Как быстрая зарядка меняет ландшафт зарядки электромобилей

Быстрая зарядка электромобилей постоянным током может стать ключом к снижению беспокойства о запасе хода, которое, по мнению многих, ограничивает внедрение электромобилей. Благодаря надежной инфраструктуре зарядки, которая позволяет заряжать аккумулятор за 20 минут, а не за 4 часа, зарядка электромобилей намного приближается к тому опыту, к которому привыкли водители при заправке автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Сегодня эта инфраструктура не полностью развита, но растет и становится доступной для большего количества транспортных средств. Многие производители электромобилей недавно внедрили разъем для зарядки электромобилей Tesla, и в настоящее время Tesla лидирует на рынке по развертыванию портов быстрой зарядки. Исследование, проведенное по заказу Sensience, прогнозирует, что к 2030 году на долю быстрой зарядки постоянным током будет приходиться более 70 процентов общественной зарядки во всем мире (рис. 1).

Рисунок 1. Прогнозируемый рост быстрой зарядки постоянным током к 2030 году. (Изображение:Sensience)

Хотя быстрая зарядка может способствовать росту рынка электромобилей, она также поднимает планку управления температурным режимом во всей цепочке зарядки электромобилей. Быстрые зарядные устройства постоянного тока выдают мощность 50–350 кВт по сравнению с 7–19 кВт, типичными для зарядных устройств уровня 2. Даже при более высоких напряжениях, характерных для устройств быстрой зарядки постоянного тока, эти порты выделяют значительно больше тепла, чем порты зарядки уровня 2. Таким образом, эффективное управление температурным режимом становится более важным, чем когда-либо, для предотвращения повышения температуры, которая может сократить срок службы батареи, снизить эффективность зарядки и создать угрозу безопасности.

Одним из компонентов эффективного управления температурным режимом, который иногда упускают из виду до поздней стадии процесса проектирования, является спецификация датчиков температуры, которые позволяют системам управления аккумулятором и транспортным средством быстро и разумно реагировать на изменения температуры в цепи зарядки автомобиля.

Роль датчиков температуры в цепи зарядки электромобиля

Датчики используются по всей цепочке зарядки. Наиболее очевидным применением является сама батарея, где управление температурой имеет наивысший приоритет. Размещение датчика внутри батареи будет определяться конструкцией и размером батареи, но одного датчика обычно оказывается недостаточно, поскольку он может не обнаруживать горячие зоны, которые могут образовываться в элементах или модулях во время быстрой зарядки. В идеале вам нужна возможность напрямую контролировать температуру элементов батареи в нескольких местах и иметь представление о распределении тепла внутри всей батареи.

Встроенное зарядное устройство представляет собой более простую, но все же критически важную среду для датчиков температуры, поскольку мониторинг датчиков запускает системы охлаждения, необходимые для управления теплом во время быстрой зарядки. Поскольку колебания температуры в компоненте меньше, требуется меньше датчиков.

Порт зарядки автомобиля — еще одно важное применение датчиков температуры в цепи зарядки. Датчики температуры используются как на входе для зарядки автомобиля, так и в зарядном пистолете для контроля температуры электрических штырей. Эта обратная связь обеспечивает остановку безопасности в случае каких-либо непредвиденных явлений, вызванных повреждением или загрязнением штырей. Во время быстрой зарядки температура на входе для зарядки может быть самой высокой, поэтому особое внимание следует уделять характеристикам датчиков, используемых в этом приложении.

Не менее важны датчики, интегрированные в систему охлаждения, защищающие аккумулятор, бортовое зарядное устройство и силовую электронику от перегрева. Интеллектуальные системы охлаждения, интегрированные в электромобили, эффективны ровно настолько, насколько эффективны поддерживающие их датчики.

Выбор датчиков для цепи зарядки электромобиля

Высокая степень точности важна в любом приложении измерения температуры, но особенно важна в цепочке зарядки электромобилей из-за узкого температурного диапазона, в котором аккумуляторы могут заряжаться с максимальной скоростью. Низкая точность датчика может снизить эффективность зарядки, поскольку зарядку, возможно, придется замедлить, чтобы компенсировать погрешность датчика, даже если фактические температуры находятся в желаемом диапазоне. Датчики более высокой точности уменьшают степень, в которой системам автомобиля приходится учитывать неточность датчиков, и могут обеспечить более быструю зарядку в течение более длительных периодов времени.

