Raffreddamento a liquido e raffreddamento ad aria per-armadi di ricarica CC ad alta potenza: quale tecnologia scegliere?

Poiché l'autonomia dei veicoli a nuova energia (NEV) continua ad aumentare-e con la crescente domanda di rapido rifornimento di energia nelle aree di servizio autostradali, nei parchi logistici, nei depositi di autobus e nelle stazioni di ricarica su larga scala-ad alta-potenza, la ricarica CC sta emergendo come una direzione di sviluppo chiave per l'infrastruttura di ricarica dei NEV.

 

Rispetto alle apparecchiature di ricarica standard a bassa{0}}potenza, i sistemi di ricarica CC ad alta-potenza devono trasferire più energia in meno tempo; di conseguenza, componenti come moduli di ricarica, dispositivi di potenza, sbarre collettrici, connettori e cavi di ricarica sono soggetti a carichi termici più elevati.

In questo contesto, la tecnologia di gestione termica è diventata un fattore critico nella progettazione di armadi di ricarica CC ad alta-potenza.

Attualmente, le apparecchiature di ricarica ad alta-potenza utilizzano principalmente due metodi di gestione termica:

 

· Raffreddamento ad aria
· Raffreddamento a liquido

 

Quindi, quali sono esattamente le differenze tra il raffreddamento ad aria e il raffreddamento a liquido? Perché il raffreddamento a liquido sta diventando sempre più importante nella ricarica rapida DC? E come fare la scelta giusta quando si acquistano questi armadi?

 

 

La funzione principale di un armadio di ricarica CC ad alta- potenza è convertire l'energia CA proveniente dalla rete in energia CC adatta per le batterie di trazione dei veicoli a nuova energia.

 

Il processo di conversione energetica di base può essere riassunto come segue:

 

Rete CA → Modulo di alimentazione → Uscita CC → Dispenser di ricarica → Batteria EV

 

Durante questo processo, i componenti all'interno del modulo di potenza-come dispositivi a semiconduttore, induttori, condensatori, trasformatori e altri componenti elettronici di potenza-generano calore.

 

Anche se i moderni moduli di ricarica vantano un'elevata efficienza di conversione, nei sistemi di ricarica che funzionano a livello di centinaia-di-kilowatt, anche una piccola percentuale di perdita di efficienza può comportare un carico termico assoluto significativo.

 

Ad esempio, quando un sistema di ricarica ad alta-potenza fornisce continuamente centinaia di kilowatt di potenza, il calore generato dalle perdite interne deve essere continuamente dissipato; in caso contrario, potrebbero verificarsi i seguenti problemi:

 

· Aumento della temperatura dei componenti di potenza
· Efficienza di carica ridotta
· Limitazioni della potenza in uscita
· Durata della vita dei componenti compromessa
· Attivazione di meccanismi di protezione del sistema
· Stabilità ridotta durante il funzionamento prolungato

 

Pertanto, per un armadio di ricarica CC ad alta-potenza, il sistema di raffreddamento non è semplicemente un componente ausiliario ma un elemento critico che determina la capacità di uscita sostenuta dell'apparecchiatura.

 

 

Un armadio di ricarica CC raffreddato ad aria- utilizza l'aria come mezzo di raffreddamento per dissipare il calore generato all'interno dell'apparecchiatura nell'ambiente circostante tramite componenti quali ventole, dissipatori di calore e condotti dell'aria.

 

Un tipico sistema raffreddato ad aria-di solito include:

 

·Ventola di raffreddamento
· Radiatore
· Condotto dell'aria
· Filtro dell'aria
· Sensore di temperatura
· Struttura di ventilazione

 

Il suo principio di funzionamento fondamentale è:

 

Generazione di calore → Dissipatore di calore → Flusso d'aria forzato → Dissipazione del calore → Aria ambiente

 

Le ventole convogliano l'aria attraverso i moduli di potenza e i dissipatori di calore, trasportando il calore fuori dall'apparecchiatura.

Questo approccio presenta un design relativamente maturo e rimane estremamente pratico per apparecchiature e applicazioni di ricarica CC di media-potenza con condizioni ambientali adeguate.

 

 

Un armadio di ricarica CC raffreddato a liquido- utilizza un liquido refrigerante come mezzo di trasferimento del calore.

 

Rispetto all'aria, il liquido che circola attraverso un circuito di raffreddamento appositamente progettato può trasferire in modo più efficace il calore generato all'interno dell'apparecchiatura ad uno scambiatore di calore per la successiva dissipazione nell'ambiente.

 

Un tipico sistema raffreddato a liquido-può includere:

 

· Pompa del liquido di raffreddamento
· Piastra di raffreddamento
· Scambiatore di calore
· Radiatore
· Serbatoio del liquido refrigerante
· Sensore di temperatura
· Sensore di flusso
· Sistema di monitoraggio della pressione

 

Il processo operativo di base può essere riassunto come:

 

Modulo di potenza → Piastra di raffreddamento → Liquido refrigerante → Scambiatore di calore → Radiatore → Dissipazione del calore

 

Nei sistemi di ricarica ad alta-potenza, la tecnologia di raffreddamento a liquido può essere applicata non solo ai moduli di potenza all'interno dell'armadio ma anche a cavi e connettori di ricarica ad alta-corrente.

