Ищете решения проблем проектирования бортовых зарядных устройств (OBC)?
В этой статье мы рассмотрим основные из них. В электромобиле внешний конденсатор (OBC) — это схема, которая преобразует переменный ток из сети в постоянный для аккумулятора, защищая компоненты от высокого напряжения и отводя тепло, которое может снизить производительность или сократить срок службы.
Электромобили не в первый раз оказываются в центре внимания. Их первый подъём пришёлся на конец XIX — начало XX века, но сошёл на нет с появлением массового производства автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и слабыми первыми аккумуляторами.
Спустя более века, благодаря развитию технологий и разработке более интеллектуальных аккумуляторов, электромобили возвращаются, движимые стремлением автопроизводителей к доминированию на рынке. Тем не менее, проблемы остаются. Такие компании, как Tesla, сейчас спешат производить меньшие и более доступные электромобили В ценовом диапазоне от 25 000 до 30 000 долларов, что напрямую конкурирует с традиционными хэтчбеками. Около 15% анонсированных будущих моделей электромобилей в США могут относиться к категории среднеразмерных.
Проблема проистекает из стремления к более высокой плотности мощности, что означает большую мощность в меньшем пространстве. Избыточное тепловыделение снижает надёжность, а ограниченная площадь поверхности усложняет охлаждение. К этому следует добавить необходимость высоковольтной диэлектрической изоляции, которая требует тщательного подбора пространства, изоляции и конструкции трансформатора в и без того компактных системах.
Давайте рассмотрим, как инженеры решают эти две проблемы при проектировании современных бортовых транспортных средств.
Анатомия ОВК
Мы хотим, чтобы вы имели чёткое представление о том, что происходит внутри бортового зарядного устройства (OBC). Этот замечательный компонент электромобиля располагается между электросетью (переменный ток) и аккумулятором (постоянный ток), преобразуя переменный ток 120–240 В от розетки или станции в постоянный ток 400–800 В для аккумулятора, обеспечивая при этом безопасность и эффективность процесса. Зарядка уровня 1Самый медленный уровень зарядки использует розетку на 120 вольт и добавляет около 4 миль в час, тогда как зарядка уровня 2 использует розетку на 240 вольт и добавляет около 20–25 миль в час.
В современных электромобилях схема питания бортового компьютера обычно включает три основных компонента: преобразователь переменного тока в постоянный, преобразователь постоянного тока в постоянный и высокочастотный трансформатор. Преобразователь переменного тока в постоянный выполняет коррекцию коэффициента мощности (ККМ) и преобразует переменный ток в постоянный, достигая КПД более 95% благодаря таким топологиям, как безмостовая схема с каскадным включением или чередующиеся повышающие преобразователи.
DC/DC-преобразователь обеспечивает изоляцию и точный контроль напряжения аккумуляторной батареи, преобразуя 400–450 В постоянного тока с предыдущей ступени в 400–800 В в зависимости от типа электромобиля, поддерживая профили CC/CV с такими топологиями, как DAB и LLC. Между этими ступенями находится высокочастотный трансформатор, изготовленные с использованием ферритовых или нанокристаллических сердечников для обеспечения гальванической развязки между сетью и аккумулятором, работающие на частоте 100–300 кГц для компактности.
Тепло в основном возникает из-за потерь на переключение полупроводников, потерь в магнитном сердечнике и резистивных потерь в меди. Каждый инженер OBC должен тщательно продумать эти вопросы.
Проблемы рассеивания тепла
Если заглянуть внутрь бортового зарядного устройства (OBC), то можно увидеть, что практически каждый критически важный компонент преобразует часть входной мощности в тепло. Во время работы полупроводники быстро переключаются, трансформаторы управляют магнитным потоком, и даже медные дорожки оказывают сопротивление току.
МОП-транзисторы (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник) и диоды включаются и выключаются тысячи раз в секунду (50–500 кГц), что приводит к коммутационным потерям в полупроводниках. Чем выше частота переключения и напряжение, тем больше энергия теряется в виде тепла.
Хотя нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) снижают потери переключения по сравнению с кремнием, концентрированные горячие точки всё равно образуются. Именно поэтому при проектировании GaN-преобразователей используются стратегии, включающие точное размещение компонентов и тепловые переходы для создания эффективных тепловых путей, отводящих энергию от устройства.
Потери в сердечнике и меди в трансформаторах и индукторах — ещё один заметный источник тепла. На более высоких частотах потери в сердечнике (вихревые токи и гистерезис) увеличиваются, а потери в меди возникают из-за протекания тока, скин-эффекта и эффекта близости. Это иногда приводит к повышению температуры магнитных компонентов выше 100 °C, если охлаждение не оптимизировано.
