Тепловое моделирование высовокомощных систем быстрой зарядки электромобиля

Важность разработки систем зарядки высокой мощности

Новые бизнес-модели с использованием электромобилей станут прибыльными только в том случае, если транспорт постоянно будет находиться в активной эксплуатации. Для этого им необходима быстрая зарядка, соизмеримая по времени с заправкой автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Решить эту проблему может повышение зарядной мощности до 350 кВт — тогда заряд батареи электромобиля за соизмеримое время, то есть за несколько минут, обеспечит его пробег на 300 км.

Однако увеличение мощности до 350 кВт при напряжении 700 В потребует генерации тока до 500 А, что вызовет соответствующие тепловые потери не только в системе преобразования энергии, но и в системе ее передачи — разъемах и кабелях. Проблема еще и в том, что тепловые потери на контактных соединениях увеличивают сопротивление, что согласно закону Джоуля — Ленца повышает тепловыделение, и этот процесс может послужить причиной критической, а потом и катастрофической ситуации отказа системы. Соответственно, при проектировании и расчете электропроводящих компонентов, во избежание их перегрузки и перегрева, тепловые потери необходимо анализировать и учитывать. Кроме того, при перегреве батареи для защиты аккумулятора происходит контролируемое снижение тока и, следовательно, мощности зарядки, но это продлевает время зарядного цикла.

Оптимизация тепловых параметров систем зарядки высокой мощности

Задачу оптимизации терморегулирования можно решить с помощью непрерывного прогнозирования текущего состояния всех компонентов в каждой системе электромобиля.

Высокий зарядный ток, который имеет место при зарядке высокой мощностью, является состоянием пиковой нагрузки для электрической системы электромобиля. Других режимов эксплуатации, при которых происходит такой длительный предельный поток энергии, как между точкой зарядки и транспортным средством, не существует. Даже во время агрессивного вождения, когда водитель использует большие мощности двигателя, нагрузка не приближается к подобной величине потребления энергии. Высокий зарядный ток вызывает резкое и значительное повышение температуры всех задействованных в этом процессе компонентов, что становится большей проблемой, когда транспортное средство не движется и отсутствует конвекция, необходимая для охлаждения. Следовательно, для обеспечения высокомощной зарядки требуется спроектировать и определить электрические и тепловые характеристики всей системы — от точки зарядки до аккумуляторной батареи автомобиля.

Основным решением этой проблемы является увеличение поперечного сечения кабеля. Это позволяет без перегрева передавать нужную мощность при том же значении напряжения. Однако внутри автомобиля это в первую очередь становится вопросом веса и доступного пространства. Поэтому для передачи такого же количества энергии при более низком уровне тока лучшим вариантом становится увеличение напряжения. Это объясняет, почему некоторые производители оборудования планируют перейти с систем 400 В на системы 800 В, ведь для того, чтобы высокомощная зарядка стала реалистичным предложением, необходимо избегать чрезмерного увеличения сечения кабеля и высокой токовой нагрузки для всех других электрических компонентов.

Современные решения электрических компонентов

Сегодня доступные способы проектирования электрических компонентов сильноточных цепей не подходят ни для динамической нагрузки при вождении, ни для требований высокомощной зарядки. Существующие стандарты основаны на точках статической нагрузки, которые определяются статистическими методами, отражающими частоту их возникновения и приоритет. Результатом являются среднеквадратичные значения, отражающие статические условия (рис. 1).

Рис. 1. Фактический среднеквадратичный и дискретный профиль зарядного тока

Компоненты, спроектированные в соответствии с таким профилем нагрузки, получают дополнительный технологический запас прочности, например в 20%. Однако фактический профиль нагрузки в электромобиле, приведенный на рис. 2, резко отличается от данных среднеквадратичных значений. Глядя на эти графики, можно понять, почему тепловой анализ для процесса зарядки имеет столь большое значение.

