Selección de ventiladores para cargadores rápidos

Cuando la energía de carga disminuye, no culpe primero al ventilador

Un cargador rápido DC puede reducir su potencia incluso cuando todos los ventiladores parecen estar girando normalmente. El problema limitante puede ser la pérdida del módulo de potencia, el contacto del disipador de calor, la derivación de aire, la carga del filtro o una curva de control que reacciona demasiado tarde.

Un cargador de alta potencia convierte la energía eléctrica a través de rectificadores, etapas PFC, módulos aislados DC-DC, contactores, barras colectoras y electrónica de control. El vehículo recibe la mayor parte de la energía de entrada, pero la pérdida restante se convierte en calor dentro de un gabinete que puede estar expuesto al sol, el polvo, la lluvia y repetidas sesiones de carga. El diseño térmico debe mantener la unión de semiconductores, los elementos magnéticos, los condensadores, los conectores y las interfaces de cables dentro de sus límites aprobados mientras el cargador continúa entregando la salida prevista.

El ventilador es sólo una parte de esa cadena. El disipador de calor, la interfaz térmica, la rejilla de entrada, el filtro, el conducto, el mazo de cables, la rejilla de salida y la geometría del gabinete crean la resistencia del sistema. Un ventilador de catálogo con un número grande de aire libre CFM puede suministrar mucho menos aire a través de un paquete denso de aletas y un filtro cargado. Por el contrario, un ventilador más grande puede agregar corriente, ruido y vibración sin mejorar el dispositivo más caliente si la ruta del aire pasa por alto el disipador de calor.

Este artículo ofrece a los ingenieros térmicos y a los equipos de adquisiciones un método repetible: estimar la pérdida, definir el punto de presión-flujo instalado, separar los estados normal y reducido, validar PWM y la retroalimentación, y medir la temperatura en los módulos de potencia reales. Los ejemplos numéricos son estimaciones de planificación ilustrativas, no límites para una plataforma de cargador en particular.

Convierta la eficiencia del cargador en un rango de carga de calor

La primera entrada del ventilador no es la energía de la placa de identificación del cargador; es la pérdida la que se convierte en calor en la sección enfriada por aire.

Comience con el mapa de eficiencia para el rango operativo real. Un cargador de 60 kW con una eficiencia de conversión del 96 % rechaza aproximadamente 2,4 kW como pérdida total. Un sistema de 150 kW al 97% rechaza alrededor de 4,5 kW. Un sistema de 350 kW al 98% todavía rechaza unos 7 kW. Estos son ejemplos simples: las pérdidas reales varían con el voltaje de entrada, el voltaje de salida, el factor de potencia, la frecuencia de conmutación, la temperatura del cable, el porcentaje de carga y el límite entre los conjuntos enfriados por aire y por líquido.

No incluya el número total de pérdidas en el cálculo de un solo ventilador sin identificar adónde va el calor. Algunos módulos de potencia pueden usar placas frías, mientras que los imanes, contactores, barras colectoras, filtros y tableros de control permanecen enfriados por aire. El requisito del ventilador del lado del aire debe utilizar el calor asignado a esa ruta de aire, más cualquier calor que ingrese al gabinete desde los componentes adyacentes y la ganancia solar.

Para una sección ilustrativa enfriada por aire que disipa 1200 W con una elevación de aire permitida de 12 K, Qv = P/(rho x cp x deltaT) da aproximadamente 0,083 m3/s, o 176 CFM, utilizando una densidad del aire de aproximadamente 1,2 kg/m3 y una capacidad calorífica de aproximadamente 1,0 kJ/(kg K). Ése es un flujo de equilibrio térmico ideal. No incluye recirculación, distribución desigual de la fuente de calor, altitud, carga del filtro o límite de temperatura de ningún dispositivo individual.

Por qué el flujo de aire del disipador de calor no es lo mismo que el flujo de aire del gabinete

Un gabinete puede mostrar un alto flujo de escape mientras un módulo de potencia permanece caliente si el aire pasa por alto el paquete de aletas o se mezcla con aire tibio recirculado.

Los disipadores de calor densos requieren presión para empujar el aire a través de canales de aletas estrechos. Los filtros y rejillas protectoras añaden más resistencia, mientras que los haces de cables y los rieles estructurales pueden obstruir la entrada. El punto de funcionamiento del ventilador es donde la curva del ventilador P-Q cruza la curva completa del sistema. El número impreso como máximo CFM a presión cero es solo un punto endp de esa curva.