По мере того, как конструкторы стремятся к созданию более компактных и лёгких внешних конденсаторов, естественная площадь охлаждающей поверхности уменьшается, в то время как плотность мощности (3–10 кВт/л) остаётся высокой. По сути, это то же тепло в более тесном отсеке. Такая концентрация тепла может сократить срок службы компонентов и поставить под угрозу соседние схемы управления.
Традиционно используется жидкостное или воздушное охлаждение. Жидкостное охлаждение эффективно, но увеличивает вес, стоимость и потенциальные неисправности, такие как насосы и уплотнения. Воздушное охлаждение, в свою очередь, неэффективно при плотной компоновке. В некоторых конструкциях повторно используется контур охлаждения автомобиля, но это тесно связывает тепловые характеристики OBC с системой трансмиссии.
Устройства с широкой запрещенной зоной (WBG), такие как SiC и GaN переключаются быстрее (200–500 кГц), что повышает эффективность, но концентрирует тепло в небольших областях кристалла. GaN переключается быстрее, чем SiC, благодаря более высокой подвижности электронов и меньшей ёмкости. Эти высокие температурные градиенты, иногда превышающие 30 °C в пределах миллиметра, создают нагрузку на паяные соединения и корпусные материалы.
Недавние исследования OBC интегрируют теплоотвод непосредственно в кремниевый корпус, используя спечённое серебро, встроенные кристаллы и графеновые плёнки для отвода тепла практически с той же скоростью, с которой оно образуется. Однако даже эффективные системы сталкиваются с бесшумным износом: каждый цикл зарядки расширяет и сжимает материалы по-разному, постепенно растрескивая паяные соединения и слои.
Проблемы высоковольтной диэлектрической изоляции
Диэлектрическая, или гальваническая, изоляция — это процесс разделения двух цепей, в данном случае высоковольтного переменного тока от сети и низковольтного постоянного тока аккумуляторной системы транспортного средства. Это позволяет предотвратить утечку напряжения с высокой стороны на низкую. Это защищает как пользователей, так и электронику от опасных напряжений и электрических помех благодаря диэлектрическому материалу (изолятору), который обеспечивает передачу энергии магнитным, а не электрическим путём.
Поскольку OBC подключает напряжение 240 В переменного тока (или выше в коммерческих электромобилях) к линиям аккумуляторной батареи напряжением 400–800 В постоянного тока, разность потенциалов огромна. Любой прорыв изоляции может привести к поражению электрическим током, короткому замыканию или серьёзному повреждению аккумулятора.
Электрическая прочность и напряжение изоляции определяют надежность изоляции.
- Диэлектрическая прочность относится к способности изоляционного материала противостоять пробою.
- в то время как напряжение изоляции является пределом на уровне протестированной системы в соответствии с определенными стандартами безопасности.
Диэлектрическая прочностьИзмеряется в кВ/мм или В/мил и представляет собой максимальное электрическое поле, которое изолятор может выдержать до разрушения. Оно зависит от таких факторов, как состав, толщина, длительность воздействия напряжения и влажность.
Напряжение изоляции (также называемое выдерживаемым диэлектриком) — это максимальное напряжение, которое система может выдержать на своём барьере в течение короткого времени. Например, 3000 В переменного тока в течение 60 секунд без пробоя или чрезмерной утечки. Соответствие таким стандартам, как UL, IEC или CE, гарантирует безопасность пользователя даже в переходных или аварийных ситуациях.
В преобразователе постоянного тока (OCB) высокочастотный трансформатор внутри DC/DC-преобразователя обеспечивает первичную изоляцию, работая на частотах от 100 до 300 кГц. Однако более плотное расположение трансформаторов приводит к увеличению нагрузки на изоляцию, что делает проскальзывание и зазор необходим для предотвращения искрения и трекинга.
Увеличенное расстояние между элементами и более толстая изоляция повышают безопасность, но ухудшают теплоотвод и увеличивают габариты. Для управления как изоляцией, так и теплом инженеры теперь используют нанокомпозитные изоляционные материалы – полимеры, обогащенные теплопроводящими нанонаполнителями, которые обеспечивают более высокую теплопроводность, чем чистые полимеры (например, полиимид, эпоксидная смола), сохраняя при этом электрическую прочность.
Поскольку напряжение в открытых конденсаторах превышает 800 В, даже микроскопические пустоты могут спровоцировать частичные разряды, разрушающие изоляцию. Чтобы противостоять этому, в конструкциях всё чаще применяются методы вакуумной герметизации и усовершенствованной инкапсуляции, которые должны гарантировать соответствие стандартам UL 62109, IEC 61800 и IEC 60664, согласно которым большинство открытых конденсаторов должны выдерживать напряжение изоляции 2–4 кВ во время испытаний.
