Vätskekylning vs. luftkylning för hög-likströmsladdningsskåp: Vilken teknik ska du välja?

I takt med att räckvidden för nya energifordon (NEV) fortsätter att öka-och med den växande efterfrågan på snabb energipåfyllning vid motorvägsserviceområden, logistikparker, bussdepåer och storskaliga laddstationer, framträder -hög-likströmsladdning som en nyckelutvecklingsriktning för NEV.

 

Jämfört med standard laddningsutrustning med-låg effekt måste likströmsladdningssystem med hög-effekt överföra mer energi på kortare tid. Följaktligen utsätts komponenter som laddningsmoduler, kraftenheter, samlingsskenor, kontakter och laddningskablar för högre termiska belastningar.

Mot denna bakgrund har termisk hanteringsteknik blivit en kritisk faktor vid utformningen av hög- DC-laddningsskåp.

För närvarande använder hög-laddningsutrustning i första hand två termiska hanteringsmetoder:

 

· Luftkylning
· Vätskekylning

 

Så, exakt vad är skillnaderna mellan luftkylning och vätskekylning? Varför blir flytande kylning allt viktigare vid DC-snabbladdning? Och hur ska man göra rätt val när man köper dessa skåp?

 

 

Kärnfunktionen hos ett högeffekts-likströmsladdningsskåp är att omvandla växelström från nätet till likström som lämpar sig för dragbatterier i nya energifordon.

 

Den grundläggande energiomvandlingsprocessen kan sammanfattas enligt följande:

 

AC Grid → Power Module → DC Output → Laddningsautomat → EV-batteri

 

Under denna process genererar komponenter i kraftmodulen-som halvledarenheter, induktorer, kondensatorer, transformatorer och annan kraftelektronik-värme.

 

Även om moderna laddningsmoduler har hög omvandlingseffektivitet, i laddningssystem som arbetar på hundratals--kilowattnivå, kan även en liten procentandel av effektivitetsförlusten resultera i en betydande absolut termisk belastning.

 

Till exempel, när ett laddningssystem med hög-effekt kontinuerligt levererar hundratals kilowatt effekt, måste värmen som genereras av interna förluster kontinuerligt avledas; annars kan följande problem uppstå:

 

· Stigande temperaturer på kraftkomponenter
· Minskad laddningseffektivitet
· Begränsningar för uteffekt
· Komprometterad komponentlivslängd
· Aktivering av systemskyddsmekanismer
· Minskad stabilitet under långvarig drift

 

Därför, för ett likströmsladdningsskåp med hög -effekt, är kylsystemet inte bara en extra komponent utan ett kritiskt element som bestämmer utrustningens kontinuerliga uteffekt.

 

 

Ett luft-kylt DC-laddningsskåp använder luft som kylmedium för att sprida värme som genereras inuti utrustningen till den omgivande miljön via komponenter som fläktar, kylflänsar och luftkanaler.

 

Ett typiskt luft-kylt system inkluderar vanligtvis:

 

·Kylfläkt
· Kylfläns
· Luftkanal
· Luftfilter
· Temperatursensor
· Ventilationsstruktur

 

Dess grundläggande funktionsprincip är:

 

Värmegenerering → Kylfläns → Forcerat luftflöde → Värmeavledning → Omgivande luft

 

Fläktar driver luft över kraftmoduler och kylflänsar och transporterar värme ut ur utrustningen.

Det här tillvägagångssättet har en relativt mogen design och förblir mycket praktiskt för likströmsladdningsutrustning för medium-effekt och applikationer med lämpliga miljöförhållanden.

 

 

Ett vätskekylt-likströmsladdningsskåp använder en kylvätska som värmeöverföringsmedium.

 

Jämfört med luft kan vätska som cirkulerar genom en specialdesignad kylslinga mer effektivt överföra värme som genereras inuti utrustningen till en värmeväxlare för efterföljande avledning till miljön.

 

Ett typiskt vätskekylt-system kan innefatta:

 

· Kylvätskepump
· Kylplatta
· Värmeväxlare
· Kylare
· Kylmedelsbehållare
· Temperatursensor
· Flödessensor
· Tryckövervakningssystem

 

Den grundläggande driftprocessen kan sammanfattas som:

 

Effektmodul → Kylplatta → Kylvätska → Värmeväxlare → Kylare → Värmeavledning

 

I laddningssystem med högre-effekt kan vätskekylningsteknik tillämpas inte bara på kraftmodulerna inuti skåpet utan även på hög-laddningskablar och kontakter.

