Refrigeración del cargador a bordo y del convertidor DC

El convertidor que nadie oye hasta que se detiene

Un cargador a bordo de 11 kW y un convertidor DC-DC de 3 kW comparten una carcasa, un disipador y normalmente un ventilador. Su calor no es la parte difícil; todo lo demás en un vehículo de carretera sí lo es.

La infraestructura de carga recibe la atención porque es grande y ruidosa. Los convertidores dentro del vehículo son más silenciosos, pequeños y difíciles de refrigerar: están junto a un inversor de tracción, sobre una superficie de carretera que irradia calor, y funcionan durante horas en una condición de acumulación térmica dentro de un garaje después de que el vehículo se ha detenido. Cuando fallan, el síntoma es común: la carga se detiene, se reduce o no arranca en un cargador de carretera caliente; y nadie lo relaciona con un ventilador.

Tres condiciones distinguen este servicio del de un ventilador de armario. El aire de entrada ya está caliente, por lo que el aumento de temperatura disponible es pequeño y el propio aire es menos denso. La carcasa está atornillada a algo que vibra durante miles de horas, lo que hace que la fatiga mecánica sea al menos tan importante como el margen térmico. Además, el entorno incluye lavado a alta presión y sal de carretera invernal, factores que determinan si puede existir una abertura.

Este artículo analiza el servicio en ese orden: presupuesto de pérdidas, clasificación de temperatura, el argumento de la densidad que hace fallar a la mayoría de los diseños, trayectoria de conducción, trayectoria del aire en un vehículo en movimiento, vibración, estanqueidad, frío y condensación, control eléctrico, ruido y, finalmente, las evidencias que deben solicitarse al proveedor del ventilador.

Qué genera el calor

Antes de discutir el caudal de aire, hay que contar los vatios. En este servicio, la cifra es menor de lo que esperan los ingenieros, y precisamente por eso la refrigeración por aire puede funcionar, si todo lo demás coopera.

Un cargador a bordo moderno de 11 kW funciona con una eficiencia aproximada del 94-96 %, lo que sitúa sus pérdidas continuas cerca de 440-660 W; tomemos aproximadamente 480 W en un punto de funcionamiento típico. Un convertidor DC-DC de alta tensión a baja tensión de 3 kW con una eficiencia del 95-97 % añade aproximadamente 90-150 W. En conjunto, son unos 600 W de calor continuo repartidos entre una etapa de potencia, componentes magnéticos y un conjunto de condensadores DC-link, dentro de una carcasa de unos pocos litros.

El pico no es la parte interesante. Lo que importa es la duración: una sesión de carga doméstica dura varias horas, una sesión en un depósito de flota puede durar más, y ambas pueden comenzar con el vehículo ya saturado térmicamente por la conducción. Por tanto, el sistema de refrigeración debe mantener sus límites de temperatura durante una meseta larga y estable, no durante un pico breve, lo que hace que la conducción y el flujo en régimen permanente sean más importantes que la capacidad transitoria.

Por eso la carcasa suele tener refrigeración por aire en lugar de una derivación líquida del circuito de la batería. Seiscientos vatios están realmente en el límite: son alcanzables mediante aire forzado con una temperatura ambiente baja o moderada, pero se vuelven inalcanzables cuando el aire de entrada, el espacio de sujeción y la vibración eliminan conjuntamente el margen. Saber de qué lado de esa línea está un diseño comienza con la clasificación del propio aire.

La temperatura bajo el capó es una clasificación, no una suposición

Los programas de vehículos no negocian verbalmente la temperatura ambiente. Citan un código de ISO 16750-4, y ese código determina todas las cifras posteriores.

ISO 16750-4 define los rangos de temperatura de funcionamiento mediante códigos de letras, y la parte relevante de la tabla para la electrónica de potencia indica: F es de -40 a 80 C, G de -40 a 85 C, H de -40 a 90 C, I de -40 a 95 C, J de -40 a 100 C y K de -40 a 105 C. El código aplicable se establece según la ubicación de montaje y el requisito propio del fabricante del vehículo; la electrónica instalada bajo el capó y en el tren motriz suele situarse entre G y K.

