הבנת אתגרים תרמיים ביישומי טעינת EV

בעוד העיקרון של כלי רכב חשמליים (EVs) קיים מאז שקיימים כלי רכב על בנזין, רק בשנים האחרונות הם זוכים להכרה רחבה. ניתן לייחס את הזינוק הזה בפופולריות להתקדמות משמעותית בטכנולוגיית הרכב החשמלי (EV) יחד עם גיבוי ממשלתי משמעותי. לדוגמה, ההחלטה של האיחוד האירופי לאסור מכירת רכבי בעירה פנימית מ-2035‏ ‏ולחייב עמדות טעינה מהירות לרכב חשמלי כל 60 ק"מ עד 2025 משמשת עדות ברורה לזינוק הצפוי בביקוש.

כשכלי רכב חשמליים הופכים לאמצעי התחבורה הדומיננטי, גורמים כמו טווח מצבר ואפילו קצבי טעינה מהירים יותר ימלאו תפקידים מרכזיים בשמירה על הכלכלה העולמית. שיפורים בתשתית טעינת כלי רכב חשמליים (EV) יחייבו התקדמות בתחומים שונים, עם ניהול תרמי בולט כתחום מפתח הדורש התפתחות טכנולוגית.

מטעני כלי רכב חשמליים AC ו-DC – מה ההבדל ביניהם?

ככל שהביקוש לפתרונות טעינה מהירים יותר מתעצם, חלו שינויים הדרגתיים וטרנספורמטיביים בגישה. שינוי בולט אחד הוא האימוץ הגובר של מטעני DC — ‏מונח שעשוי להיראות בתחילה שנוי במחלוקת בהינתן שכל מערכות הסוללה פועלות מטבען על חשמל DC. עם זאת, ההבחנה המכרעת טמונה בהיכן מתרחשת ההמרה מ-AC ל-DC במערכות אלו.

מטען ה-AC הקונבנציונלי, בו נתקלים בדרך כלל בבתי מגורים, משמש בעיקר כממשק מתוחכם האחראי על תקשורת, סינון וויסות זרימת החשמל AC אל כלי הרכב. לאחר מכן, מטען DC מובנה בתוך הרכב מיישר אספקת כוח זו וטוען את הסוללות. לעומת זה, מטען DC מבצע יישור לפני אספקת כוח לכלי הרכב, מעבירו כמקור DC מתח-גבוה.

היתרון העיקרי של מטעני DC טמון ביכולתם לבטל אילוצים רבים הקשורים למשקל וגודל על ידי העברת רכיבי אכשור החשמל מהרכב החשמלי אל מבנה‏ חיצוני.

איור 1: מטעני DC‏ מציגים קצבי טעינה מואצים במיוחד, אם כי עם מורכבות מוגדלת וייצור חום מוגבר. (מקור תמונה: Same Sky)

על ידי השלת מגבלות משקל וגודל, מטעני DC‏ יכולים לשלב בצורה חלקה רכיבים נוספים כדי לשפר הן את תפוקת הזרם והן את מתח העבודה. מטענים אלה ממנפים התקני מוליכים-למחצה מתקדמים ביותר כדי לישר אספקת-כוח, לצד מסננים ונגדי הספק, כשכל אלה מייצרים חום משמעותי במהלך העבודה. בעוד תרומתם של מסננים ונגדים לפיזור חום ראויה לציון, פולט החום הדומיננטי במערכת טעינת EV הוא הטרנזיסטור הביפולרי מבודד השער (IGBT), התקן מוליך-למחצה שהיה עד לאימוץ מוגבר בעשורים האחרונים. רכיב איתן זה פתח אפשרויות רבות בתחום הטעינה, ועם זאת, הבטחת קירור נאות שלו נותרה דאגה משמעותית.

התמודדות עם אתגרי חום

טרנזיסטור ביפולרי מבודד שער, או IGBT‏, בעיקרו של דבר משרת כטרנזיסטור היברידי בין טרנזיסטור תוצא שדה (FET‏) וטרנזיסטור צומת‏ ביפולרי (BJT‏). טרנזיסטורי IGBT הידועים ביכולתם לעמוד במתח גבוה, בעלי התנגדות מצב-מופעל מינימלית, קצבי מיתוג מהירים ועמידות תרמית יוצאת דופן, מוצאים שימוש אופטימלי בתרחישי הספק-גבוה כגון מטעני EV.

במעגלי טעינת EV, היכן שטרנזיסטורי IGBT משרתים כמיישרים או המהפכים, פעולות המיתוג התכופות שלהם מובילות ליצירת חום משמעותי. כיום, האתגר התרמי הראשון במעלה נוגע להסלמה המשמעותית בפיזור חום הקשור בטרנזיסטורי IGBT. במשך שלושת העשורים האחרונים, פיזור חום עלה ביותר מפי עשר, מ-‎1.2 kW‏ ל-‎12.5 kW‏‏, עם תחזיות המראות עליות נוספות. איור 2‏ להלן מדגים מגמה זו במונחים של הספק ליחידת שטח משטח.

