Cargador EV: punto de trabajo en ciclos de potencia

Un cargador puede pasar la potencia nominal y aun así reducir su potencia en el campo

La potencia de carga de la placa de identificación no es la carga de calor que debe eliminar el ventilador del gabinete.

Un cargador rápido para vehículos eléctricos rara vez funciona en una condición eléctrica constante. La etapa de potencia puede aumentar rápidamente cuando se conecta un vehículo, mantener una salida alta durante parte de la sesión, reducir la energía a medida que la batería se acerca a su voltaje solicitado y luego repetir con otro vehículo. La temperatura ambiente, el voltaje de la red, el enfriamiento del cable, la eficiencia del módulo, el control del ventilador y la demanda del vehículo cambian el estado térmico. Por lo tanto, un ventilador seleccionado a partir de un único valor máximo CFM puede parecer aceptable en un banco y aun así permitir que un módulo de potencia alcance su umbral de reducción durante una secuencia de carga repetida.

El diseño térmico también debe separar el sistema térmico de la batería del lado del vehículo del gabinete del cargador. El vehículo puede reducir la corriente debido a la temperatura de la batería, el estado de carga o los límites del software. El cargador puede reducir la salida porque su rectificador, etapa DC/DC, barra colectora, conector o disipador de calor del módulo de potencia están calientes. Estos son diagnósticos diferentes. El proveedor del ventilador necesita la fuente de calor del gabinete del cargador, la ruta de aire instalada y la temperatura límite, no solo la potencia nominal del cargador.

Este artículo proporciona un método repetible para validar el punto de funcionamiento del ventilador durante un ciclo de energía de carga. Cubre la entrada de calor basada en pérdidas, la diferencia entre filtros limpios y cargados, PWM y el comportamiento del tacómetro, medición de puntos calientes, compensaciones acústicas y energéticas, y una prueba de liberación que puede distinguir la reducción de potencia del cargador de un límite del lado del vehículo. Un ventilador personalizado es valioso cuando la unidad original del catálogo no puede cumplir con la presión, el ruido, el voltaje o el entorno de servicio requeridos en el punto de operación real.

Convierta las pérdidas eléctricas en un presupuesto de calor del gabinete

Comience con los vatios que se convierten en calor dentro del recorrido del aire, no con los kW entregados al vehículo.

Cree una tabla de pérdidas para el rectificador, la etapa PFC, la etapa DC/DC aislada o no aislada, contactores, barras colectoras, fuente de alimentación de control, motores de ventilador y cualquier calentador interno. Utilice datos de eficiencia en varios niveles de potencia en lugar de aplicar toda la salida del cargador como calor. Para un módulo de 30 kW con una eficiencia del 96,5 %, la pérdida de conversión es de aproximadamente 1,09 kW. A 15 kW y un punto de eficiencia diferente, la pérdida puede no ser la mitad de la pérdida de carga máxima. La distribución de la fuente de calor también es importante porque un disipador de calor de módulo de potencia concentrado puede limitar antes de que el promedio del gabinete sea alto.

Un ejemplo de detección ilustra la diferencia. Supongamos que un cargador de 60 kW tiene una eficiencia de conversión total del 96% en el punto de diseño. La pérdida es 60 × (1 - 0,96) = 2,4 kW. Si hay 0,3 kW fuera del gabinete protegido o transferidos a través de un circuito de líquido, es posible que el ventilador del lado de aire necesite eliminar aproximadamente 2,1 kW, más las pérdidas internas del ventilador y del control. Con una elevación de aire de 10 K, rho = 1,2 kg/m³ y cp = 1.005 J/(kg·K), el flujo de aire ideal es de aproximadamente 627 m³/h. Esta es una estimación de ingeniería, no una especificación de producto; La presión instalada y la distribución de temperatura aún determinan si los disipadores de calor se enfrían adecuadamente.