La segunda condición es la que suele causar problemas. Cuando se aplica la acumulación térmica, la norma añade 15 K a la temperatura máxima de funcionamiento. Una unidad con clasificación G ve 85 C durante el servicio y debe soportar 100 C después de la parada, sin flujo de aire a través de la carcasa ni generación de calor que mantenga el movimiento del aire. Cualquier ventilador seleccionado contra la cifra sin acumulación térmica parecerá adecuado sobre el papel y será incorrecto en campo.

Haga una pregunta en toda revisión inicial: ¿qué código está especificado y se incluye la acumulación térmica? La respuesta determina la densidad de entrada, el aumento admisible, la temperatura del rodamiento y, por tanto, la vida del ventilador; además, es mucho más barato corregirlo durante la especificación que después de fabricar las herramientas de la carcasa.

Densidad: por qué el aire a 85 C representa un servicio diferente para el ventilador

Un ventilador mueve volumen. La eliminación de calor depende de la masa. A 85 C, ambas cifras divergen más de un 20 %.

El caudal másico de aire requerido está fijado por el servicio, no por el ventilador: m = P / (cp x dT). Para 600 W, con cp aproximadamente igual a 1005 J/(kg x K) y un aumento admisible de 15 K, el requisito es de aproximadamente 0.04 kg/s, o unos 143 kg/h. Esa línea es plana en todas partes: no depende de la temperatura del aire de entrada.

Lo que entrega un ventilador determinado sí depende de ella. Tomemos un ventilador que mueve 150 m3/h entregados en el sistema instalado. El caudal másico es el volumen multiplicado por la densidad, y la densidad disminuye con la temperatura: aproximadamente 181 kg/h con una entrada a 20 C, 166 a 45 C, 157 a 65 C, 147 a 85 C y 139 a 105 C. Si se representan ambas cifras, se cruzan cerca de 92 C: por encima de esa temperatura de entrada, este ventilador ya no puede mantener un aumento de 15 K con 600 W a ninguna velocidad que conserve el mismo volumen entregado.

La consecuencia práctica es que especificar el caudal en metros cúbicos por hora sin indicar la densidad de referencia carece de significado para este servicio. Especifique el caudal másico requerido, o el caudal volumétrico junto con la densidad de entrada utilizada para calcularlo, y compruebe el diseño durante la acumulación térmica, no en la clasificación nominal. Si el ventilador no puede encajar, las alternativas honestas son un caudal mayor o un aumento admisible menor, lo que normalmente significa que el disipador necesita más superficie, no un motor más rápido.

Dónde no puede ayudar el ventilador

Seiscientos vatios atraviesan varias resistencias antes de salir. Solo 2 de ellas son responsabilidad del ventilador, y saber cuáles son ahorra la mayor parte del presupuesto.

Una cadena representativa para este servicio con una entrada a 85 C indica: unión del semiconductor aproximadamente a 150 C, placa base del módulo cerca de 125 C, aletas del disipador cerca de 105 C, aire de salida aproximadamente a 100 C y aire de entrada en la rejilla a 85 C. Cada salto es una resistencia térmica en serie, y la unión alcanza la temperatura que determina la suma.

El ventilador solo afecta a la última o las 2 últimas: la convección entre aleta y aire y la capacidad de la carcasa para llevar aire fresco a esas aletas. El material de interfaz, la presión de montaje y la geometría de las aletas pertenecen al diseño mecánico del módulo, y un ventilador más rápido sobre una interfaz deficiente compra ruido en lugar de margen. Corrija la interfaz y después compre caudal de aire.

La orientación importa más aquí que en una instalación fija. La misma carcasa se encuentra en distintos ángulos en diferentes vehículos, puede recibir la radiación ascendente de una superficie caliente y no puede asumir una chimenea vertical limpia. Por tanto, la contribución de la convección natural no es fiable y debe tratarse como cero para cualquier límite crítico de seguridad.

La trayectoria del aire en un vehículo que no permanece quieto

La instalación en un vehículo elimina lo que un diseñador de armarios da por sentado: una orientación fija, un plenum limpio y una relación predecible entre entrada y salida.