Рис. 2. Профиль изменения потребления тока в процессе вождения по сравнению с профилем тока при высокомощной быстрой зарядке

Для обеспечения зарядки мощностью 350 кВт требуется иной подход к проектированию электрических компонентов, так как в процессе вождения нагрузка меняется динамически, но не достигает пиковых значений процесса зарядки. Во время вождения энергия батареи тратится в течение нескольких часов, а при высокомощной зарядке она должна восполниться за несколько минут. Соответственно, для того чтобы понять поведение всего высоковольтного и высоко­токового тракта во время зарядки, его следует проанализировать на системном уровне (рис. 3), поскольку среднеквадратичные значения для этого, как можно видеть, явно не подходят.

Рис. 3. Компоненты передачи тока в тракте зарядки электромобиля

Как уже было сказано, традиционные методы теплового анализа, используемые в настоящее время, не дают оптимальных результатов. В итоге современные системы, как правило из соображений безопасности, имеют завышенные размеры, и при мощности зарядки в 350 кВт такой подход не является приемлемым из-за значительного увеличения веса, занимаемого места и общего удобства использования.

Для преодоления указанных проблем и отвечая на вызовы современности, компания TE Connectivity в рамках своей деятельности в Ассоциации немецких производителей электротехники и электроники (German Electrical and Electronic Manufacturers’ Association, ZVEI) активно разрабатывает новый подход к проектированию. Цель такого подхода — динамическое определение повышения температуры и рассеивания тепла в системе с помощью новых установленных принципов моделирования. Эта методология позволит заранее проанализировать конструкцию компонента и спрогнозировать его производительность во время реальной эксплуатации. Следует отметить, что цель данной работы не в том, чтобы снизить запас прочности. Более реалистичное тепловое моделирование обеспечит и оптимизацию затрат, и вместе с тем безопасную и долгосрочную эксплуатацию системы зарядки и электромобиля в целом.

Значение теплового моделирования

Как известно из школьного курса физики, передача электрической энергии приводит к рассеиванию мощности в виде тепловых потерь в проводнике, по которому протекает ток. Основная причина — электрическое сопротивление всех проводников. Обычно это сопротивление известно для каждого элемента высоковольтного тракта. Однако во время работы сопротивление проводника изменяется с повышением температуры. Величина рассеиваемой мощности на элементе может быть рассчитана при определенном значении тока, напряжения и температуры, то есть для стационарного состояния, когда все пути рассеивания тепла сбалансированы.

Существующие методы динамического расчета тракта высокого напряжения не очень практичны. Для применения такого метода, как анализ методом конечных элементов, необходимо было бы быстро выполнить множество вычислений для каждой рабочей точки. Метод конечных элементов — это численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Для непрерывных тепловых расчетов в режиме реального времени (в самом транспортном средстве) нужен другой подход, требующий намного меньше вычислительной мощности.

Одна из проблем заключается в том, что рассеивание тепла в высоковольтном тракте приводит к замедлению системы зарядки. При этом в зависимости от массы отдельного компонента и соседних элементов, влияющих на отвод тепла, каждый компонент будет по-разному реагировать на изменение профилей нагрузки. Поэтому компоненты с ограниченными возможностями рассеивания тепла для управления температурой могут превратиться в проблему. Если выделяемое тепло не может быть рассеяно в достаточной степени, компонент временно станет адиабатическим элементом (то есть будет отсутствовать теплообмен с окружающей средой) без какой-либо возможности внешнего влияния на процесс его перегрева. Необходимо вычислять такие тепловые слабые места, чтобы система не создавала на них ненужных ограничений или напряжений.

Кроме того, рассеивание тепла происходит по нескольким путям. В дополнение к проводящему тепловыделению внутри материала существует и рассеивание через охлаждающий воздух или потоки охлаждающей жидкости (конвекция). Для каждого компонента в тракте сочетание этих трех элементов будет различным.

Еще одна проблема заключается в том, что, когда электрические компоненты нагреваются, это приводит к изменению их электрических или механических свойств, и, как следствие, уменьшается их срок службы. Чем чаще и сильнее компонент перегревается, тем быстрее сокращается срок его службы. Поэтому необходимо найти новый метод, способный обеспечить основу для проектирования тракта высокомощной зарядки, удовлетворяющей и экономическим критериям, и требованиям безопасности. Такой метод поможет в выявлении потенциальных слабых мест в тепловой системе, что уменьшит последующие усилия по устранению неполадок.

