Solutions de gestion thermique pour la recharge des véhicules électriques

Avec un nombre croissant de véhicules électriques sur les routes, la construction de stations de recharge progresse rapidement. Des vitesses de recharge plus rapides sont devenues un axe clé du développement des stations de recharge.

Des chargeurs fonctionnels et efficaces sont cruciaux pour la formation active d'une infrastructure de recharge. Cependant, des vitesses de recharge plus rapides génèrent également des niveaux de chaleur plus élevés, posant des défis à la sécurité du processus de recharge. Dans cet article, découvrez-en plus sur le développement de la technologie de recharge des véhicules électriques et l'importance des systèmes de refroidissement pour la dissipation de la chaleur pendant la recharge, ainsi que des solutions de gestion thermique pour votre conception.

Technologies de gestion thermique de nouvelle génération pour la recharge de véhicules électriques

As electric vehicles become a primary mode of transportation, battery range and even faster charging speeds will become integral components of global economic viability. The improvement of these electric vehicle charging systems requires advancements in multiple areas of technology, including thermal management.
 
With the growing demand for faster chargers, various changes are taking place in implementation methods. One notable change is the shift towards direct current (DC) chargers, which might sound confusing since all battery systems operate on DC. However, the crucial distinction lies in where the power conversion from alternating current (AC) to DC occurs. In typical residential applications, the most common approach involves conventional AC chargers used for communication, filtering, and controlling the flow of AC power to the vehicle, after which the onboard DC charger rectifies the power and charges the battery. In contrast, DC chargers rectify the power before transmitting it as high-voltage DC to the vehicle. One significant advantage of DC chargers is the ability to eliminate many weight and size constraints by relocating power conditioning hardware from the electric vehicle to an external structure.
 
With the elimination of weight and size constraints, DC chargers can easily integrate more components, thereby enhancing current throughput and operating voltage. These chargers utilize cutting-edge semiconductor devices, filters, and power resistors for power rectification, all of which generate significant amounts of heat. While filters and resistors contribute notable amounts of heat, the primary source of heat in electric vehicle charging systems is the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), a semiconductor device widely used over the past few decades. This powerful device has brought many opportunities to the charging domain, but adequately cooling it remains a significant challenge.
 
IGBTs are essentially a cross between a FET and a BJT, capable of withstanding high voltages, low on-resistance, fast switching speeds, and remarkable heat tolerance, making them well-suited for high-power applications like electric vehicle chargers. Because IGBTs serve as rectifiers or inverters in these charging circuits, they switch frequently, generating substantial heat. The thermal challenge today is that the heat dissipation requirement for IGBTs has increased from 1.2 kW three decades ago to over 12.5 kW today, a more than tenfold increase, and this demand is expected to continue rising.
 
There are two factors that contribute to the cooling of IGBTs. First, the surface area of IGBTs is approximately twice that of a CPU. Second, they can operate at higher temperatures, with an operating temperature of 170°C compared to modern CPUs, which typically operate at around 105°C. However, the most direct and reliable thermal management solution is a combination of heat sinks and forced ventilation.
 
The thermal resistance within semiconductor devices like IGBTs is typically very low, while the thermal resistance between the device and surrounding air is relatively high. Adding a heat sink greatly increases the surface area available for dissipating heat into the surrounding air, reducing thermal resistance. Furthermore, moving air over the heat sink further enhances its efficiency. The advantage of this simple cooling system is that, when installed correctly, passive heat sinks will never fail, and fans are a mature and highly refined technology, known for their reliability.

