

 

·Chladicí ventilátor
· Chladič
· Vzduchový kanál
· Vzduchový filtr
· Teplotní senzor
· Konstrukce ventilace

 

Jeho základní princip fungování je:

 

Generování tepla → Chladič → Nucené proudění vzduchu → Odvod tepla → Okolní vzduch

 

Ventilátory ženou vzduch přes napájecí moduly a chladiče a odvádějí teplo ze zařízení.

Tento přístup se vyznačuje relativně vyspělým designem a zůstává vysoce praktický pro zařízení se středním{0}}výkonem stejnosměrného nabíjení a aplikace s vhodnými podmínkami prostředí.

 

 

Kapalinou-chlazená DC nabíjecí skříň využívá jako teplonosné médium chladicí kapalinu.

 

Ve srovnání se vzduchem může kapalina cirkulující speciálně navrženou chladicí smyčkou účinněji přenášet teplo generované uvnitř zařízení do výměníku tepla pro následné rozptýlení do okolí.

 

Typický kapalinou chlazený-systém může zahrnovat:

 

· Čerpadlo chladicí kapaliny
· Chladicí deska
· Výměník tepla
· Radiátor
· Nádržka chladicí kapaliny
· Teplotní senzor
· Snímač průtoku
· Systém monitorování tlaku

 

Základní provozní proces lze shrnout takto:

 

Napájecí modul → Chladicí deska → Chladivo → Výměník tepla → Radiátor → Odvod tepla

 

V nabíjecích systémech s vyšším{0}}výkonem lze technologii kapalinového chlazení použít nejen na napájecí moduly uvnitř skříně, ale také na vysokonabíjecí-kabely a konektory.

 

Veřejně dostupná průmyslová data například ukazují distribuované nabíjecí systémy-obsahující 600 kW napájecí skříň spárovanou s 500 A kapalinou chlazenými nabíjecími kabely-navrženými tak, aby podporovaly současné nabíjení pro více vozidel při dynamickém přidělování energie na základě poptávky po vozidle v reálném čase-.

 

 

1. Vhodnější pro konstrukce s vysokou hustotou výkonu

Vzhledem k tomu, že výkon stejnosměrného nabíjení stále roste, nabíjecí skříně vyžadují instalaci výkonových elektronických modulů s větší nebo vyšší{0}}kapacitou.

Pokud bychom jednoduše přidali více ventilátorů a zvýšili proudění vzduchu, problémy, jako je návrh vnitřní dráhy proudění vzduchu, rozměry chladiče, hladina hluku a prostorová omezení skříně, by se staly významnými výzvami.

 

Naproti tomu systémy kapalinového chlazení využívají chladicí desky a cirkulační smyčky k odběru tepla přímo z blízkosti součástek produkujících teplo-, čímž nabízejí větší flexibilitu designu pro zařízení s vysokou hustotou výkonu.

 

2. Usnadňuje nabíjení-vysokým proudem

Nabíjecí výkon lze jednoduše vyjádřit jako:

 

P = U × I

 

Jinými slovy, pro dané napětí vyžaduje zvýšení nabíjecího výkonu vyšší proud.

Se zvyšujícím se proudem je však tvorba tepla ve vodičích, kabelech a konektorech výraznější.

 

 

U projektů s následujícími charakteristikami by měla být upřednostněna řešení chlazení kapalinou:

 

1. Silniční ultra-rychlé nabíjecí stanice

Dálniční obslužné oblasti obvykle vyžadují krátké doby zdržení vozidla, což vytváří vysoký požadavek na schopnost rychlého doplňování energie.

Když se nabíjí více vozidel současně, nabíjecí zařízení může pracovat pod vysokým zatížením po delší dobu, což klade větší nároky na systémy tepelného managementu.

 

2. Užitkové a logistické vozové parky

Logistická vozidla obvykle fungují podle definovaných harmonogramů se specifickými okny pro dobíjení.

U vozových parků, které vyžadují rychlou obrátku, může-nabíjení stejnosměrným proudem s vysokým výkonem pomoci minimalizovat čas, který vozidla stráví u nabíjecích stanic.

Americké ministerstvo energetiky také poznamenalo, že stejnosměrné rychlé nabíjení je vhodné pro určité aplikace vozového parku, kde se vozidla potřebují dobíjet během krátkých zastávek.

 

3. Autobusy a těžká-elektrická vozidla

Autobusy, nákladní auta, přístavní vozidla a další komerční elektrická vozidla mají obvykle velkou kapacitu baterií; v důsledku toho může nabíjecí infrastruktura vyžadovat vyšší výkon a schopnost nepřetržitého provozu po delší dobu.

S rozvojem-standardů a systémů nabíjení s vysokým výkonem-jako je MCS-vznikl význam technologie kapalinového chlazení v aplikacích vysokonabíjecího-nabíjení.

 

4. Nabíjecí stanice s vysokým-vytížením

Pokud je potřeba, aby nabíjecí stanice obsluhovala velký počet vozidel nepřetržitě po celý den, skutečné provozní zatížení zařízení může být mnohem vyšší, než jaké se vyskytuje v typických kancelářských nebo obytných prostředích.

 

 

Vzhledem k tomu, že poptávka po nabíjení nových energetických vozidel neustále roste, vyvíjejí se systémy vysokoenergetického nabíjení-v několika klíčových směrech.

 

1. Vyšší výkon

Nabíjecí systémy se posouvají od tradičních nižších úrovní výkonu ke kapacitám stovek kilowattů nebo dokonce k rozsahu megawattů (MW).

 

2. Vyšší hustota výkonu

Konfigurace více napájecích modulů v rámci stejné plochy rozvaděče klade vyšší požadavky na tepelný management a konstrukční řešení.

 

3. Modularita

Modulární napájecí skříně umožňují konfiguraci různého počtu napájecích modulů na základě požadavků projektu a zároveň usnadňují údržbu a škálovatelnost napájení.

 

4. Inteligentní přidělování energie

Budoucí nabíjecí stanice nebudou nutně dodávat pevnou energii každému vozidlu; místo toho bude energie dynamicky přidělována na základě faktorů, jako je stav nabití vozidla (SOC), požadavky na nabíjení- v reálném čase a zatížení ostatních nabíjecích terminálů.

 

V současné době již systémy distribuovaného nabíjení třídy 600 kW-využívají dynamické přidělování výkonu, což umožňuje více vozidlům sdílet centralizovanou rozvodnou skříň.

 

5. Rozšířená aplikace technologie kapalinového chlazení

Technologie kapalinového chlazení, poháněná potřebou vyššího výkonu a proudu, se rozšíří za hranice napájecích skříní a bude se stále více používat u komponent, jako jsou nabíjecí pistole, kabely a konektory.