Di Jeff Smoot
Sebbene i veicoli elettrici e quelli alimentati a gas risalgano grossomodo allo stesso periodo, i primi sono diventati di tendenza solo negli ultimi anni. La crescita vertiginosa della domanda di veicoli elettrici è stata in qualche modo favorita dai significativi miglioramenti sotto il profilo tecnologico e dai notevoli finanziamenti garantiti dai governi. Il divieto imposto dall’UE sullo stop alla produzione di veicoli con motore a combustione interna a decorrere dal 2035 e l’obbligo di installare entro il 2025 stazioni di ricarica veloci per veicoli elettrici ogni 60 chilometri sono solo un indicatore dell’atteso aumento della domanda. Man mano che i veicoli elettrici saranno elevati a modalità di trasporto principale, l’autonomia delle batterie e la necessità di una ricarica sempre più rapida diventeranno gli elementi imprescindibili della capacità dell’economia mondiale di funzionare. I miglioramenti di tali sistemi di ricarica per i veicoli elettrici richiederanno un’evoluzione tecnologica in svariati ambiti, compresa la gestione termica.
Differenza tra infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici CA e CC
La crescita del bisogno di cariche più rapide ha portato con sé piccoli e grandi cambiamenti in termini di approccio. Uno di questi è rappresentato dal passaggio ai caricatori CC: ciò può creare confusione, in quanto tutti i sistemi di batterie operano con elettricità CC. In ogni caso, la distinzione fondamentale per questi sistemi risiede nel fatto che la rettifica dell’alimentazione da CA a CC avviene in luoghi diversi. Lo stereotipato caricatore CA, come notato più frequentemente nelle applicazioni residenziali, è un decantato connettore che comunica, filtra e controlla il flusso di alimentazione CA indirizzato al veicolo, dove un caricatore CC integrato rettifica l’alimentazione e carica le batterie. Al contrario, un caricatore CC esegue la rettifica prima di trasmettere l’alimentazione al veicolo come sorgente CC ad alta tensione. Il principale vantaggio dei caricatori CC è che molte limitazioni di peso e dimensioni vengono rimosse spostando l’hardware di condizionamento dell’alimentazione fuori dal veicolo elettrico e in un’infrastruttura esterna.
I caricatori CC sono ideali per la ricarica rapida in movimento
Con l’eliminazione delle limitazioni di peso e dimensioni, i caricatori CC possono facilmente integrare più componenti in grado di aumentare sia la portata di corrente sia la tensione operativa. Questi caricatori utilizzano dispositivi a semiconduttore all’avanguardia per rettificare l’alimentazione, nonché filtri e resistori di potenza, che producono tutti quantità significative di calore. Benché i filtri e i resistori siano sorgenti non trascurabili, il più grande dissipatore di calore in un sistema di ricarica per veicoli elettrici è l’IGBT, un dispositivo a semiconduttore di cui si è fatto maggior uso negli ultimi decenni. Questo potente dispositivo ha creato molte opportunità in termini di ricarica, tuttavia va detto che le possibilità di raffreddamento costituiscono un problema tutt’altro che irrilevante.
Generatori di calore e sistemi di dissipazione
Un transistor bipolare a gate isolato, o IGBT, è essenzialmente un incrocio tra un FET e un BJT. Grazie alla loro capacità di resistenza alle tensioni elevate, bassa resistenza in conduzione, velocità di commutazione elevate e robustezza termica straordinariamente elevata, gli IGBT rappresentano la soluzione perfetta per applicazioni ad alta potenza, come i caricatori per veicoli elettrici. Dal momento che vengono utilizzati come raddrizzatori o inverter in questi circuiti di ricarica per veicoli elettrici, gli IGBT si accendono e si spengono frequentemente, generando abbondanti quantità di calore.
La sfida dal punto di vista termico che ci troviamo ad affrontare oggigiorno è che la dissipazione del calore degli IGBT è aumentata di oltre dieci volte, passando dagli 1,2 kW di trent’anni fa ai 12,5 kW odierni. Non solo: sembra che tale valore sia destinato ad aumentare ulteriormente. Il grafico seguente mostra tale tendenza in termini di potenza per superficie. In confronto, la capacità delle CPU attualmente più potenti si aggira attorno agli 0,18 kW, ovvero solo 7 kW/cm2. Una differenza enorme!
Miglioramento della densità di potenza degli IGBT nel corso degli anni
Due fattori contribuiscono al raffreddamento degli IGBT: uno è dato dal fatto che la superficie rappresenta circa il doppio di quella di una CPU, mentre l’altro è che tali dispositivi possono funzionare a temperature più elevate (170 °C per gli IGBT rispetto ai soli 105 °C nel caso delle moderne CPU).
La soluzione più semplice e affidabile per la gestione termica risiede nella combinazione di dissipatori di calore e ventilazione forzata. Le resistenze termiche presenti all’interno di un dispositivo a semiconduttore come un IGBT sono generalmente estremamente basse, mentre la resistenza termica tra il dispositivo e l’aria circostante è relativamente molto elevata. L’aggiunta di un dissipatore di calore espande notevolmente la superficie in grado di dissipare il calore nell’aria ambiente, poiché la riduzione della resistenza termica e il convogliamento dell’aria su un dissipatore di calore aumenta ulteriormente l’efficacia del dissipatore di calore. Dal momento che questa interfaccia dispositivo-aria rappresenta la maggiore resistenza termica del sistema, è di fondamentale importanza ridurla il più possibile. Il vantaggio di questo semplice sistema è che un dissipatore di calore passivo, se installato correttamente, non si guasta mai, mentre la ventola, che è una tecnologia collaudata e altamente sofisticata, è abbastanza affidabile. Noi di CUI Devices abbiamo progettato dissipatori di calore che presentano dimensioni fino a 950x350x75 mm in infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici che sono sufficientemente grandi da gestire passivamente requisiti meno impegnativi o per soddisfare attivamente esigenze più impegnative con ventilazione forzata. Acquista la gamma completa di ventole ca e ventole cc di CUI Devices.