לשים את זה בפרספקטיבה, מעבדי CPU בני זמננו משיגים רמות הספק סביב 0.18‎ kW‏‏, המקבילה ל-7‎ kW/cm² צנוע. הפער המדהים מדגיש את משוכות הניהול התרמי האימתניות הקיימות בטיפול בטרנזיסטורי IGBT ביישומי הספק גבוה.

איור 2‏: צפיפות ההספק של טרנזיסטורי IGBT חוותה התקדמות משמעותית. (מקור תמונה: Same Sky)

שני גורמים תורמים משחקים תפקידים משמעותיים בשיפור קירור של‏ טרנזיסטורי IGBT. ראשית, שטח המשטח של‏ טרנזיסטורי IGBT‏ הוא בערך כפול‏ מזה של יחידות CPU. שנית, רכיבי IGBT יכולים לעמוד בטמפרטורות עבודה גבוהות יותר, המגיעות עד ‎170°C+, בעוד שיחידות CPU מודרניות עובדות אופיינית עד 105‎°C+ בלבד.

השיטה היעילה ביותר לניהול תנאים תרמיים מערבת שימוש בשילוב של גופי קירור ואוויר מאולץ. התקני מוליכים-למחצה, כגון טרנזיסטורי IGBT, באופן כללי מציגים התנגדות תרמית פנימית נמוכה, בעוד ההתנגדות התרמית בין ההתקן ואוויר הסביבה היא גבוהה יחסית. שילוב‏ גוף קירור מגדיל משמעותית את שטח המשטח הקיים עבור פיזור חום לאוויר הסביבה, ובכך מקטינים התנגדות תרמית. נוסף לכך, הכוונת זרם אוויר אל גוף הקירור מגדילה עוד יותר את יעילותו. בהינתן שממשק ההתקן-אוויר מייצג את ההתנגדות התרמית המשמעותית ביותר במערכת, הקטנתה למינימום היא‏ חיונית. היתרון של גישה פשוטה זו טמונה באמינות של גופי קירור‏ פסיביים והטכנולוגיה המבוססת היטב של‏ מאווררים.

Same Sky התאימה-במיוחד גופי קירור במיוחד עבור יישומי טעינת EV, עם מידות של עד 950x350x75 מ"מ. גופי קירור אלה מסוגלים לטפל באופן פסיבי בדרישות תובעניות פחות או באופן אקטיבי לנהל תרחישים תובעניים יותר עם אוויר מאולץ.

איור 3: שימוש בגופי קירור ומאווררים מייצג פתרון ניהול תרמי יעיל במידה רבה עבור טרנזיסטורי IGBT. (מקור תמונה: Same Sky)

בנוסף לשיטות קירור אוויר, קירור נוזל מציע‏ חלופה עבור פיזור חום מרכיבי הספק גבוה כמו טרנזיסטורי IGBT. מערכות קירור-מים הן אטרקטיביות בשל יכולתן להשיג את ההתנגדות התרמית הנמוכה ביותר. עם זאת, הן מגיעות עם עלויות גבוהות יותר ומורכבות מוגדלת בהשוואה לפתרונות קירור אוויר. ראוי גם לציין כי גם בתצורות קירור מים, גופי קירור ומאווררים הם עדיין רכיבים חיוניים לסילוק חום יעיל מהמערכת.

בהתחשב בעלויות ובמורכבויות הקשורות, קירור ישיר של‏ טרנזיסטורי IGBT תוך שימוש בגופי קירור ומאווררים נותר הגישה המועדפת. מאמצי מחקר מתמשכים ממוקדים בשיפור טכנולוגיות קירור אוויר התפורים במיוחד עבור יישומי IGBT. מחקר פעיל זה נועד לייעל את פיזור החום תוך מזעור עלויות ומורכבויות מערכת הקשורות לשיטות קירור נוזל.

שיקולי תכנון מערכת תרמית

האפקטיביות של‏ כל מערכת קירור מסתמכת במידה רבה על המיקום האסטרטגי של רכיבים כדי למטב זרימת אוויר ולהגדיל פיזור חום. מרווח לא מספיק בין רכיבים עלול לעכב את זרימת האוויר ולהגביל את גודל גופי הקירור שניתן להשתמש בהם. לפיכך, חיוני למקם אסטרטגית רכיבים קריטיים מחוללי חום בכל המערכת כדי להקל על קירור יעיל.