El cortocircuito de aire es el primer fallo. El aire de salida de la carcasa, a 100 C, queda inmediatamente disponible para la entrada en un compartimento compacto; salvo que exista una trayectoria de entrada definida y una separación física, parte del flujo simplemente recircula y la temperatura efectiva de entrada supera los 85 C especificados. Un CFD a escala del compartimento realizado al principio es más barato que añadir caudal después, y la posición de la entrada debe elegirse según el peor caso medido, no según lo que parezca ordenado.

En segundo lugar, el vehículo está en movimiento. A velocidad existe aire de impacto y un campo de presión bajo el capó que puede ayudar al ventilador o enfrentarse a él; estacionado en una condición de acumulación térmica, no hay flujo forzado y la flotabilidad puede oponerse a la dirección prevista. Por tanto, el servicio del ventilador debe mantenerse a velocidad cero del vehículo, que normalmente corresponde a las condiciones de carga más importantes.

En tercer lugar, todo lo cercano es una fuente: un ventilador del radiador, un compresor o un inversor vecino. Los espacios de entrada compartidos implican fuentes de presión competidoras, y un ventilador que funciona cerca de la entrada en pérdida dentro del campo de presión de otro componente no entregará ni su curva ni su vida útil. La separación física, los conductos hacia una fuente definida y una comprobación durante el funcionamiento adyacente en el peor caso deben incluirse en la revisión del diseño.

Vibración: el modo de fallo que nadie modela

En la electrónica de potencia montada, los ventiladores fallan por carga mecánica acumulada al menos con tanta frecuencia como por calor. Ambas condiciones actúan sobre el mismo rodamiento.

ISO 16750-3 define las cargas mecánicas según la ubicación de montaje, y la severidad no es ligera: para equipos montados en la cabina de vehículos comerciales, la prueba de vibración aleatoria se ejecuta de acuerdo con IEC 60068-2-64 durante 32 h por plano, con valores especificados de aceleración cuadrática media de 21.3 m/s2 verticalmente, 11.8 m/s2 longitudinalmente y 13.1 m/s2 lateralmente. La vibración es de banda ancha, por lo que cualquier elemento con una resonancia mecánica dentro de esa banda constituye un problema de fatiga, no de resistencia.

Un ventilador es un conjunto giratorio con sus propias resonancias y un rodamiento cuya carga aumenta con el cuadrado de la velocidad. Si se combina con un soporte cuyo modo está cerca de una frecuencia de contenido intensa, el rodamiento soporta varias veces su carga de diseño durante cientos de horas. La secuencia habitual no es un fallo inmediato: consiste en migración de la grasa, aumento del ruido, deriva de la corriente y después agarrotamiento, lo que en un convertidor significa reducción de potencia o interrupción de la carga, a menudo atribuido a «la electrónica».

4 medidas cubren la mayor parte del problema. Seleccione el rodamiento y la lubricación para la temperatura y la vibración conjuntamente, no solo para la temperatura. Mantenga las resonancias propias del ventilador y el primer modo del soporte alejados del contenido intenso del espectro de entrada, y rigidice el montaje en lugar de añadir masa. Disponga el mazo de cables con alivio de tensión para que el movimiento del cable no cargue el conector. Y especifique explícitamente las evidencias de cualificación frente a vibración del ventilador, incluidos el eje, la duración y la clase de estado funcional para la que se ensayó.

Agua, sal y lavado: elegir qué puede entrar

La estanqueidad automotriz tiene su propio código y su propio alfabeto. Equivocarse significa tener un convertidor inundado o un convertidor imposible de refrigerar.

Los vehículos de carretera utilizan ISO 20653 en lugar del código genérico IEC 60529, porque los equipos del vehículo también deben sobrevivir a la limpieza a alta presión y alta temperatura. El sufijo K marca esa diferencia: IP6K9K describe equipos estancos al polvo que también resisten chorros de agua caliente a alta presión y corta distancia, exactamente lo que proporciona el lavado de un vehículo comercial o un chorro de limpieza de carretera invernal. Una clasificación IP67 estándar para inmersión no es la misma prueba ni es automáticamente adecuada para una aplicación de lavado.

Cada abertura debe diseñarse frente a ese requisito. Las entradas filtradas necesitan una trayectoria de drenaje y un medio que no retenga agua; las rejillas necesitan una geometría que desvíe el agua antes de que llegue al ventilador; y cualquier malla suficientemente fina para insectos o partículas añade una pérdida de presión que debe contabilizarse en condición sucia. La química agresiva no es únicamente el agua: la sal de carretera invernal es conductora y corrosiva, y llega a lugares donde no llega la lluvia.