I dissipatori di calore in combinazione con le ventole sono soluzioni di raffreddamento comprovate
Sono disponibili anche opzioni di raffreddamento a liquido per raffreddare sorgenti di calore dense come gli IGBT. Un sistema di raffreddamento ad acqua può risultare particolarmente interessante, in quanto raggiunge le resistenze termiche più basse. Tuttavia, nonostante l’aumento dei costi e della complessità, tale soluzione ricorre ancora a dissipatori di calore e ventole come metodi principali per rimuovere il calore dal sistema. Oltre a questo motivo, il raffreddamento diretto degli IGBT mediante dissipatori di calore e ventole rappresenta l’approccio più auspicabile anche in ragione delle ricerche in corso volte a migliorare ulteriormente le tecnologie di raffreddamento ad aria per gli IGBT.
Posizionamento dei componenti e del monitoraggio termico
Parte integrante dell’efficacia di qualsiasi sistema di raffreddamento è il modo in cui i componenti possono essere posizionati per ottimizzare il flusso d’aria e massimizzare la distribuzione del calore. I componenti posizionati senza uno spazio adeguato tra loro limitano sia il flusso d’aria che le dimensioni dei dissipatori di calore utilizzabili; pertanto, tutti i componenti fondamentali che generano calore dovrebbero essere collocati strategicamente all’interno del sistema allo scopo di produrre un raffreddamento complessivo efficiente.
L’importanza del posizionamento non riguarda soltanto i singoli componenti che generano calore, ma anche i sensori termici. In sistemi grandi come i caricatori per veicoli elettrici CC, i sistemi di controllo per il monitoraggio in tempo reale dei livelli di temperatura possono agevolare la gestione termica. Le configurazioni automatiche dei meccanismi di raffreddamento basate sulle letture della temperatura possono ottimizzare le prestazioni e prevenire il surriscaldamento mitigando l’erogazione di corrente o modificando la velocità della ventola. In ogni caso, queste regolazioni automatiche dipendono dalla qualità dei dati inseriti. Se la precisione dei sensori di temperatura è compromessa dal posizionamento errato, la risposta del sistema sarà altrettanto imprecisa.
Fattori esterni e considerazioni ambientali
Le stazioni di ricarica per veicoli elettrici sono spesso installate all’aperto, e ciò ne comporta l’esposizione alle condizioni ambientali più disparate. Progettare involucri resistenti alle intemperie con adeguata ventilazione e protezione da agenti atmosferici come pioggia e temperature estreme è di fondamentale importanza per mantenere condizioni termiche ottimali. I percorsi del flusso d’aria e le prese d’aria devono essere progettati per impedire la penetrazione dell’acqua senza che da ciò ne derivi una riduzione del flusso d’aria stesso.
Il fattore esterno più preoccupante è dato dal calore del sole che agisce sull’involucro del caricatore, il che aumenta notevolmente la temperatura interna. Sebbene le preoccupazioni in tal senso siano legittime, la soluzione più efficace è quella più semplice. Una schermatura ben concepita con un flusso d’aria adeguato tra lo schermo e l’unità di ricarica manterrà la temperatura ambiente del caricatore decisamente più bassa.
Una protezione corretta del caricatore semplifica i problemi di raffreddamento
Uno sguardo al futuro
In tutto il mondo si è assistito negli ultimi anni a una straordinaria diffusione di veicoli elettrici: tale fenomeno è stato agevolato non solo dalla crescita vertiginosa della domanda, ma anche dalla continua introduzione di tecnologie sempre più all’avanguardia. L’aumento dei veicoli elettrici sulle strade è destinato ad andare di pari passo alla graduale proliferazione dei caricatori. Caricatori ben funzionanti ed efficienti saranno oltremodo essenziali per la realizzazione di un’infrastruttura di ricarica affidabile. A tutto ciò si lega l’efficienza dei costi, un elemento che inciderà in maniera decisiva sulla velocità con cui cittadini e aziende integreranno questi caricatori nelle loro case e aziende.
Le aspettative non riguardano solamente la crescita del numero di veicoli elettrici e caricatori, ma che anche le tecnologie su cui si basano e che ne consentiranno lo sviluppo e il perfezionamento. Tenere conto dell’aumento in termini di potenza e capacità di ricarica, aggiornare gli standard in materia di software e hardware e lasciare il giusto spazio intellettuale per modifiche completamente nuove e inaspettate fa sì che i sistemi di gestione termica possano rispondere alle esigenze che emergeranno di volta in volta.
In buona sostanza, i caricatori per veicoli elettrici presentano gli stessi problemi di gestione termica di qualsiasi altro dispositivo elettronico ad alta densità e ad alta potenza. Tuttavia, la densità di potenza degli IGBT utilizzati al loro interno e le richieste in rapido aumento che vengono loro poste assicurano una svolta unica. Man mano che la velocità di ricarica e la capacità delle batterie salgono alle stelle, l’esigenza di concepire caricatori efficienti e sicuri diventerà sempre più stringente, al punto da mettere seriamente alla prova progettisti e ingegneri della gestione termica. In CUI Devices, la gamma di componenti per la gestione termica e i servizi di progettazione termica leader del settore sono qui per assisterti!