I veicoli elettrici (EV) esistono da quando esistono quelli a benzina, ma sono passati solo pochi anni da quando hanno compiuto notevoli progressi nella sostituzione dei veicoli tradizionali. Si stanno compiendo molti sforzi per rendere i veicoli elettrici predominanti sulle strade il più presto possibile. L'UE ha imposto espressamente il divieto dei veicoli a combustione interna entro il 2035, dimostrando la serietà delle sue intenzioni. Grazie ai notevoli progressi tecnologici e al significativo sostegno da parte del governo, si prevede che la domanda di veicoli elettrici salirà vertiginosamente. Man mano che i veicoli elettrici diventano il mezzo di trasporto predominante, è fondamentale per l'economia globale migliorare la durata della batteria e la velocità della ricarica. L'evoluzione dei sistemi di ricarica per i veicoli elettrici necessiterà anche di progressi in diversi settori, incluso quello della gestione termica.
Caricabatterie CA e CC per veicoli elettrici
Man mano che aumenta la necessità di caricabatterie più veloci, ci sono stati alcuni cambiamenti sostanziali, uno di questi è la tendenza verso i caricabatterie CC. Tutti i sistemi di batterie funzionano con elettricità CC, ma la differenza principale sta dove la potenza attuale viene raddrizzata da CA a CC. I caricabatterie CA tradizionali, comunemente utilizzati in ambienti residenziali o commerciali, fungono da connettori che regolano e controllano il flusso di corrente CA al veicolo, ma consentono poi di effettuare la rettifica a bordo del veicolo elettrico stesso. I caricabatterie CC, invece, eseguono la rettifica all'esterno in un'unità di ricarica fissa e forniscono energia CC ad alta tensione direttamente al veicolo. Questo cambiamento elimina molti vincoli di peso e dimensioni riposizionando l'hardware di condizionamento della potenza all'esterno del veicolo elettrico, poiché il circuito di ricarica non è un dispositivo mobile né parte integrante del veicolo.
Figura 1: I caricabatterie CC sono notevolmente più veloci, ma sono anche più complessi e generano più calore (fonte dell'immagine: CUI Devices)
Rimuovendo questi vincoli, i caricabatterie CC possono essere più complessi e utilizzare componenti più grandi, migliorando il flusso della corrente e la tensione operativa. Tuttavia, questi caricabatterie che consumano più energia generano una quantità di calore significativa. Sebbene filtri e resistori contribuiscano a generare calore, il dissipatore di calore principale nei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici è il transistor bipolare a gate isolato (IGBT), un dispositivo a semiconduttore sempre più utilizzato negli ultimi decenni. Il raffreddamento efficace degli IGBT rappresenta una sfida significativa nei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici.
Generatori di calore a semiconduttori e soluzioni di gestione termica
L'IGBT, un ibrido tra un transistor a effetto di campo (FET) e un transistor a giunzione bipolare (BJT), è molto apprezzato nelle applicazioni ad alta potenza come i caricabatterie per veicoli elettrici. La struttura degli IGBT li rende in grado di resistere a tensioni elevate, presentando al contempo una bassa resistenza in conduzione, alte velocità di commutazione e una notevole robustezza termica. Tuttavia, sebbene possano sopravvivere alle alte temperature (170 °C, rispetto ai soli 105 °C della maggior parte delle moderne unità di elaborazione centrale (CPU) dei computer), senza un adeguato raffreddamento possono facilmente superare i 170 °C. Il loro utilizzo nella maggior parte dei circuiti di ricarica comporta frequenti commutazioni degli IGBT, che generano una notevole quantità di calore. L'attuale sfida termica è infatti legata all'aumento esponenziale della dissipazione termica degli IGBT, dagli 1,2 kW di trent'anni fa ai 12,5 kW di oggi, con ulteriori incrementi previsti. Come è possibile vedere in questo grafico, l'aumento della potenza per centimetro quadrato di superficie è stato enorme e può essere meglio paragonato alla potenza relativamente bassa delle moderne CPU, pari a 0,18 kW o solo 7 kW per centimetro quadrato.
Figura 2: La densità di potenza degli IGBT è aumentata a passi da gigante (fonte dell'immagine: CUI Devices)
Un raffreddamento efficace degli IGBT è favorito da due fattori: la loro maggiore superficie e la loro capacità di funzionare a temperature più elevate. Questa maggiore superficie li rende più adatti a una delle soluzioni di gestione termica più affidabili disponibili: una combinazione di dissipatori di calore e aria forzata. I dissipatori di calore riducono significativamente la resistenza termica tra l'IGBT e l'aria dell'ambiente, mentre l'aria forzata fornita da una ventola, a differenza della convezione naturale, riduce ulteriormente la resistenza termica. In alcuni casi, viene preso in considerazione il raffreddamento a liquido e, sebbene le opzioni di raffreddamento a liquido possano ridurre ulteriormente la resistenza termica, l loro maggior costo e la complessità più elevata rendono più desiderabile la soluzione del raffreddamento diretto con dissipatori di calore e ventole. La ricerca più attiva degli ingegneri termici è incentrata sul miglioramento delle tecnologie di raffreddamento ad aria per gli IGBT. Infatti, presso CUI Devices abbiamo sviluppato dissipatori di calore che misurano fino a 950 x 350 x 75 mm, progettati specificamente per affrontare le sfide termiche delle applicazioni di ricarica dei veicoli elettrici.