Aquí la compensación se hace explícita: una mejor estanqueidad significa menos flujo de aire libre, y a veces la respuesta honesta es una carcasa estanca con un ventilador de circulación interno y conducción hacia la carcasa. Eso solo funciona si la superficie de la carcasa y el flujo de aire externo son suficientes, lo que devuelve el problema al presupuesto de pérdidas y a las resistencias de interfaz, no al ventilador.

Invierno: arranque en frío, condensación y el otro extremo

El mismo convertidor que se calienta en julio arranca a -40 C en febrero, y la condensación que se forma entre ambos extremos es la que lo corroe.

El comportamiento a baja temperatura es primero una cuestión mecánica y de lubricación, antes que térmica. A -40 C aumenta la viscosidad de la grasa y, con ella, el par de arranque; un ventilador que arranca de forma fiable a temperatura ambiente puede bloquearse a su velocidad mínima especificada. Cualquier estrategia de control que ordene una velocidad baja debe validarse durante el arranque en frío, con una detección de rotación que indique cero cuando el rotor no gira, en lugar de depender de un valor ordenado.

La condensación es el peligro más silencioso. Una carcasa que ha estado caliente y húmeda se enfría después de la parada y aspira aire cargado de humedad; el metal más frío, normalmente el conjunto de aletas o el cuerpo del conector, cruza primero el punto de rocío. Durante un invierno esto produce corrosión y seguimiento superficial en lugar de un fallo inmediato, y es la misma física contra la que lucha cualquier carcasa exterior estanca, solo que con un número de ciclos más rápido.

El conjunto de contramedidas es conocido: mezcla de aire a baja velocidad para mantener las superficies frías ligeramente más calientes de lo que estarían con aire inmóvil, mantener el ventilador apagado durante la ventana de mayor humedad cuando sea preferible, asegurar una trayectoria de drenaje sin sifones y verificar las elecciones de superficie y aislamiento frente a calor húmedo cíclico, no solo frente a humedad en régimen permanente.

Realidad eléctrica: lo que realmente suministra el vehículo

Los rieles de alimentación de escritorio y los rieles del vehículo prácticamente no tienen nada en común. El ventilador debe sobrevivir a los segundos.

Los entornos eléctricos de los vehículos incluyen caídas durante el arranque, load dump, condiciones de arranque auxiliar y eventos de polaridad inversa, en placas de 12 V, 24 V o, cada vez más, 48 V. Un ventilador no clasificado para todo el rango se quedará inmóvil cuando se necesite o sufrirá daños por un evento que nunca aparece en un banco de pruebas. El rango de entrada amplio, la protección contra polaridad inversa, el arranque suave y el comportamiento durante la subtensión deben especificarse, no suponerse a partir de la alimentación nominal.

El método de control también importa. El control de velocidad basado en tensión es sencillo, pero pierde autoridad con una tensión de alimentación baja; el control PWM mantiene la resolución de mando en todo el rango, pero inyecta contenido de conmutación que interactúa con la EMC a bordo y, en algunos diseños, con las propias mediciones del vehículo. La realimentación de velocidad y la detección de rotación deben tratarse como salidas de diagnóstico para el controlador del vehículo, no como extras opcionales, porque son la diferencia entre un convertidor que reduce su potencia gradualmente y otro que pierde silenciosamente un ventilador.

Ruido: el vecino más cercano oye primero el ventilador

Un cargador doméstico funciona durante la noche. Quien duerme junto al garaje forma parte del requisito acústico, esté escrito o no.

El ruido del ventilador aumenta considerablemente con la velocidad; por eso «simplemente aumentar las RPM» nunca es gratis. Para un cargador doméstico, el caso restrictivo suele ser el horario residencial silencioso, que coincide exactamente con la principal ventana de carga. La consecuencia de ingeniería es comprar margen acústico mediante la trayectoria térmica: mayor superficie de aletas, mejor interfaz, entrada y salida más limpias y una curva de control que alcance una velocidad alta rara vez y durante poco tiempo.