Ejecute el presupuesto de calor para varios estados: inicio, 25 %, 50 %, 75 % y potencia nominal; sesiones repetidas; ambiente alto; suministro de baja tensión; degradación del ventilador; filtro cargado; y un ventilador redundante fallido. Incluya la masa térmica y la constante de tiempo del módulo de potencia. Un pico corto puede ser manejado por una masa disipadora de calor, mientras que una sesión larga y moderada puede crear la temperatura límite real. La prueba de aceptación debe utilizar el perfil de potencia que produzca el peor resultado térmico repetible, no el punto que sea más fácil de ejecutar.

Modelo animado: Las rampas eléctricas mueven el punto de servicio del ventilador

El comando del ventilador debe seguir la evidencia de calor y presión, no solo un umbral de potencia fijo en la placa de identificación.

Durante una sesión de carga, la pérdida de potencia del módulo aumenta y disminuye con la potencia de salida y la eficiencia. El controlador del ventilador puede responder a la temperatura del disipador de calor, la temperatura de entrada, el NTC del módulo, la temperatura de escape del gabinete o una combinación de señales. Un bucle simple de solo temperatura puede reaccionar demasiado lentamente a un paso de potencia conocido, mientras que un bucle de solo comando puede funcionar ruidosamente cuando el gabinete tiene poco calor para rechazar. La retroalimentación de la energía del cargador puede ser útil, pero debe validarse con la respuesta térmica real y la ubicación del sensor.

El diagrama dinámico es cualitativo. No representa un cargador particular, una curva de ventilador o un límite de reducción de potencia en particular. Úselo para estructurar la prueba: registre la potencia de carga solicitada y entregada, la temperatura del módulo, el ventilador PWM o el comando analógico, la retroalimentación FG/RD, la temperatura de entrada y salida, la presión del filtro y las condiciones ambientales. La pregunta clave es si el ventilador suministra el aire requerido a la presión creada por los disipadores de calor finales, las cubiertas, los filtros y las rutas de los cables durante cada estado.

Si el ventilador mantiene RPM mientras se carga un filtro, el punto de trabajo puede moverse a un flujo de aire más bajo. Si el ventilador es demasiado grande pero funciona a máxima velocidad en cada paso de potencia, el cargador puede alcanzar la temperatura pero perder rendimiento acústico y de energía auxiliar. Una curva de control personalizada debe basarse en la constante de tiempo térmica, la velocidad mínima estable, el comportamiento de la alarma, el presupuesto de energía y la recuperación requerida después de una sesión de alta carga.

Mida el punto P-Q instalado en el módulo de alimentación

La especificación del ventilador adquiere significado sólo después de que se conoce la resistencia del gabinete.

Mapee la ruta completa del flujo desde la admisión hasta el escape. Incluya el filtro, la rejilla contra la intemperie, la protección, el paquete de aletas del disipador de calor, la cubierta, los haces de cables, el espacio entre módulos, el panel de la puerta y cualquier radiador de refrigeración líquida que comparta la ruta del aire. Busque derivación del ventilador directamente al escape y recirculación desde un módulo caliente de regreso a la entrada. Un número elevado de aire libre no puede revelar estos efectos de instalación.

Mida el flujo de aire en más de una ubicación conveniente. Una sola lectura de escape puede ser engañosa cuando parte del flujo sufre un cortocircuito alrededor del disipador de calor. Utilice una campana de flujo calibrada, una rejilla de anemómetro u otro método apropiado y correlacione con la presión diferencial a través del filtro y el disipador de calor. Registre el voltaje del ventilador, el comando, RPM, la corriente y la dirección. Si el cargador utiliza varios ventiladores, pruebe la discrepancia entre ventiladores y el efecto de un rotor detenido en las unidades restantes.

El punto de trabajo debe verificarse con filtro limpio, filtro de límite de servicio, ambiente alto y voltaje mínimo permitido. Si el diseño utiliza presión positiva, verifique que la ruta de escape mantenga la presión prevista sin abrir rutas de fuga incontroladas. Si el gabinete está sellado, evalúe el circuito de circulación interno por separado del circuito externo de rechazo de calor. Un ventilador interno puede mejorar la distribución del disipador de calor, pero no puede eliminar el calor sin una ruta límite válida.