 

Ad esempio, i dati di settore disponibili al pubblico mostrano sistemi di ricarica distribuiti-con un quadro elettrico da 600 kW abbinato a cavi di ricarica-raffreddati a liquido da 500 A-progettati per supportare la ricarica simultanea di più veicoli allocando dinamicamente la potenza in base alla-domanda del veicolo in tempo reale.

 

 

1. Più adatto per progetti ad alta densità di potenza

Poiché la potenza di ricarica CC continua ad aumentare, gli armadietti di ricarica richiedono l'installazione di moduli elettronici di potenza di capacità maggiore o maggiore-.

Se si aggiungessero semplicemente più ventole e si aumentasse il flusso d'aria, questioni come la progettazione del percorso del flusso d'aria interno, le dimensioni del dissipatore di calore, i livelli di rumore e i vincoli di spazio nell'armadio diventerebbero sfide significative.

 

Al contrario, i sistemi di raffreddamento a liquido utilizzano piastre di raffreddamento e circuiti di circolazione per estrarre il calore direttamente dalle vicinanze dei componenti che generano calore,-offrendo così una maggiore flessibilità di progettazione per apparecchiature ad alta densità di potenza.

 

2. Facilita la ricarica ad alta-corrente

La potenza di carica può essere semplicemente espressa come:

 

P = U × I

 

In altre parole, per una data tensione, l’aumento della potenza di carica richiede una corrente maggiore.

Tuttavia, con l’aumento della corrente, la generazione di calore nei conduttori, nei cavi e nei connettori diventa più pronunciata.

 

 

Le soluzioni di raffreddamento a liquido dovrebbero avere la priorità per i progetti con le seguenti caratteristiche:

 

1. Stazioni di ricarica ultra-veloce in autostrada

Le aree di servizio autostradali richiedono in genere brevi tempi di sosta dei veicoli, creando una forte domanda di capacità di rifornimento rapido di energia.

Quando più veicoli si caricano contemporaneamente, le apparecchiature di ricarica possono funzionare con carichi elevati per periodi prolungati, ponendo maggiori esigenze sui sistemi di gestione termica.

 

2. Flotte di veicoli commerciali e logistiche

I veicoli logistici operano solitamente secondo orari definiti con finestre specifiche per la ricarica.

Per le flotte che richiedono tempi di consegna rapidi, la ricarica CC ad alta-potenza può aiutare a ridurre al minimo il tempo trascorso dai veicoli nelle stazioni di ricarica.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha inoltre notato che la ricarica rapida DC è adatta per alcune applicazioni di flotte in cui i veicoli devono ricaricarsi durante brevi soste.

 

3. Autobus e veicoli elettrici-pesanti

Autobus, camion, veicoli portuali e altri veicoli elettrici commerciali sono generalmente dotati di batterie di grande capacità; di conseguenza, le infrastrutture di ricarica potrebbero richiedere una maggiore potenza in uscita e la capacità di funzionare continuamente per periodi più lunghi.

Con lo sviluppo di standard e sistemi di ricarica ad alta potenza--come MCS-l'importanza della tecnologia di raffreddamento a liquido nelle applicazioni di ricarica ad alta-corrente è diventata sempre più significativa.

 

4. Stazioni di ricarica ad-utilizzo elevato

Se è necessaria una stazione di ricarica per servire un gran numero di veicoli ininterrottamente durante il giorno, il carico operativo effettivo dell'apparecchiatura potrebbe essere molto superiore a quello riscontrato nei tipici uffici o ambienti residenziali.

 

 

Poiché la domanda di ricarica dei veicoli a nuova energia continua ad aumentare, i sistemi di ricarica ad alta-potenza si stanno evolvendo in diverse direzioni chiave.

 

1. Potere superiore

I sistemi di ricarica si stanno spostando dai tradizionali livelli di potenza più bassi verso capacità di centinaia di kilowatt o addirittura della gamma dei megawatt (MW).

 

2. Maggiore densità di potenza

La configurazione di più moduli di potenza all'interno dello stesso ingombro dell'armadio pone maggiori esigenze in termini di gestione termica e progettazione strutturale.

 

3. Modularità

Gli armadi di potenza modulari consentono la configurazione di un numero variabile di moduli di potenza in base ai requisiti del progetto, facilitando al tempo stesso la manutenzione e la scalabilità della potenza.

 

4. Allocazione intelligente della potenza

Le future stazioni di ricarica non forniranno necessariamente energia fissa a tutti i veicoli; l'energia verrà invece allocata dinamicamente in base a fattori quali lo stato di carica (SOC) del veicolo, le richieste di ricarica in tempo reale-e il carico su altri terminali di ricarica.

 

Attualmente, i sistemi di ricarica distribuita di classe- da 600 kW utilizzano già l'allocazione dinamica della potenza, consentendo a più veicoli di condividere un quadro elettrico centralizzato.

 

5. Applicazione ampliata della tecnologia di raffreddamento a liquido

Spinta dalla necessità di maggiore potenza e corrente, la tecnologia di raffreddamento a liquido si estenderà oltre i quadri elettrici per essere sempre più applicata a componenti come pistole di ricarica, cavi e connettori.