Gestion thermique pour les chargeurs de VE de nouvelle génération
Gestion thermique pour les chargeurs de VE de nouvelle génération
Par Jeff Smoot
Dans cet article
- Différence entre les chargeurs CA et DC de véhicules électriques
- Générateurs de chaleur et systèmes de dissipation
- Placement des composants et des capteurs thermiques
- Facteurs externes et considérations environnementales
- Regards vers le futur
Bien que les véhicules électriques existent depuis aussi longtemps que les véhicules à essence, ils ne sont devenus courants qu’au cours des dernières années. Avec des améliorations significatives dans la technologie des véhicules électriques et de nombreux soutiens gouvernementaux, la croissance de la demande de véhicules électriques a suivi une trajectoire stratosphérique. L‘interdiction des véhicules à combustion interne par l’UE en 2035 et l’exigence de bornes de recharge rapide tous les 60 kilomètres en 2025 ne sont qu’un indicateur de cette augmentation attendue de la demande. Alors que les VE deviennent un moyen de transport prédominant, l’autonomie de la batterie et une charge encore plus rapide deviendront un élément crucial de la capacité de l’économie mondiale à fonctionner. L’amélioration de ces systèmes de recharge de VE nécessitera une évolution technologique dans de multiples domaines, dont la gestion thermique.
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Différences entre les chargeurs de véhicules électriques CA et CC
Au fur et à mesure que le désir de chargeurs plus rapides augmente, il y a eu de petits changements et aussi de grands changements d’approche. L’un de ces changements a été le passage aux chargeurs à courant continu, ce qui peut être un terme déroutant car tous les systèmes de batterie fonctionnent avec de l’électricité en courant continu. Cependant, la distinction importante pour ces systèmes est que le redressement de l’alimentation du courant alternatif au courant continu se produit à des points différents. Le chargeur CA stéréotypé, tel qu’on le voit le plus souvent dans les applications résidentielles, est un connecteur glorifié qui communique, filtre et contrôle le flux d’alimentation CA vers le véhicule, où un chargeur CC embarqué rectifie ensuite l’alimentation et charge les batteries. En revanche, un chargeur CC effectue la rectification avant de transmettre l’alimentation au véhicule en tant que source CC haute tension. Le plus grand avantage des chargeurs CC est que de nombreuses restrictions de poids et de taille sont supprimées en déplaçant le matériel de conditionnement de l’alimentation hors du VE et dans une structure externe.
Les chargeurs CC sont idéaux pour une recharge rapide en déplacement sur la route
Avec la suppression des restrictions de poids et de taille, les chargeurs CC peuvent facilement intégrer plus de composants qui peuvent augmenter à la fois leur débit de courant et la tension de fonctionnement. Ces chargeurs utilisent des composants à semi-conducteurs de pointe pour rectifier l’alimentation, ainsi que des filtres et des résistances de puissance, qui produisent tous des quantités importantes de chaleur. Bien que les filtres et les résistances soient des sources non négligeables, le plus grand dissipateur de chaleur dans un système de charge de VE est l’IGBT, un composant semi-conducteur qui a été de plus en plus utilisé au cours des dernières décennies. Ce composant de puissance a ouvert de nombreuses opportunités dans le paysage de la recharge, mais le refroidir correctement est une préoccupation non négligeable.
Générateurs de chaleur et systèmes de dissipation
L’IGBT, un transistor bipolaire à grille isolée, est essentiellement un croisement entre un FET et un BJT. En raison de leur capacité à résister à de grandes tensions, d’une faible résistance à l’état passant, de vitesses de commutation rapides et d’une robustesse thermique étonnamment élevée, les IGBT sont idéaux dans les applications à haute puissance telles que les chargeurs de VE. Comme les IGBT sont utilisés comme redresseurs ou onduleurs dans ces circuits de charge de VE, ils commutent fréquemment ce qui génére de grandes quantités de chaleur.
Le défi thermique auquel nous sommes confrontés aujourd’hui est que la dissipation thermique des IGBT a plus que décuplé, passant de 1,2 kW il y a trente ans à 12,5 kW aujourd’hui, et ce chiffre devrait encore augmenter. Le graphique ci-dessous le montre en termes de puissance par surface. En comparaison, les processeurs les plus puissants sont aujourd’hui de l’ordre de 0,18 kW, soit seulement 7 kW/cm2. Une énorme différence !
Amélioration de la densité de puissance des IGBT au fil des années
Deux facteurs contribuent au refroidissement de l’IGBT. L’une d’entre elles est que la surface est environ le double de celle d’un processeur. L’autre est qu’ils peuvent fonctionner à des températures plus élevées, 170 °C pour les IGBT contre seulement 105 °C pour les processeurs modernes.
La solution la plus simple et la plus fiable pour la gestion thermique est une combinaison de dissipateurs thermiques et d’air pulsé. Les résistances thermiques trouvées dans un composant semi-conducteur tel qu’un IGBT sont normalement extrêmement faibles, tandis que la résistance thermique entre le composant et l’air ambiant est comparativement extrêmement élevée. L’ajout d’un dissipateur thermique augmente considérablement la surface qui peut dissiper la chaleur dans l’air ambiant, ce qui réduit la résistance thermique, et le déplacement de l’air sur un dissipateur thermique augmente encore l’efficacité du dissipateur thermique. Étant donné que cette interface composant-air est la plus grande résistance thermique du système, il est primordial de la réduire autant que possible. L’avantage de ce système simple est qu’un dissipateur thermique passif, s’il est correctement installé, ne tombera jamais en panne, et qu’un ventilateur, qui est une technologie établie et très au point, est assez fiable. Chez Same Sky, nous avons conçu des dissipateurs thermiques mesurant jusqu’à 950 x 350 x 75 mm dans des applications de charge de véhicules électriques qui sont suffisamment grands pour gérer passivement des demandes moins exigeantes ou pour gérer activement des demandes plus exigeantes avec de l’air forcé. Découvrez la gamme complète de ventilateurs CA et ventilateurs CC de Same Sky .
