Solutions de gestion thermique pour la recharge des véhicules électriques de nouvelle génération

Bien que les véhicules électriques (VE) existent depuis aussi longtemps que les véhicules à moteur à combustion interne, ils ne sont devenus courants que ces dernières années. À mesure que les VE émergent comme le principal mode de transport, l'autonomie des batteries et les vitesses de charge plus rapides deviendront des éléments critiques pour le bon fonctionnement de l'économie mondiale. Les améliorations de ces systèmes de charge des VE nécessitent des avancées dans plusieurs domaines technologiques, y compris les solutions de gestion thermique. Cet article présente les besoins et les développements en gestion thermique pour les VE, ainsi que les solutions de gestion thermique proposées par Same Sky.  

Avec des avancées significatives dans la technologie des VE et un soutien gouvernemental important, la demande pour les VE a augmenté de façon spectaculaire. Cependant, pour accroître encore l'acceptation des VE par les consommateurs, l'autonomie et la vitesse de charge deviendront des facteurs clés dans leurs décisions d'achat.

À mesure que la demande de chargeurs plus rapides augmente, les méthodes de charge ont subi des changements, à la fois grands et petits. L'un de ces changements est le passage aux chargeurs CC. Puisque tous les systèmes de batteries utilisent le courant continu (CC), le terme "chargeur CC" peut sembler déroutant. Cependant, la différence cruciale réside dans l'endroit où la rectification du courant alternatif (CA) en CC se produit. Un chargeur CA typique, couramment utilisé dans les applications résidentielles, fonctionne comme un connecteur polyvalent responsable de la communication, de la filtration et du contrôle du flux de puissance CA vers le véhicule. Le chargeur CC embarqué rectifie ensuite la puissance et charge la batterie. En revanche, un chargeur CC effectue la rectification avant de transmettre la puissance sous forme de source CC haute tension au véhicule. Le principal avantage des chargeurs CC est qu'en déplaçant le matériel de conditionnement de puissance du VE vers une structure externe, de nombreuses contraintes de poids et de taille sont éliminées.

En supprimant ces contraintes, les chargeurs DC peuvent facilement intégrer davantage de composants, augmentant ainsi leur débit de courant et leur tension de fonctionnement. Ces chargeurs utilisent des dispositifs semiconducteurs de pointe pour la rectification, ainsi que des filtres et des résistances de puissance, tous générant une chaleur significative. Bien que les filtres et les résistances soient des sources de chaleur non négligeables, le plus grand composant dissipateur de chaleur dans les systèmes de charge de VE est le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT), un dispositif semiconducteur largement utilisé au cours des dernières décennies. Ce puissant dispositif apporte de nombreuses opportunités au domaine de la charge, mais le refroidir totalement est un défi qui ne peut être ignoré.

Les IGBTs sont essentiellement un croisement entre un transistor à effet de champ (FET) et un transistor bipolaire (BJT). En raison de leur tolérance élevée à la tension, de leur faible résistance à l'état passant, de leur vitesse de commutation rapide et de leur excellente stabilité thermique, les IGBTs sont bien adaptés aux applications à haute puissance comme les chargeurs de VE. Puisque les IGBTs sont utilisés comme redresseurs ou onduleurs dans ces circuits de charge de VE, leurs commutations fréquentes génèrent une chaleur importante.

Le défi actuel du refroidissement réside dans le fait que la dissipation thermique des IGBTs a augmenté de plus de dix fois, passant de 1,2 kW il y a trente ans à 12,5 kW aujourd'hui, avec des augmentations supplémentaires prévues. En comparaison, la dissipation thermique des CPUs les plus puissants d'aujourd'hui est d'environ 0,18 kW, soit seulement 7 kW/cm². C'est un monde de différence ! Deux facteurs aident au refroidissement des IGBTs : leur surface est environ deux fois celle d'un CPU, et ils peuvent fonctionner à des températures plus élevées allant jusqu'à 170 °C contre 105 °C pour les CPUs modernes.

La solution de gestion thermique la plus simple et la plus fiable est une combinaison de dissipateurs thermiques et de refroidissement par air forcé. La résistance thermique interne des dispositifs à semiconducteurs comme les IGBT est généralement très faible, tandis que la résistance thermique entre le dispositif et l'air environnant est relativement élevée. Ajouter un dissipateur thermique augmente considérablement la surface de dissipation de chaleur, réduisant ainsi la résistance thermique, et forcer un flux d'air sur le dissipateur thermique améliore encore son efficacité. Puisque l'interface entre le dispositif et l'air est la plus grande résistance thermique du système, minimiser cette résistance est crucial. L'avantage de ce système simple est que, s'il est correctement installé, un dissipateur thermique passif ne tombera jamais en panne, et les ventilateurs - une technologie mature et très raffinée - sont également très fiables.

Pour les sources de chaleur à haute densité comme les IGBT, des options de refroidissement liquide sont également disponibles. Les systèmes de refroidissement à eau peuvent être plus attrayants en raison de leur résistance thermique plus faible. Cependant, ils sont plus coûteux, complexes, et reposent toujours sur des dissipateurs de chaleur et des ventilateurs comme moyens principaux de dissipation thermique pour l'ensemble du système. Par conséquent, refroidir directement les IGBT avec des dissipateurs de chaleur et des ventilateurs est l'approche la plus souhaitable, et des recherches actives sont en cours pour améliorer les technologies de refroidissement par air pour les IGBT.