Балансировка теплового и электрического проектирования
Проблема ошеломляет: каждое улучшение потенциально может навредить другому. Более толстая изоляция затрудняет отвод тепла, а лучшее охлаждение часто ухудшает электрические зазоры (то есть утечку тока и воздушные зазоры, которые критически важны для безопасности высоковольтных устройств).
Некоторые инженеры смягчают это, используя теплопроводящие, но электроизолирующие прокладки, такие как Серия JIUJU 6X15, что может быть целесообразно в ситуациях, когда требуются как высокая теплопроводность, так и электрическая прочность диэлектрика 10 кВ.
В трансформаторах изоляция, предназначенная для электрозащиты, также влияет на терморегулирование. Зависимость обратная: более толстая изоляция затрудняет циркуляцию воздуха, повышает тепловое сопротивление и ускоряет деградацию.
Головная боль при проектировании трансформатора заключается в обеспечении достаточной балансировки толщина изоляции Для электробезопасности и эффективного отвода тепла для надежности. Современные усилия направлены на улучшение свойств материалов, а не просто на уменьшение толщины изоляции.
Эффективные системы охлаждения (циркуляция масла, вентиляторы или радиаторы) важны для отвода тепла и поддержания изоляции в безопасных пределах. Добавление изоляции повышает электрическую прочность, но удерживает тепло; добавление металлических охлаждающих пластин отводит тепло, но сокращает безопасные расстояния.
Плотная компоновка уменьшает паразитные помехи, но ухудшает тепловую связь между горячими зонами. Эта термоэлектрическая связь напрямую влияет на производительность, надежность и срок службы внешнего конденсатора.
Сегодня инженеры совместно моделируют температуру и электрические поля, используя передовые материалы для печатных плат, такие как FR4 с керамическим наполнителем, нитрид алюминия и платы IMS. Двухцелевые заливочные компаунды и интегрированные контуры охлаждения, используемые Hyundai и Tesla, определяют движение отрасли к общим, термоэффективным системам.
Новые решения и будущие тенденции
Устройства WBG, такие как SiC и GaN, обеспечивают более высокую эффективность, более быстрое переключениеи меньшие размеры магнитных компонентов, что приводит к созданию более лёгких и компактных внешних конденсаторов (ОВК), которые снижают потери проводимости и коммутационные потери. Однако проблема заключается в локализованном нагреве из-за меньшей площади кристалла.
SiC MOSFET теперь становятся стандартом в мощных внекорпусных транзисторах мощностью от 6.6 до 22 кВт. Для отвода тепла внедряются методы охлаждения нового поколения, такие как микроканальное охлаждение и охлаждение с фазовым переходом.
Микроканальное охлаждение интегрирует крошечные жидкостные каналы в подложки или охлаждающие пластины для непосредственного охлаждения кристалла. В системах охлаждения с фазовым переходом используются материалы, поглощающие тепло при фазовых переходах (твердое тело ↔ жидкое), что делает их идеальными для кратковременных тепловых нагрузок.
Тепловые интерфейсы Технологии термообработки и упаковки развиваются благодаря материалам на основе графена, используемым в силовых модулях электромобилей для улучшения рассеивания тепла и увеличения срока службы. Сверхвысокая теплопроводность графена позволяет ему заполнять микроскопические воздушные зазоры между компонентами и радиаторами, предотвращая тепловой пробой и выход из строя.
Для крепления кристаллов спекание серебра становится более надёжной альтернативой припою или клеям, обеспечивая высокую термостойкость при температурах свыше 500 °C. Однако такие проблемы, как пористость и окисление, всё ещё могут поставить под угрозу долгосрочную надёжность.
Автопроизводители теперь отдают предпочтение модульным бортовым электромобилям (OBC), которые объединяют DC/DC-преобразователи, инверторы и зарядные устройства на одной охлаждающей плате для более лёгких и масштабируемых систем. Однако современные материалы для охлаждения повышают стоимость, что противоречит целям автопроизводителей по обеспечению доступности. Путь развития лежит через снижение стоимости этих технологий, повышение их долговечности и соответствия стандартам электромагнитных помех и изоляции по мере роста плотности мощности.
Заключение
Растёт спрос на более быструю зарядку, что на первый взгляд звучит заманчиво, и автопроизводители стремятся создать самые быстрые зарядные устройства, но это также означает большую мощность и большее тепловыделение. Основное внимание следует уделять безопасному преодолению теплового и вольтового стресса, а не его увеличению, поскольку будущее надёжности электромобилей зависит от согласованности тепловых и диэлектрических конструкций.
При нынешних темпах развития может показаться, что следующее поколение зарядных устройств для электромобилей победит, используя только чистую мощность, но это далеко от истины. Настоящий успех придёт, если досконально изучить, как тепло и напряжение сосуществуют в одном устройстве. Узнайте, как мы этого достигаем сегодня.