Los puntos de acceso de los módulos de energía son más importantes que el promedio del gabinete

El semiconductor limitante o el disipador de calor pueden exceder su temperatura segura antes de que el sensor de aire del gabinete se mueva significativamente.

Coloque los sensores cerca del cuello de botella térmico real: placa base del módulo de potencia o disipador de calor, entrada del rectificador, región de la barra colectora, banco de capacitores, tablero de control y escape del gabinete. Evite colocar el único sensor directamente en el chorro del ventilador o en una esquina fría del gabinete. Un ventilador puede crear una lectura local baja mientras que un disipador de calor aguas abajo recibe un flujo distorsionado o insuficiente. Las mediciones infrarrojas deben tener en cuenta la emisividad y la línea de visión; Es posible que se necesiten termopares o sensores integrados para la correlación.

La prueba debe distinguir un evento de protección térmica de un evento de control o de vehículo. Registre la salida solicitada del cargador, la salida entregada, la temperatura del módulo, el código de falla, la demanda del vehículo, si está disponible, el estado del refrigerante para los sistemas de cables enfriados por líquido y el momento en que cambia la energía. Un gráfico de validación útil superpone la potencia, el comando del ventilador y la temperatura límite. Si la producción cae antes de que el módulo se acerque a su límite, investigue las limitaciones del software o del vehículo en lugar de aumentar la velocidad del ventilador a ciegas.

El margen térmico no es sólo la diferencia entre una temperatura media y una temperatura máxima. Incluye incertidumbre de medición, variación de fabricación, suciedad del filtro, tolerancia ambiental, voltaje de suministro, desequilibrio del flujo de aire y el tiempo necesario para detectar una falla del ventilador. Defina el margen en el componente protegido e indique la condición de prueba exacta.

El polvo, la niebla salina y el mantenimiento de los filtros cambian la economía

Un cargador en una carretera costera o en un polvoriento depósito de flotas detecta un problema de ventilador diferente al de un laboratorio de prototipos interior limpio.

Abrir el gabinete para el intercambio de aire cambia los límites ambientales. El filtro debe controlar la contaminación deseada sin consumir tanto margen de presión que el módulo de potencia pierda flujo de aire. Los aerosoles de sal, el polvo conductor, la neblina de aceite, los insectos y la humedad pueden afectar el filtro, el motor del ventilador, los conectores y las superficies del disipador de calor. El nivel de protección correcto depende del gabinete completo, no solo de la marca del componente del ventilador.

Defina el estado de mantenimiento con un umbral de presión medible o un intervalo de exposición validado. Un filtro que parece aceptable puede tener un aumento de presión que aleja el ventilador de su punto de diseño. Por el contrario, un filtro puede estar limpio pero mal asentado, lo que permite desviar la contaminación hacia los componentes electrónicos. Incluya el acceso para el reemplazo del filtro, la compresión de la junta, la orientación, los registros de servicio y lo que hace el cargador cuando se ignora la alarma del filtro.

Al comparar un ventilador de mayor presión con un ventilador de menor potencia, compare el costo total del servicio. Un ventilador que funciona más rápido puede recuperar el flujo de aire pero aumentar el sonido, la potencia auxiliar y la tensión de los rodamientos. Un ventilador más grande a velocidad moderada puede tener más margen, pero sólo si el recinto tiene espacio y la curva de presión instalada lo soporta. MEGA Tech puede ayudar a comparar estas alternativas con la ruta real del filtro y el disipador de calor.

PWM, FG y RD deben validarse durante transitorios de carga

Las señales de control son parte de la cadena de seguridad térmica, no solo una interfaz de conveniencia.