Techniques de placement des composants du système de refroidissement et de surveillance thermique

Un composant essentiel de tout système de refroidissement est la manière dont les composants sont disposés pour optimiser le flux d'air et maximiser la dissipation de chaleur. Un espacement insuffisant entre les composants peut restreindre le flux d'air et limiter la taille des dissipateurs thermiques disponibles. Par conséquent, les composants critiques générant de la chaleur doivent être stratégiquement placés dans le système afin de faciliter un refroidissement global efficace.   Bien qu’un placement minutieux des composants générant de la chaleur soit nécessaire, l’emplacement des capteurs thermiques est tout aussi important. Dans de grands systèmes comme les chargeurs de véhicules électriques en courant continu, un système de contrôle utilisé pour surveiller les niveaux de température en temps réel peut permettre une gestion thermique active. Ajuster automatiquement les mécanismes de refroidissement en fonction des relevés de température peut optimiser les performances et prévenir les surchauffes en limitant la sortie de courant ou en adaptant la vitesse des ventilateurs. Cependant, ces ajustements automatiques dépendent de la qualité des données d’entrée. Si les capteurs de température sont placés de manière incorrecte, la réponse du système sera en conséquence inexacte.   Les stations de recharge pour véhicules électriques sont généralement installées en extérieur, exposées à diverses conditions environnementales. Concevoir des boîtiers étanches aux intempéries avec une ventilation adéquate pour résister à la pluie et aux températures extrêmes est crucial pour maintenir des conditions thermiques optimales. La conception des chemins de flux d'air et des évents doit empêcher la pénétration d'eau tout en ne restreignant pas la circulation de l'air.   Un des facteurs externes les plus préoccupants est la chaleur solaire générée par la lumière du soleil frappant l'enveloppe du chargeur, ce qui peut augmenter considérablement les températures internes. Bien qu'il s'agisse d'une préoccupation légitime, les solutions les plus efficaces impliquent souvent des approches simples mais directes. Utiliser des dispositifs d’ombrage soigneusement conçus et s’assurer d’une circulation d’air suffisante entre le dispositif d’ombrage et l’unité de charge peut réduire significativement la température environnementale autour du chargeur.

Ventilateurs CC et soufflantes centrifuges avec des options polyvalentes et des caractéristiques personnalisées

Same Sky propose une gamme diversifiée de ventilateurs DC et de soufflantes centrifuges adaptés à divers besoins de refroidissement. Leur gamme comprend des ventilateurs axiaux et des soufflantes centrifuges avec des tailles de cadre allant de 20 à 172 mm et un flux d'air de 0,33 à 382 CFM. Ces ventilateurs DC de Same Sky sont fournis en standard avec une protection de redémarrage automatique et utilisent des roulements à billes, des roulements à palier lisse ou une construction avancée du système omniCOOL™ de Same Sky. Ils offrent également diverses options et fonctionnalités de personnalisation, ce qui en fait des solutions de refroidissement par convection forcée idéales pour la dissipation de chaleur dans divers contextes.   Les ventilateurs axiaux DC de Same Sky sont conçus pour des tensions de 5, 12, 24 et 48 Vdc et disposent d'options pour les signaux de tachymètre, de détecteur de rotation et de contrôle par signal PWM. Ils peuvent atteindre une vitesse pouvant aller jusqu'à 25 000 tr/min et sont disponibles en modèles avec des indices de protection IP68, adaptés aux environnements difficiles.   Same Sky propose des soufflantes centrifuges avec des tailles de cadre allant de 35 à 120 mm. Ces soufflantes intègrent des roulements à billes, des roulements à palier lisse ou une construction du système omniCOOL™, avec des tensions nominales de 5, 12 et 24 Vdc. Elles sont équipées d'une protection de redémarrage automatique et offrent un flux d'air de 0,57 à 44,2 CFM, avec différentes options de vitesse jusqu'à 20 000 tr/min, les rendant idéales pour les applications à haute contre-pression.