Como ejemplo práctico, supongamos que la estimación del equilibrio térmico necesita 176 CFM y el recorrido limpio del gabinete requiere 110 Pa con ese flujo. Un filtro en su límite de mantenimiento agrega otros 55 Pa, y una cubierta de disipador de calor mal sellada crea una derivación que permite que el 20% del flujo evite las aletas. Es posible que el ventilador aún mueva un volumen total grande, pero el flujo útil del disipador de calor puede estar cerca de 141 CFM antes de que se corrija la derivación. La solución correcta puede ser una cubierta, un sello o una transición de conducto en lugar de un ventilador con una clasificación de aire libre mayor.

Utilice grifos de presión en los límites definidos: entrada del ventilador, entrada del disipador de calor, filtro, salida y, cuando sea útil, a través del paquete de aletas. Combine estas lecturas con las temperaturas de los componentes. Un solo valor del anemómetro de escape no puede indicarle al ingeniero si el aire enfrió el interruptor, el transformador o el banco de capacitores críticos.

Interactivo: observe cómo se mueve el margen térmico con la carga y el estado del filtro

La animación separa un estado de carga ligera, un estado de carga de alta potencia y un estado de filtro cargado para que el comando del ventilador no se juzgue desde un punto estable.

En una sesión con carga ligera, un ventilador de velocidad fija puede desperdiciar energía y generar ruido innecesario. A una potencia de salida alta, el mismo comando puede ser demasiado bajo si la pérdida de calor aumenta más rápido de lo esperado. Cuando el filtro se carga, es posible que el ventilador necesite más capacidad de presión aunque su retroalimentación RPM siga siendo normal. Un controlador que utiliza solo un punto de temperatura puede reaccionar lentamente a un punto de acceso local del módulo de alimentación.

Utilice el interactivo para definir la matriz de prueba, no para reclamar un umbral de reducción universal. El controlador real debe registrar la potencia de salida, la potencia de entrada, la temperatura del módulo, la temperatura del disipador de calor, el ambiente, el comando del ventilador, FG o tacómetro, la corriente, la presión y el estado del filtro. La alineación del tiempo es importante porque el gabinete y el disipador de calor tienen diferentes constantes de tiempo térmicas.

El control PWM debería reducir la energía sin ocultar un problema de presión

El control de velocidad variable es valioso para la eficiencia y el ruido del cargador, pero debe validarse en los puntos de funcionamiento mínimo, normal y máximo.

Un cargador puede pasar gran parte de su tiempo por debajo de la potencia máxima, especialmente cuando la batería del vehículo se acerca a un estado de carga elevado o cuando el sitio limita la demanda de la red. PWM u otro método de control de velocidad puede reducir la entrada del ventilador, el ruido y el funcionamiento de los rodamientos durante estos períodos. La curva aún debe mantener un flujo de aire mínimo suficiente para los sensores, condensadores y componentes que permanecen calientes después del paso de potencia.

Un ejemplo transparente: un ventilador de 48 V que consume 0,8 A a pleno rendimiento consume aproximadamente 38,4 W. En un punto de carga parcial controlado que consume 0,35 A, consume aproximadamente 16,8 W. La diferencia es de 21,6 W por ventilador. Cuatro ventiladores ahorran unos 86 W mientras el cargador está en ese estado. Esta es una comparación de planificación; la curva real de corriente versus comando debe medirse con la presión instalada y la frecuencia PWM del controlador.

No utilice PWM para ocultar una vía de presión de tamaño insuficiente. Si el ventilador ya está cerca de su máximo mando en funcionamiento normal, un cambio de filtro o ambiente de verano puede quitar el margen restante. El controlador debe registrar el espacio libre disponible y crear una respuesta de servicio o reducción de potencia antes de que el módulo de potencia alcance una temperatura insegura.

• Pruebe el voltaje mínimo declarado y el arranque en caliente.
• Registre la corriente a potencia de carga ligera, nominal y máxima.
• Confirme la frecuencia del PWM, el servicio mínimo y el comportamiento del pulso de retroalimentación.
• Utilice histéresis o una rampa para evitar la búsqueda de comandos.
• Mantenga una respuesta térmica definida si se pierde FG/RD o si el ventilador se detiene.

Los cargadores de vehículos eléctricos para exteriores necesitan estados medioambientales y de mantenimiento

Un cargador que pasa una prueba de filtro limpio en interiores no ha demostrado funcionar en carretera en verano.