Un controlador de cargador puede controlar ventiladores a través de PWM, voltaje analógico, pasos discretos o un controlador de motor dedicado. Confirmar el trabajo mínimo que arranca confiablemente el ventilador, el comportamiento a baja temperatura, la respuesta ante un paso brusco de potencia y el comando máximo permitido. Algunos ventiladores pueden pararse u oscilar a un nivel de servicio bajo inadecuado, mientras que un ventilador con un rango de control más amplio puede reducir el sonido y la energía durante el modo de espera.

Se debe verificar la integridad del pulso del FG o de la retroalimentación del tacómetro durante eventos de ruido de conmutación y operación a baja velocidad. RD o la salida de alarma deben distinguir el rotor bloqueado, la falta de suministro y una señal inverosímil. Pruebe el enrutamiento de cables cerca de nodos de conmutación de alta corriente, la retención del conector durante la vibración, el reinicio después de una caída de tensión y el comportamiento cuando se desconecta un ventilador. El cargador no debe continuar a plena potencia cuando la retroalimentación de enfriamiento no sea válida, a menos que el sistema haya demostrado un respaldo seguro.

Para conjuntos de ventiladores redundantes, pruebe los estados de falla que el controlador realmente puede detectar. Un rotor que gira lentamente, un ventilador con entrada bloqueada, una línea de tacómetro desconectada y una línea de control en cortocircuito pueden producir diferentes señales eléctricas. La respuesta de protección debe basarse en evidencia útil de flujo de aire o temperatura cuando sea posible, no en una señal de retroalimentación optimista.

Prueba de lanzamiento: reproduzca la sesión de carga, no un banco estático

Una versión creíble del cargador-ventilador utiliza un perfil de potencia repetible, resistencia instalada y estados ambientales.

Congele la configuración del cargador: módulos de alimentación, disipadores de calor, cubiertas, filtros, ventiladores, enrutamiento de cables, firmware, sensores, paneles del gabinete y espacios libres de servicio. Establezca una línea de base con filtros limpios y registre la presión instalada y el flujo de aire en varios comandos del ventilador. Luego ejecute un perfil de energía que incluya arranque, rampa, alta potencia sostenida, potencia reducida y una segunda sesión antes de que el gabinete vuelva a la temperatura ambiente.

Repita el perfil al voltaje de suministro del ventilador mínimo permitido y ambiental más alto especificado. Agregue un filtro de límite de servicio o restricción calibrada. Pruebe la parada del ventilador, la pérdida del tacómetro, la respuesta de alarma, la falla de un ventilador, el reinicio y la recuperación de energía. Si el cargador se instala al aire libre, incluya los límites previstos de lluvia, polvo, sal, sol y humedad o indique claramente qué pruebas ambientales pertenecen al equipo de certificación del gabinete.

El informe de liberación debe incluir el flujo de aire suministrado, la presión estática, la presión del filtro, el voltaje del ventilador, el comando, RPM, la corriente, la temperatura del módulo de potencia, la temperatura de entrada y salida, el ambiente, el resultado acústico, el umbral de reducción de potencia, el retraso de la alarma y el tiempo de recuperación. El informe también debe identificar lo que no se probó. Esto hace que el trabajo posterior de reemplazo o reducción de costos sea auditable en lugar de depender de la afirmación de que el cargador se probó una vez a la potencia nominal.

Cómo MEGA Tech admite un ventilador de cargador de vehículos eléctricos personalizado

Ayudamos a los fabricantes de cargadores a convertir la pérdida del módulo de potencia y la resistencia de la carcasa en una muestra de ventilador comprobable.

MEGA Tech suministra ventiladores axiales DC personalizados, ventiladores compactos y conjuntos de ventiladores de alta presión estática para gabinetes de carga de vehículos eléctricos y equipos de conversión de energía. Revisamos el mapa de pérdida de energía, la geometría del disipador de calor, la presión del filtro y la rejilla, la envolvente del ventilador, el rango de voltaje, el control PWM o analógico, la retroalimentación del FG/RD, el objetivo acústico, la vibración, la exposición ambiental, la redundancia y el intervalo de servicio. Nuestro objetivo es brindar una muestra significativa en el punto de trabajo instalado, no simplemente citar un número de flujo de aire máximo.