El contenido tonal importa tanto como el nivel. Una frecuencia de paso de las aspas que coincida con una resonancia del soporte produce un silbido mucho más molesto que un siseo de banda ancha con la misma presión sonora. Como la carcasa está montada en una estructura que también transmite el ruido de la carretera y los neumáticos, el soporte forma parte de la trayectoria acústica, y los aisladores deben elegirse según las cargas de vibración que soportarán, no solo según un objetivo de ruido.

Vida útil frente al perfil de misión del vehículo

Los vehículos se evalúan durante 10 años y cientos de miles de kilómetros. Una hoja de datos del ventilador indicada a 40 C no describe ese servicio.

La vida del rodamiento disminuye considerablemente con la temperatura, y estos 2 convertidores se encuentran en las carcasas más calientes del vehículo. Al combinar esto con vibración de banda ancha, la estimación honesta de vida debe proceder de ensayos realizados con el servicio real, es decir, temperatura, perfil de velocidad y entrada de vibración conjuntamente, en lugar de extrapolar una curva benigna de banco. Las pruebas secuenciales, primero temperatura y luego vibración, tienden a subestimar el daño de la exposición combinada; las pruebas de exposición combinada son más lentas y caras, y normalmente merecen la pena para una pieza difícil de alcanzar durante el servicio.

El empaquetado determina incluso si el ventilador puede recibir mantenimiento. Si la carcasa no puede abrirse sin desenergizar toda la unidad y drenar cualquier fluido, la sustitución del ventilador a mitad de vida se convierte en una operación de taller, y el objetivo de vida debe establecerse en consecuencia. Cuando el ventilador no puede recibir mantenimiento de forma realista, diseñe el objetivo de vida para el vehículo, no para el periodo de garantía.

Lo que puede solicitarse es económico: medición del punto de funcionamiento instalado, evidencias de cualificación frente a vibración aleatoria según el método y la duración de prueba especificados, verificación del arranque a baja temperatura a la velocidad mínima ordenada y un modo de fallo documentado para la pérdida de rotación. Esos 4 elementos convierten un candidato prometedor en una pieza especificada.

Qué puede hacer MEGA Tech aquí y qué necesitamos de usted

Fabricamos ventiladores de refrigeración para exactamente este servicio: especificados para el entorno del vehículo y validados en la propia carcasa del cliente antes de congelar la lista de materiales.

Lo que hacemos es selección y personalización en torno a un ciclo de trabajo real. El tamaño del marco, el espesor, la tensión y el rango de funcionamiento, la curva de velocidad, el control PWM, la realimentación FG/RD, el conector y la longitud del cable, la selección del rodamiento y la lubricación, y la protección contra polaridad inversa y condiciones de arranque son ajustables. Cuando se sustituye una unidad existente, incluidas máquinas fabricadas por Sanyo Denki (SAN ACE), SUNON, Delta, NMB o ebm-papst, trabajamos a partir del servicio instalado medido y no solo del tamaño del marco, porque contornos iguales no garantizan la misma entrega en una curva de sistema determinada.

Lo que necesitamos de usted es el entorno del vehículo, no solo un número de pieza: potencias nominales y cifras de eficiencia o pérdidas del convertidor, el código de temperatura ISO 16750-4 y si se aplica la acumulación térmica, la clase de carga mecánica ISO 16750-3, el requisito de estanqueidad ISO 20653, la geometría de entrada y salida, incluido el filtro y la malla, el entorno eléctrico y la interfaz de control, el límite acústico y su condición de medición, la vida objetivo y si la unidad admite mantenimiento, y cualquier curva de sistema o dato térmico medido del diseño existente.

Dónde termina nuestro alcance también forma parte de la respuesta. No suministramos la etapa de potencia del convertidor, la carcasa, el controlador del vehículo ni el diseño de seguridad a nivel de vehículo: la coordinación del aislamiento, las distancias de fuga, la seguridad funcional y el plan de cualificación del vehículo corresponden al fabricante del equipo y a su cliente. Nuestro alcance es el lado del aire de la trayectoria térmica y las evidencias de que sobrevive al servicio.