Las instalaciones exteriores añaden calefacción solar, polvo, lluvia, niebla salina, humedad y, a veces, limpieza a alta presión. El conjunto del ventilador, el marco del filtro, la junta, la entrada de cables y la ruta de drenaje del gabinete deben considerarse en conjunto. Un ventilador con clasificación IP no puede por sí solo certificar el gabinete, y un gabinete sellado aún puede perder flujo de aire cuando se carga su filtro.

Defina estados limpios, de límite de servicio y posteriores al servicio. Registre la presión diferencial con el mismo comando del ventilador, número de pieza del filtro, ambiente y potencia de salida. Si la presión del filtro se duplica, el punto de funcionamiento del ventilador se mueve incluso si el controlador mantiene el mismo RPM. La respuesta de temperatura del módulo puede mostrar que el margen térmico desaparece antes de que aparezca la alarma del ventilador.

El acceso al servicio es parte del tiempo de actividad. Si el filtro no se puede cambiar sin abrir el compartimento de alimentación sensible, es posible que se posponga el mantenimiento hasta que el cargador se reduzca. Si el reemplazo de un ventilador requiere una interrupción prolongada, N+1 o una estrategia de apagado controlado pueden ser más valiosas que una vida nominal del ventilador más alta.

El ruido y la confiabilidad son importantes en los sitios de carga públicos

El ventilador es escuchado por clientes, vecinos y personal de mantenimiento, y su vibración puede afectar el gabinete y la electrónica de potencia.

Un ventilador de alta velocidad puede alcanzar un punto térmico pero crear un pico tonal cerca de un área de estacionamiento. El tono del paso de una cuchilla puede volverse más perceptible cuando resuena el panel del gabinete, el marco del filtro o la cubierta del disipador de calor. Mida en la posición del cliente y a un metro sólo si ese es el método definido en el proyecto. Registre el comando y la frecuencia del ventilador para que se pueda rastrear un problema tonal hasta un estado operativo reproducible.

La selección de los rodamientos y la temperatura afectan la vida. Un ventilador utilizado cerca de un disipador de calor caliente o en un camino polvoriento debe evaluarse según la temperatura real y las condiciones de contaminación, no solo según el valor nominal de vida útil a temperatura ambiente. Los soportes de vibración, la rigidez del soporte y el alivio de tensión del cable deben inspeccionarse después de los ciclos térmicos y las operaciones de la puerta o el panel de servicio.

Para un proyecto de reemplazo, compare los ventiladores actuales y candidatos en cuanto a espectro acústico, corriente, retroalimentación, comportamiento de presión-flujo, montaje y reinicio en caliente. Un precio de compra más bajo sólo es útil si el reemplazo preserva el margen térmico del cargador y reduce el riesgo total del servicio.

Aceptación: Vincular la reducción de potencia a la evidencia, no a un número de temperatura

Una prueba robusta del cargador explica cuándo el sistema se reduce, qué componente lo activa y si el factor limitante es la refrigeración o la conversión de energía.

Instrumente las fuentes de calor críticas: la base del módulo o semiconductor más caliente, la entrada y salida del disipador de calor, el sistema magnético, el banco de condensadores, la conexión de cables, la entrada del ventilador y el escape del gabinete. Registre la potencia de entrada y salida, el ambiente, el comando del ventilador, la corriente, el voltaje, la retroalimentación, la presión y el estado del filtro. Repita después de un baño térmico en lugar de aceptar los primeros cinco minutos de un arranque en frío.

Si el punto caliente aumenta mientras la temperatura promedio del escape sigue siendo aceptable, inspeccione la distribución y la interfaz térmica antes de seleccionar un ventilador más grande. Si todas las fuentes de calor aumentan juntas y el espacio libre de presión es bajo, la ruta de aire o el ventilador pueden ser limitantes. Si las temperaturas son estables pero el cargador aún reduce su potencia, investigue los umbrales de control, la ubicación de los sensores, los límites de la etapa de potencia y la lógica de comunicación.

El informe debe indicar por separado los valores medidos, las estimaciones, los límites del proveedor y los criterios de aceptación del propietario del sistema. Eso hace posible un futuro reemplazo o personalización sin reescribir todo el argumento térmico.

Donde encaja MEGA Tech

Ayudamos a los equipos de cargadores de vehículos eléctricos a desarrollar un ventilador o una muestra de reemplazo alrededor del módulo de potencia, el gabinete y la interfaz de control reales.