Le meilleur dissipateur thermique pour les systèmes de convection naturelle ou de refroidissement par air forcé

Same Sky propose une gamme de dissipateurs thermiques adaptés aux conceptions au niveau des cartes et aux grilles à billes (BGA). Leurs dissipateurs thermiques en aluminium et en cuivre sont compatibles avec les boîtiers de transistors TO-218, TO-220, TO-252 et TO-263, ainsi qu'avec les boîtiers BGA. Ces dissipateurs thermiques mesurent commodément la résistance thermique dans quatre conditions, vous aidant à choisir facilement le meilleur dissipateur thermique pour les systèmes de convection naturelle ou de refroidissement par air forcé.   Les types de dissipateurs thermiques de Same Sky incluent des dissipateurs thermiques pour BGA et pour cartes. Leurs dissipateurs thermiques pour BGA sont compatibles avec les dispositifs BGA, fabriqués en aluminium ou en cuivre, et disponibles avec une finition anodisée noire ou propre, avec des options de montage adhésif ou sur PCB. Les dissipateurs thermiques pour BGA de Same Sky prennent en charge une variété de tailles allant de 8,5 x 8,5 mm à 69,7 x 69,7 mm, avec des hauteurs de 5 à 25 mm. Mesurés sous quatre conditions de résistance thermique, les dissipateurs thermiques pour BGA de Same Sky ont des capacités de dissipation de puissance allant de 1,92 à 21,74 W à 75°C.   Les dissipateurs thermiques pour cartes de Same Sky sont conçus avec diverses extrusions standard et estampages, compatibles avec les boîtiers de transistors TO-218, TO-220, TO-252 et TO-263. Ces dissipateurs thermiques sont fabriqués en aluminium ou en cuivre et présentent des finitions en anodisé noir, anodisé bleu ou étamé. Ils prennent en charge une gamme de formes et de tailles standard de 8 mm à 70 mm, ainsi que des profils de 4 mm à 45 mm.   Les dissipateurs thermiques pour cartes de Same Sky peuvent être classés en deux catégories : les dissipateurs thermiques extrudés et les dissipateurs thermiques estampés. Les dissipateurs thermiques extrudés de Same Sky offrent des structures d'ailettes en aluminium avec de plus grandes surfaces pour améliorer la dissipation thermique dans les applications à haute puissance. Lorsqu'ils sont mesurés sous quatre conditions de résistance thermique, ces dissipateurs extrudés ont des capacités de dissipation de puissance allant de 1,93 à 16,7 W à 75°C. Les dissipateurs extrudés de Same Sky sont fabriqués en aluminium et présentent une finition anodisée noire ou bleue, compatibles avec les boîtiers de transistors TO-218 et TO-220.   Les dissipateurs thermiques estampés de Same Sky sont fabriqués en aluminium ou en cuivre et présentent des finitions en anodisé noir ou étamé, ce qui les rend idéaux pour les applications de refroidissement des PCB à basse puissance. Ces dissipateurs thermiques estampés prennent en charge divers boîtiers de transistors avec des dimensions allant de 8 à 50,8 mm en largeur et de 4 à 25,4 mm en hauteur. Lorsqu'ils sont mesurés sous quatre conditions de résistance thermique, ces dissipateurs ont des capacités de dissipation de puissance allant de 2,1 à 10,29 W à 75°C.

Conclusion

À mesure que le nombre de véhicules électriques et de chargeurs continue de croître, les technologies sur lesquelles ils reposent évolueront et s’amélioreront également. Compte tenu de l'augmentation potentielle de la puissance et de la capacité de charge, il est essentiel de s'assurer que les systèmes de gestion thermique peuvent s'adapter aux demandes changeantes avec le temps. La croissance rapide de la densité de puissance des IGBT utilisés dans les chargeurs de véhicules électriques présente des défis uniques pour la gestion thermique. Les exigences pour fabriquer ces chargeurs de manière efficace et sûre deviendront de plus en plus strictes, nécessitant des niveaux de gestion thermique plus élevés que jamais. Same Sky propose une large gamme de composants de gestion thermique ainsi que des services de conception thermique de pointe dans l'industrie pour aider les clients à répondre à leurs besoins à tout moment !