Figura 3: I dissipatori di calore e le ventole rappresentano una soluzione efficace di gestione del calore per gli IGBT (fonte dell'immagine: CUI Devices)
Posizionamento dei componenti e monitoraggio termico
L'efficienza dei sistemi di raffreddamento è determinata dal posizionamento strategico dei componenti per ottimizzare il flusso d'aria e massimizzare la distribuzione del calore. Una spaziatura inadeguata tra i componenti riduce il flusso d'aria e limita le dimensioni dei dissipatori di calore che possono essere utilizzati. Pertanto, i componenti critici che generano calore dovrebbero essere posizionati strategicamente all'interno del sistema per facilitare un raffreddamento complessivo efficiente. Sebbene sia importante concentrarsi sui componenti che generano più calore, è necessario che nell'analisi venga considerato l'intero sistema, soprattutto perché, come gli IGBT, molti dispositivi a semiconduttore di supporto non resistono a temperature estremamente elevate.
Allo stesso modo, il posizionamento dei sensori termici è fondamentale per un'efficace gestione termica. Nei sistemi di grandi dimensioni come i caricabatterie per veicoli elettrici CC, il monitoraggio della temperatura in tempo reale è altamente raccomandato poiché consente una gestione termica attiva. Le regolazioni automatiche dei meccanismi di raffreddamento, come la velocità della ventola o anche la limitazione della potenza del caricabatterie, si basano tutte su letture della temperatura che ottimizzano le prestazioni e prevengono il surriscaldamento. Tuttavia, la precisione di queste regolazioni dipende dalla qualità dei dati di input forniti dai sensori di temperatura opportunamente posizionati.
Fattori esterni e ambientali
Le stazioni di ricarica mobili per veicoli elettrici sono spesso installate all'aperto, pertanto devono essere progettate per poter affrontare diverse condizioni ambientali. Contenitori resistenti alle intemperie che forniscono un'adeguata ventilazione per ottimizzare il raffreddamento, fornendo allo stesso tempo protezione da elementi come pioggia e temperature estreme, sono essenziali per proteggere le stazioni di ricarica da condizioni termiche non ottimali. Un altro fattore da considerare è il riscaldamento solare dovuto ai raggi solari che colpiscono i contenitori dei caricabatterie. Questo è un problema significativo perché aumenta notevolmente la temperatura ambiente interna. Fortunatamente, un'ombreggiatura efficace con un flusso d'aria adeguato tra l'ombra e l'unità di ricarica può ridurre significativamente la temperatura ambiente del caricabatterie ed è un modo relativamente semplice per risolvere il problema.
Figura 4: Proteggere i caricabatterie dalla luce solare diretta è un modo economico ed efficace per controllare le temperature (fonte dell'immagine: CUI Devices)
Cosa ci riserva il futuro
Negli ultimi anni, l'adozione di veicoli elettrici è aumentata a livello globale e la domanda continua a crescere insieme ai progressi tecnologici. Con la crescente diffusione dei veicoli elettrici sulle strade, il concomitante aumento delle infrastrutture di ricarica è inevitabile. Come ha dimostrato il passato, è importante investire in anticipo nelle infrastrutture, dal momento che potrebbe essere difficile aggiornarle in seguito. Si prevede che non solo il numero di veicoli elettrici e caricabatterie aumenterà, ma anche le tecnologie alla base di essi continueranno a migliorare. Considerando i potenziali aumenti della potenza e della capacità di ricarica, l'evoluzione degli standard software e hardware e l'anticipazione di cambiamenti imprevisti, i sistemi di gestione termica devono adattarsi alle mutevoli richieste nel tempo. Attraverso una corretta progettazione di caricabatterie di alta qualità, efficaci, facilmente aggiornabili ed efficienti dal punto di vista energetico, la soluzione alle esigenze di ricarica dei veicoli elettrici non sarà rilevante solo per oggi, ma anche per gli anni a venire.
I caricabatterie per veicoli elettrici presentano gli stessi problemi fondamentali di gestione termica di altri dispositivi elettronici ad alta densità e ad alta potenza. L'elevata densità di potenza degli IGBT e le crescenti richieste loro poste presentano sfide uniche. Per supportare la continua crescita delle velocità di ricarica e delle capacità delle batterie, è necessario migliorare la progettazione dei caricabatterie per renderli più sicuri ed efficienti, pertanto sia agli ingegneri elettrici che agli ingegneri della gestione termica si richiede di essere innovativi. La gamma di componenti di gestione termica di CUI Devices e i servizi di progettazione termica leader del settore sono qui per affrontare queste sfide a testa alta!