בנוסף למיקום רכיבים, המיקום של‏ חיישנים תרמיים הוא חיוני באותה מידה. במערכות בקנה-מידה גדול כמו מטעני DC ‏EV, ניטור טמפרטורה בזמן-אמת המתאפשר על ידי מערכות בקרה משחק תפקיד‏ חיוני בניהול תרמי אקטיבי. התאמות אוטומטיות במנגנוני קירור המבוססות על קריאות טמפרטורה יכולות למטב ביצועי מערכת ולמנוע התחממות-יתר על ידי ויסות יציאת זרם או כוונון מהירויות מאוורר. עם זאת, הדיוק של התאמות אוטומטיות אלו מותנה באיכות ובדיוק‏ של חיישני הטמפרטורה. מיקום לקוי של חיישנים עלול להוביל לקריאות טמפרטורה לא מדויקות, וכתוצאה מכך לתגובות מערכת לא יעילות. לכן, יש לשקול בזהירות את מיקום החיישנים התרמיים כדי להבטיח את הדיוק והאמינות של ניטור טמפרטורה ובקרה.

גורמים סביבתיים

תחנות טעינה של EV נפרסות לעתים קרובות בסביבות חיצוניות, חשופות לתנאי מזג אוויר מגוונים. לכן, תכנון מארזים עמידים בפני פגעי מזג האוויר עם אוורור והגנה נאותים מפני תופעות כמו גשם וטמפרטורות קיצוניות,‏ הוא הכרחי כדי לשמור על ביצועים תרמיים אופטימליים. חיוני להבטיח שנתיבי זרימת האוויר ומערכות האוורור מתוכננים למנוע חדירת מים תוך שמירה על זרימת אוויר ללא הפרעה.

בין הגורמים החיצוניים, חימום סולארי מאור שמש ישיר מהווה אתגר משמעותי, מה שמוביל לעלייה ניכרת בטמפרטורת הסביבה הפנימית של מארז המטען. בעוד שזה מציג חשש לגיטימי, הפתרון היעיל ביותר הוא פשוט יחסית. יישום מבני הצללה מעוצבים היטב עם זרם אוויר מספיק בין מבנה ההצללה ויחידת הטעינה מפחית ביעילות את החימום הסולארי, ובכך שומר על טמפרטורות סביבה נמוכות יותר בתוך מארז המטען.

איור 4‏: הגנה על מטענים מפני אור שמש ישיר מציגה אסטרטגיה חסכונית ויעילה לניהול תנאים תרמיים. (מקור תמונה: Same Sky)

מה הלאה?

בשנים האחרונות, חל זינוק יוצא דופן באימוץ העולמי של כלי רכב חשמליים, כשהביקוש מראה צמיחה עקבית ומשמעותית בחזיתות טכנולוגיות שונות. ככל שמספר כלי הרכב החשמליים על הכביש ממשיך לעלות, התפשטות תשתיות הטעינה צפויות להתרחב בהתאם. העבודה האפקטיבית והנצילות של המטענים הן בעלות חשיבות עליונה לפיתוח תשתית טעינה מתפתחת זו. יעילות כלכלית היא גם גורם קריטי, מאחר והמהירות שבה אנשים פרטיים ועסקים משלבים מטענים אלה בביתם ובמוסדות שלהם מותנה במידת היותם ברי השגה.

תוך כדי צפי לצמיחה מתמשכת של כלי רכב חשמליים ומטענים, יש להכיר באופי המתפתח של הטכנולוגיות הבסיסיות. זה כרוך בהתחשבות בהתקדמות פוטנציאלית בכוח ובקיבולת הטעינה, תקני תוכנה וחומרה מתפתחים, ומתן מקום לחידושים בלתי צפויים. גישה פרואקטיבית זו מבטיחה שמערכות ניהול תרמי יכולות להסתגל לדרישות מתפתחות לאורך זמן.

בעצם, מטעני כלי רכב חשמליים חולקים דאגות ניהול תרמי דומות עם התקנים אלקטרוניים צפופים בעלי הספק-גבוה אחרים. עם זאת, צפיפות ההספק של טרנזיסטורים ביפולריים שער מבודד (טרנזיסטורי IGBT) המשמשים במטעני EV‏, יחד עם הדרישות ההולכות וגוברות המוטלות עליהם, מציבה אתגר ייחודי. ככל שמהירויות הטעינה וקיבולות הסוללה ממשיכות לעלות, ההכרח לפתח מטענים בצורה יעילה ובטוחה הופך מחמיר יותר ויותר, ודורש ממתכנני ומהנדסי הניהול התרמי יותר מאי פעם.

Same Sky מציעה מגוון מקיף של‏ רכיבי ניהול תרמי, יחד עם שירותי תכנון תרמי מוליכים בתעשייה, כדי לתמוך בצרכים המתפתחים של המערכת האקולוגית לטעינת רכב חשמלי.