• Selección del ventilador según la curva del sistema instalado, con la densidad de entrada y la temperatura de acumulación térmica del peor caso.
• Personalización: marco, espesor, rango de tensión, curva de velocidad, PWM, FG/RD, conector, cable, rodamiento y lubricación, polaridad inversa y comportamiento de arranque suave.
• Asistencia para la cualificación frente a vibración, temperatura y exposición combinada según el perfil ISO 16750-3 especificado.
• Construcción de muestras, ensayo instrumentado en la carcasa real y un punto de funcionamiento documentado antes de la liberación para producción.

Preguntas frecuentes para ingenieros: selección de ventiladores para cargadores a bordo y DC-DC

Respuestas breves a las preguntas que surgen cuando la carcasa ya está fabricada y nadie quiere modificarla.

P: ¿Un ventilador de mayor RPM soluciona una carcasa que reduce potencia en verano? R: Solo si la trayectoria puede aprovechar el caudal adicional. Con una entrada a 85 C, el factor limitante suele ser el caudal másico entregado, y por encima del cruce un ventilador más rápido compra principalmente ruido y un punto de funcionamiento peor.

P: ¿Especificamos el caudal de aire en m3/h o en kg/s? R: Indique el caudal másico, o el caudal volumétrico junto con la densidad con la que se calculó. El caudal másico requerido lo determinan los vatios y el aumento admisible; el caudal másico entregado disminuye cuando el aire de entrada se calienta.

P: ¿Cuánto cambia realmente la adición de 15 K por acumulación térmica? R: Desplaza el punto de diseño aproximadamente un código ISO 16750-4, hacia la zona en la que un ventilador marginal ya no puede mantener el mismo aumento; compruebe explícitamente el punto más desfavorable en caliente en lugar del nominal.

P: Nuestros ventiladores superan las pruebas térmicas, pero fallan en las devoluciones de campo. ¿Por qué? R: Normalmente por vibración acumulada. Examine el primer modo del soporte, la clasificación de temperatura del rodamiento junto con su carga de vibración, el alivio de tensión del mazo de cables y si la cualificación del ventilador cubre 32 h por eje de entrada aleatoria de banda ancha.

P: ¿IP67 es suficiente para una instalación en un vehículo? R: No automáticamente. Los equipos de vehículos se clasifican según ISO 20653, y las clasificaciones con sufijo K cubren la limpieza con agua caliente a alta presión, que una clasificación de inmersión no ensaya.

P: ¿Podemos hacer funcionar el ventilador a baja velocidad para evitar ruido por la noche? R: Sí, pero hay que validarlo: el arranque en frío a -40 C y la detección de rotación con el mando mínimo son precisamente los puntos en los que las estrategias de baja velocidad fallan silenciosamente.

P: ¿Qué puede personalizar MEGA Tech para este servicio? R: Marco, espesor, rango de tensión, curva de velocidad, PWM, FG/RD, conector, cable, rodamiento y lubricación, protección contra polaridad inversa y comportamiento de arranque; todo seleccionado según su servicio medido y validado en su carcasa.

Preguntas para la revisión del diseño de refrigeración a bordo

Una lista de comprobación breve que evita que una reducción de potencia en verano se convierta en un intercambio interminable de ventiladores.

• ¿Qué código de temperatura ISO 16750-4 aplica y se incluye la adición por acumulación térmica?
• ¿Cuál es la pérdida combinada en vatios y está indicada para funcionamiento continuo en lugar de pico?
• ¿Está expresado el requisito de caudal de aire como caudal másico o como caudal volumétrico con su densidad de referencia?
• ¿Dónde está el cruce entre el caudal másico requerido y el entregado, y cuánto margen queda por debajo?
• ¿Qué umbral limita primero la vida útil: la unión de la etapa de potencia, el condensador, los componentes magnéticos o el rodamiento del ventilador?
• ¿Qué clase de carga mecánica ISO 16750-3 aplica y qué resonancias del soporte y del ventilador se encuentran dentro de esa banda?
• ¿Qué clasificación ISO 20653 se requiere y el diseño de entrada drena y excluye el agua durante el lavado?
• ¿Qué hace el ventilador al arrancar a -40 C y a la velocidad mínima ordenada, y qué ve el controlador si no gira?
• ¿Cuál es el límite acústico y en qué condición de medición, incluida la carga residencial nocturna?
• ¿Se ha medido el ventilador candidato en la carcasa real y se ha cualificado con el perfil de vibración real, o solo en un banco?