Para una revisión inicial, envíe la potencia y eficiencia del cargador por estado operativo, temperatura límite de los componentes, perfil de la sesión de carga, dibujos o fotografías del gabinete, flujo de aire y presión requeridos, datos del filtro, voltaje de suministro mínimo y máximo, interfaz de control, cantidad, límite de ruido y condición ambiental. Para un reemplazo, incluya el número de pieza del ventilador original, el comando medido, la presión instalada, si está disponible, y el síntoma de reducción de potencia. Esta información permite una comparación práctica con marcas de ventiladores industriales establecidas manteniendo al mismo tiempo los límites de rendimiento honestos.

Podemos admitir el ajuste de prototipos, la comparación de muestras, la caracterización de P-Q y la transición de producción. El integrador del cargador sigue siendo responsable de la seguridad de alto voltaje, la certificación del gabinete, la conexión a tierra, la aprobación EMC, la gestión térmica de la batería y el cable y la lógica de reducción final. Se debe aceptar un reemplazo de menor costo sólo después de que la presión, el flujo de aire, el control, la confiabilidad y la evidencia ambiental coincidan con la aplicación.

Preguntas frecuentes de los ingenieros: ventiladores de refrigeración del cargador de vehículos eléctricos

Respuestas breves para una revisión del gabinete de energía y de la reducción térmica.

P: ¿Se pueden utilizar los kW de salida del cargador directamente como flujo de aire del ventilador? R: No. Convierta las pérdidas del módulo de potencia que se convierten en calor del gabinete, luego calcule y mida el flujo de aire a la presión instalada.

P: ¿Por qué un cargador puede reducir su potencia cuando el ventilador RPM parece normal? R: Un filtro cargado, una restricción del disipador de calor, una ruta de derivación o un desequilibrio del flujo de aire pueden reducir el flujo útil sin un cambio proporcional.

P: ¿La velocidad del ventilador debe seguir la potencia de salida del cargador? R: La alimentación anticipada puede mejorar la respuesta, pero debe combinarse con la temperatura u otra evidencia y validarse a lo largo de la constante de tiempo térmica.

P: ¿Un ventilador exterior hace que el cargador sea resistente a la intemperie? R: No. Los equipos responsables de certificación y gabinete deben evaluar el ventilador completo, el filtro, la rejilla, la junta, el drenaje y la abertura del gabinete.

P: ¿Cuáles son los datos más útiles para una muestra de ventilador personalizada? R: Pérdida de energía por estado, temperatura límite, perfil de carga, flujo de aire y presión, condición del filtro, voltaje, control, retroalimentación, envolvente, ruido y entorno.

Lista de verificación de revisión del diseño del ventilador del cargador de vehículos eléctricos

Utilice estas preguntas antes de aprobar un ventilador, un reemplazo o una muestra para reducir costos.

• ¿La potencia de salida del cargador y las pérdidas de conversión interna están separadas en el presupuesto de calor?
• ¿Qué módulo de potencia, disipador de calor o conector define la temperatura límite?
• ¿La validación utiliza el perfil de energía de la sesión de carga real y las sesiones repetidas?
• ¿Cuál es el punto de trabajo del ventilador con el filtro de limpieza y límite de servicio?
• ¿Se han medido la derivación, la recirculación, la congestión de cables y la falta de coincidencia entre ventiladores?
• ¿El ventilador arranca, controla e informa correctamente sobre FG/RD en todo el rango de voltaje de suministro?
• ¿Qué sucede cuando un ventilador se detiene, se pierde la retroalimentación del tacómetro o se ignora la alarma del filtro?
• ¿Están incluidos en el límite final el polvo, la sal, la humedad, la lluvia, el ruido, las vibraciones y el acceso a servicios?
• ¿El ventilador de reemplazo coincide con el rendimiento instalado y no solo con el tamaño del marco y el voltaje nominal?