Еще одной важной характеристикой датчиков температуры для электромобилей является время отклика или время между измерением температуры и моментом ее передачи и принятия мер. Различные типы датчиков имеют разные характеристики отклика, и время отклика каждого типа можно оптимизировать с помощью конфигурации датчика.

Например, в термисторах с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) металлический корпус обеспечивает более быстрый отклик, чем пластиковый корпус, из-за его повышенной проводимости; однако металлический корпус увеличивает стоимость датчика, и эти затраты должны быть сбалансированы с ценностью более быстрого реагирования в конкретном приложении. Там, где температуры не такие высокие или контролируются системой охлаждения, как в случае с ключевыми компонентами цепочки зарядки электромобилей, увеличение затрат для достижения максимально быстрого времени реагирования может быть не оправдано. Исключением является вход для зарядки, где оптимизация времени отклика должна считаться более приоритетной задачей.

Другим фактором, который следует учитывать при выборе датчика, является его исправность или ее отсутствие. Датчики обычно встраиваются в цепь зарядки электромобилей таким образом, что их замена в случае неисправности становится нецелесообразной. В случае выхода из строя датчика потребуется замена всего компонента. Это делает надежность наиболее важным атрибутом датчиков температуры, используемых в цепочке зарядки электромобилей.

К счастью, хотя области применения датчиков температуры в электромобилях и в двигателях внутреннего сгорания различаются, используемые сенсорные технологии схожи. Производственные процессы для этих технологий являются зрелыми и автоматизированы, что обеспечивает стабильное качество. Процессы тестирования и калибровки также хорошо изучены и могут помочь обеспечить предсказуемую надежность и производительность в этом приложении.

Оценка сенсорных технологий для цепочки зарядки электромобилей

Рисунок 2. Расположение датчиков особенно важно для аккумуляторов электромобилей, поскольку температура в разных аккумуляторах может различаться.

Для электромобилей обычно рассматриваются три технологии измерения температуры:термопары, термисторы NTC и термометры сопротивления (RTD).

Термопары генерируют небольшое напряжение в ответ на изменение температуры, пропорциональное изменению температуры. Эти датчики, как правило, недороги, но не очень подходят для цепочки зарядки электромобилей. Они могут представлять угрозу безопасности для инженеров-испытателей в средах с высоким напряжением, например, в аккумуляторах электромобилей, их точность может быть снижена из-за электрических помех, а время отклика у них меньше, чем обычно требуется.

В термисторе NTC сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Эта технология обеспечивает хорошую точность при компактных размерах, что позволяет интегрировать систему в ограниченном пространстве. Время срабатывания и температурная кривая сопротивления NTC-термисторов также могут быть настроены для удовлетворения широкого спектра требований применения, включая требования к различным компонентам в зарядной цепи. Следовательно, они представляют собой идеальное решение для этих приложений, поскольку их можно сконфигурировать для эффективного удовлетворения проектных требований, и они уже десятилетиями проверены в автомобильной промышленности.

В RTD сопротивление увеличивается с увеличением температуры. Эти датчики обычно обеспечивают более высокую точность и более широкий рабочий диапазон, чем NTC; однако они также более дороги, и преимущества этой технологии, как правило, не приносят дополнительной пользы в приложениях для зарядки электромобилей. В условиях постоянного давления на снижение затрат проектировщики могут обнаружить, что они могут достичь требуемой производительности при меньших затратах с помощью термисторов NTC.

Точное и надежное проектирование

Поскольку быстрая зарядка становится все более распространенной, точное и надежное измерение температуры по всей цепочке зарядки будет оставаться критически важным, даже по мере развития технологий производства аккумуляторов. Ключом к эффективной и экономичной интеграции датчиков температуры в новые конструкции является разработка спецификаций и выбор поставщика во время разработки прототипа. Это позволяет упростить процессы, помогает обеспечить экономичное соответствие датчиков требованиям приложения и снижает риск необходимости внесения изменений по мере перехода от прототипа к производству.

Эту статью написал Фил Тибодо, менеджер по продукту компании Transportation, Sensience (Вестервилл, Огайо). Для получения дополнительной информации посетите здесь  .