Les dissipateurs thermiques associés à des ventilateurs sont des solutions de refroidissement éprouvées
Il existe également des options de refroidissement liquide pour refroidir des sources de chaleur denses telles que les IGBT. Un système de refroidissement par eau peut être attrayant car il permet d’obtenir les résistances thermiques les plus faibles. Cependant, il y a un coût et une complexité plus élevés, et malgré tout, il utilise toujours des dissipateurs thermiques et des ventilateurs comme principal moyen d’éliminer la chaleur de l’ensemble du système. Pour cette raison, le refroidissement direct des IGBT, avec des dissipateurs thermiques et des ventilateurs, est l’approche la plus souhaitable et des recherches actives sont menées pour trouver des améliorations dans les technologies de refroidissement par air pour les IGBT.
Placement des composants et de la surveillance thermique
Une partie intégrante de l’efficacité de tout système de refroidissement est la façon dont les composants peuvent être placés pour optimiser le flux d’air et maximiser la distribution de la chaleur. Les composants placés sans espace adéquat entre eux limitent à la fois le flux d’air et la taille des dissipateurs thermiques pouvant être utilisés. Ainsi, tous les composants critiques générant de la chaleur doivent être positionnés stratégiquement dans l’ensemble du système pour faciliter un refroidissement global efficace.
Alors qu’il est important de faire attention à l’emplacement des différents composants générant de la chaleur, l’emplacement des capteurs thermiques est tout aussi primordial. Dans des systèmes aussi grands que les chargeurs de véhicules électriques à courant continu, les systèmes de contrôle pour la surveillance en temps réel des niveaux de température peuvent permettre une gestion thermique active. Les ajustements automatiques des mécanismes de refroidissement en fonction des relevés de température peuvent optimiser les performances et prévenir la surchauffe en limitant la sortie de courant ou en modifiant la vitesse des ventilateurs. Cependant, ces ajustements automatiques dépendent de la qualité de leurs données d’entrée. Si les capteurs de température ne sont pas précis en raison d’un mauvais placement, la réponse du système sera d’autant plus imprécise.
Facteurs externes et considérations environnementales
Les bornes de recharge pour véhicules électriques sont souvent installées à l’extérieur, exposées à des conditions environnementales variables. La conception d’enceintes résistantes aux intempéries avec une ventilation adéquate et une protection contre des éléments tels que la pluie et les températures extrêmes est cruciale pour maintenir des conditions thermiques optimales. Les voies de circulation d’air et la ventilation doivent être conçues pour empêcher l’infiltration d’eau sans restreindre le flux d’air.
Le facteur externe le plus préoccupant est la chaleur dûe au rayonnement solaire qui frappe les parois du chargeur qui augmente considérablement la température ambiante interne. Bien qu’il s’agisse d’une préoccupation légitime, la solution la plus efficace est des plus simple. Un ombrage bien conçu avec un flux d’air adéquat entre l’ombrage et l’unité de charge maintiendra la température ambiante du chargeur nettement plus basse.
Un ombrage correct du chargeur réduit les problèmes de refroidissement
Regards vers le futur
Partout dans le monde, les véhicules électriques ont connu une adoption incroyable au cours des dernières années, car la demande ne cesse d’augmenter à pas de géant avec de nouvelles technologies sur tous les fronts. À mesure que l’on trouve de plus en plus de VE sur les routes, la mise en œuvre de ces chargeurs proliférera dans la même mesure. Des chargeurs efficaces et performants seront essentiels à la formation active de cette infrastructure de recharge. Ils devront également être rentables, car le coût est un aspect non négligeable de la vitesse à laquelle les particuliers et les entreprises intégreront ces chargeurs dans leurs foyers et leurs entreprises.
On s’attend non seulement à ce que le nombre de véhicules électriques et de chargeurs continue d’augmenter, mais aussi à ce que les technologies sur lesquelles ils sont basés évoluent et s’améliorent. La prise en compte de l’augmentation potentielle de la puissance et de la capacité de charge, l’évolution des normes logicielles et matérielles, ainsi que la possibilité de laisser un espace intellectuel pour des changements complètement nouveaux et inattendus, garantissent que les systèmes de gestion thermique peuvent s’adapter à l’évolution des demandes au fil du temps.
Les chargeurs de véhicules électriques, au niveau le plus fondamental, ont les mêmes problèmes de gestion thermique que tout autre appareil électronique dense et de haute puissance. Cependant, la densité de puissance des IGBT utilisés et les exigences croissantes qui leur sont imposées donnent à ce défi une tournure unique. À mesure que les vitesses de charge et les capacités des batteries montent en flèche, l’exigence de créer ces chargeurs de manière efficace et sûre deviendra de plus en plus stricte, exigeant toujours plus de la part des concepteurs et des ingénieurs en gestion thermique. Chez Same Sky, notre gamme de composants de gestion thermique ainsi que nos services de conception thermique de pointe sont là pour vous aider !
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