MEGA Tech puede revisar ventiladores axiales DC personalizados, ventiladores centrífugos y módulos de ventilador para cargadores de CA, cargadores rápidos DC, gabinetes de conversión de energía, intercambiadores de calor líquido-aire y dispositivos electrónicos de carga. La revisión de ingeniería puede cubrir el marco y el espesor, el comportamiento de presión-flujo, riel de 12/24/48 V, PWM o control de voltaje, retroalimentación FG/RD, conector y arnés, elección de rodamientos, estrategia IP, rango de temperatura, ruido, vibración y redundancia.

Para una primera revisión, envíe los datos de eficiencia y salida del cargador, la proporción de pérdidas enfriadas por aire, la presión del disipador de calor y del filtro, la envolvente del ventilador, la dirección del flujo de aire, la tolerancia de voltaje, la interfaz de control, el rango ambiental y solar, el punto de ruido, la condición de servicio y la cantidad esperada. Una imagen térmica en el momento de la reducción de potencia suele ser la forma más rápida de separar un problema del ventilador de un problema del disipador de calor o del control.

También podemos evaluar reemplazos rentables para ventiladores Sanyo Denki, SUNON, Delta, NMB o ebm-papst. El reemplazo se juzga en el mismo punto de trabajo instalado e interfaz eléctrica, con muestras disponibles para primeras construcciones pequeñas antes de que se fijen las cantidades de producción.

Preguntas frecuentes de los ingenieros: selección de ventiladores de carga rápida para vehículos eléctricos

Estas preguntas mantienen la pérdida de energía, la presión del ventilador y la reducción térmica en un plan de validación rastreable.

P: ¿Cuánto flujo de aire necesita un cargador de 150 kW? R: Depende de la eficiencia, la proporción de pérdidas enfriadas por aire, el aumento de temperatura permitido, la altitud, la recirculación y la presión instalada. Calcule un rango de planificación y luego valide los puntos calientes reales y el flujo del disipador de calor.

P: ¿Un ventilador con capacidad de 300 CFM entrega 300 CFM en el cargador? R: Generalmente no a una presión restringida. Utilice la curva del ventilador P-Q y la curva del sistema del gabinete en los estados de filtro limpio y cargado.

P: ¿Puede PWM resolver un problema térmico del cargador? R: PWM puede reducir la potencia y el ruido o agregar velocidad durante un paso de carga, pero no puede eliminar una restricción de presión o una ruta de derivación.

P: ¿Por qué el cargador puede reducir su potencia con el ventilador normal RPM? R: RPM demuestra el movimiento del rotor, no el flujo de aire del disipador de calor. Verifique la presión, el bypass, el bloqueo de las aletas, la posición del sensor, la interfaz térmica y el punto de acceso real.

P: ¿Es adecuado automáticamente un ventilador de 48 V? R: No. Verifique el rango de voltaje real, arranque, PWM, FG/RD, corriente, temperatura, estrategia IP, rodamiento y presión instalada.

P: ¿Qué se debe incluir en una muestra de reemplazo? R: Ventilador, conector, montaje, dirección del flujo de aire, comportamiento presión-flujo, respuesta del control, retroalimentación, corriente, ruido, reinicio en caliente y resultados del filtro limpio/cargado.

Lista de verificación de revisión de enfriamiento del cargador de vehículos eléctricos

Utilice esta lista de verificación antes de congelar un ventilador, un disipador de calor, un filtro o una curva de reducción de potencia.

• ¿Cuál es la pérdida enfriada por aire a potencia ligera, nominal y máxima?
• ¿Qué componente es el límite térmico real?
• ¿Qué flujo de aire se requiere con la presión instalada y el estado del filtro?
• ¿Dónde están los grifos de presión y los sensores de temperatura críticos?
• ¿El ventilador arranca con el voltaje de riel más bajo después de un baño caliente?
• ¿Estaban alineados en el tiempo PWM, FG/RD, corriente, presión y temperatura?
• ¿Qué sucede si el filtro está cargado, si la rejilla está bloqueada o si falla un ventilador?
• ¿La ruta del aire evita el disipador de calor o recircula el aire de escape?
• ¿Dónde se mide el ruido acústico y qué estado de funcionamiento es más audible?
• ¿Qué valores mide, estima o posee el equipo de certificación de cargadores?