 

Till exempel visar allmänt tillgängliga branschdata distribuerade laddningssystem-med ett 600 kW elskåp ihopparat med 500 A vätskekylda-laddningskablar-designade för att stödja samtidig laddning för flera fordon samtidigt som kraften allokeras dynamiskt baserat på fordonsefterfrågan i realtid.-

 

 

1. Bättre lämpad för design med hög effekttäthet

Eftersom DC-laddningseffekten fortsätter att öka kräver laddningsskåp installation av fler eller högre-kraftelektronikmoduler.

Om man helt enkelt skulle lägga till fler fläktar och öka luftflödet skulle frågor som design av inre luftflödesvägar, kylflänsdimensioner, ljudnivåer och utrymmesbegränsningar i skåpet bli betydande utmaningar.

 

Däremot använder vätskekylsystem kylplattor och cirkulationsslingor för att extrahera värme direkt från närheten av värmegenererande komponenter, och erbjuder därmed större designflexibilitet för utrustning med hög effekttäthet.

 

2. Underlättar hög-strömladdning

Laddningseffekt kan enkelt uttryckas som:

 

P = U × I

 

Med andra ord, för en given spänning kräver ökad laddningseffekt högre ström.

Men när strömmen ökar blir värmegenereringen i ledare, kablar och kontakter mer uttalad.

 

 

Vätskekylningslösningar bör prioriteras för projekt med följande egenskaper:

 

1. Highway ultra-snabbladdningsstationer

Motorvägsserviceområden kräver vanligtvis korta fordonsuppehållstider, vilket skapar ett stort behov av snabba energipåfyllningsmöjligheter.

När flera fordon laddar samtidigt kan laddningsutrustning fungera under långa perioder under hög belastning, vilket ställer högre krav på värmeledningssystem.

 

2. Kommersiella fordons- och logistikflottor

Logistikfordon kör vanligtvis enligt definierade scheman med specifika fönster för laddning.

För fordonsparker som kräver snabba handläggningstider kan hög-likströmsladdning hjälpa till att minimera tiden som fordon spenderar vid laddningsstationer.

Det amerikanska energidepartementet har också noterat att DC-snabbladdning är lämplig för vissa vagnparkstillämpningar där fordon behöver laddas om under korta stopp.

 

3. Bussar och tunga-elfordon

Bussar, lastbilar, hamnfordon och andra kommersiella elfordon har vanligtvis stor batterikapacitet; följaktligen kan laddningsinfrastruktur kräva högre effekt och förmåga att fungera kontinuerligt under längre tider.

Med utvecklingen av-högströmsladdningsstandarder och -system-som MCS-har betydelsen av vätskekylningsteknik i hög-laddningstillämpningar blivit allt större.

 

4. Hög-laddningsstationer

Om en laddstation krävs för att betjäna ett stort antal fordon kontinuerligt under dagen, kan utrustningens faktiska driftsbelastning vara mycket högre än den som finns i vanliga kontors- eller bostadsmiljöer.

 

 

När efterfrågan på att ladda nya energifordon fortsätter att öka, utvecklas hög-energiladdningssystem i flera viktiga riktningar.

 

1. Högre makt

Laddningssystem växlar från traditionella, lägre effektnivåer till kapaciteter på hundratals kilowatt eller till och med megawatt (MW) intervallet.

 

2. Högre effekttäthet

Att konfigurera fler effektmoduler inom samma skåp ställer högre krav på värmehantering och strukturell design.

 

3. Modularitet

Modulära strömskåp möjliggör konfiguration av olika antal strömmoduler baserat på projektkrav, samtidigt som de underlättar underhåll och strömskalbarhet.

 

4. Intelligent krafttilldelning

Framtida laddstationer kommer inte nödvändigtvis att leverera fast ström till varje fordon; istället kommer strömmen att tilldelas dynamiskt baserat på faktorer som fordonets laddningstillstånd (SOC), laddningsbehov i realtid- och belastningen på andra laddningsterminaler.

 

För närvarande använder 600 kW-klass distribuerade laddningssystem redan dynamisk krafttilldelning, vilket gör att flera fordon kan dela ett centraliserat elskåp.

 

5. Utökad tillämpning av Liquid Cooling Technology

Driven av behovet av högre effekt och ström, kommer vätskekylningsteknik att sträcka sig bortom elskåp för att i allt högre grad tillämpas på komponenter som laddningspistoler, kablar och kontakter.