L'un des facteurs externes les plus préoccupants est la chaleur générée par la lumière du soleil sur le boîtier du chargeur, qui peut augmenter considérablement la température ambiante interne. Bien qu'il s'agisse d'une préoccupation valable, la solution la plus efficace est étonnamment simple : un pare-soleil bien conçu, combiné à une circulation d'air adéquate entre l'ombre et l'unité de charge. Cela réduira considérablement la température ambiante du chargeur.

Pour améliorer l'efficacité de la gestion thermique des VE, Same Sky a conçu des dissipateurs thermiques pour les applications de charge de VE, avec des dimensions personnalisées allant jusqu'à 950 x 350 x 75 mm. Ces dissipateurs thermiques sont assez grands pour gérer passivement des besoins de charge moins exigeants ou gérer activement des demandes plus élevées avec un refroidissement par air forcé.

Same Sky propose également une gamme de ventilateurs DC comprenant divers ventilateurs axiaux et soufflantes centrifuges avec des tailles de cadre allant de 20 mm à 172 mm et des débits d'air allant de 0,33 à 382 pieds cubes par minute (CFM). Les ventilateurs DC de Same Sky sont équipés en standard d'une protection avec redémarrage automatique et utilisent des roulements à billes, des paliers lisses ou l'architecture avancée omniCOOL™ de Same Sky. Avec une multitude d'options et de solutions de personnalisation, les ventilateurs DC de Same Sky sont une solution idéale de refroidissement par air forcé pour les applications EV. De plus, Same Sky propose plusieurs modèles de ventilateurs axiaux étanches classés IP68 pour les environnements hostiles.

Les ventilateurs axiaux DC de Same Sky sont évalués pour 5, 12, 24 et 48 Vdc, avec des options pour signal de tachymètre, détecteur de rotation et contrôle PWM, et peuvent atteindre des vitesses allant jusqu'à 25 000 tr/min. D'autre part, les soufflantes centrifuges de Same Sky ont des dimensions de cadre allant de 35 mm à 120 mm, sont évaluées pour 5, 12 et 24 Vdc et offrent des débits d'air de 0,57 à 44,2 CFM. Avec diverses options de vitesse jusqu'à 20 000 tr/min, ces soufflantes sont idéales pour les applications à forte contre-pression.

En plus de proposer une large gamme de composants de gestion thermique, Same Sky fournit des services de conception thermique de pointe dans l'industrie. Grâce à l'expertise de l'équipe professionnelle de gestion thermique de Same Sky, les défis de refroidissement se transforment en performance exceptionnelle. Les appareils électroniques d'aujourd'hui font face à de graves défis thermiques en raison de conceptions de plus en plus compactes, d'une densité de puissance élevée et de la demande pour une performance accrue. Les services de conception thermique à la pointe de Same Sky tirent parti des outils de simulation avancés et de décennies d'expertise pour identifier les points chauds potentiels, optimiser le flux d'air, et concevoir des systèmes de refroidissement efficaces adaptés aux besoins spécifiques des clients.

Pour la simulation thermique, Same Sky propose des services avancés de modélisation et d'analyse en dynamique des fluides numérique (CFD), libérant ainsi le potentiel de la simulation thermique pour prédire et optimiser avec précision le flux d'air, la distribution de la température et le transfert de chaleur dans votre système. De plus, comme chaque conception a des exigences de refroidissement uniques, Same Sky dispose aussi des capacités de fabrication nécessaires pour concevoir des solutions de gestion thermique sur mesure - y compris la personnalisation et l'intégration de produits - et les intégrer de manière transparente dans vos appareils.

De plus, Same Sky propose des services de consultation en gestion thermique pour maximiser l'efficacité de vos stratégies de gestion thermique. Du modélisation et de l'optimisation de PCB à l'offre d'une expertise en conception de systèmes, de boîtiers et de châssis, Same Sky s'engage à aider vos appareils à fonctionner au mieux. En outre, Same Sky offre des services de test et de validation thermique pour garantir l'exactitude et la fiabilité de vos conceptions thermiques. En validant les résultats de simulation avec des tests en conditions réelles, Same Sky vous aide à vous assurer de la performance thermique de votre appareil et à identifier et résoudre d'éventuelles divergences.

Alors que les véhicules électriques (VE) se multiplient rapidement et que la technologie de charge continue d'évoluer, la gestion thermique est devenue un facteur critique affectant l'efficacité de la charge, la sécurité et la durée de vie des batteries. Les futures solutions de gestion thermique pour la charge ne se limiteront pas à une seule méthode de refroidissement, mais combineront dissipateurs thermiques, systèmes de contrôle intelligent de la température, analyses prédictives basées sur l'AI, et d'autres technologies diverses pour relever les défis thermiques posés par la charge rapide à haute puissance. Ce n'est qu'en établissant des mécanismes de gestion thermique efficaces, intelligents et durables que le plein potentiel des systèmes de charge de VE de nouvelle génération pourra être exploité, accélérant l'adoption généralisée de la mobilité verte. Same Sky propose à la fois des composants de gestion thermique et des services de conception, permettant aux clients de développer rapidement des solutions de gestion thermique pour VE et de saisir des opportunités dans l'industrie évolutive des VE.