Метод системного моделирования

Метод системного моделирования вычисляет тепловые потери вдоль высоковольтного тракта при динамически изменяющихся условиях нагрузки. Он основан на законах Кирхгофа. Правило узлов и правило контура гласят, что сумма всех токов в узле и сумма всех напряжений в контуре должны быть равны нулю.

Также мы знаем, что энергия всегда сохраняется, из чего следует, что тепловая энергия, полученная в результате электрического сопротивления, в точности равна разнице между электрической энергией, поступающей в цепь, и энергией, доступной в общей системе. Эквивалентные схемы используют непосредственную и линейную взаимосвязь между электрическим и тепловым поведением (рис. 4).

Рис. 4. Взаимосвязь между электрическими и тепловыми характеристиками

Следовательно, для моделирования связанных электрических и тепловых характеристик можно использовать эквивалентные принципиальные схемы (рис. 5). Точно так же, как напряжение направляет ток через резистор, разница температур вызывает перенос тепла. Различные физические механизмы переноса тепла (проводимость, конвекция, излучение) здесь представлены резистором. Полученные алгебраические уравнения, представленные в виде компонентов, непрерывно рассчитывают тепловыделение в зависимости от приложенного тока и напряжения, а также температуры окружающей среды.

Рис. 5. Пример эквивалентной схемы

Основанные на процессе тепловыделения, различные виды отвода тепла представлены резисторами (тепловыми сопротивлениями). Используя этот довольно простой метод, можно моделировать отдельные компоненты, целые изделия (например, разъем, как на рис. 6) или высоковольтный тракт в целом.

Рис. 6. Пример моделирования разъема

Как только модели кабелей поступят от производителей, появится возможность рассчитать все промежуточные секции. Также возможно интегрировать компоненты от разных производителей, для этого требуется лишь ввести электрические параметры изделия. В рамках модели эти параметры применяются к алгебраическим уравнениям, которые следуют законам Кирхгофа.

Моделирование способно определить:

• расположение источников тепла и теплоотводов;
• когда уровень температуры становится критическим и когда он начинает наносить ущерб компоненту;
• как компонент интегрируется в более крупный кластер;
• где находятся адиабатические состояния и какое влияние они окажут.

С помощью полученной методологии можно тестировать профили динамической нагрузки для каждого компонента в высоковольтном тракте с использованием минимальных вычислительных мощностей.

Усиление безопасности

Вычислительная мощность, необходимая для такого теплового моделирования, настолько мала, что эту процедуру можно выполнять непрерывно на типичном автомобильном блоке управления, как обыденную задачу. Это значит, что в процессе вождения фактические профили нагрузки могут быть рассчитаны в режиме реального времени. Тепловые расчеты в совокупности с данными датчиков взаимно дополняют друг друга, что может усилить безопасность автоматизированных транспортных средств, требующих многократного резервирования.

Проектирование высоковольтных компонентов электромобиля

Системное тепловое моделирование значительно приближает конструкцию высоко­вольтных компонентов транспортного средства к реальным условиям эксплуатации. Производителям важно иметь возможность прогнозировать поведение компонента при воздействии тепловых факторов. Системное и динамическое тепловое моделирование точно прогнозирует изменения в работе компонента в результате процессов износа и старения. Станет возможно смоделировать и предсказать поведение такой сложной системы, как высоковольтный тракт. Кроме того, симуляция может охватывать широкий диапазон тестирования, который никогда не будет достигнут в лабораторных условиях.

Заключение

Для того чтобы безопасно использовать зарядную мощность 350 кВт и выявить потенциальные тепловые слабые места, необходимо смоделировать полные профили динамической нагрузки с высоким напряжением. Системное тепловое моделирование высоковольтных компонентов, основанное на эквивалентных схемах, предоставляет данные для создания конструкции, которая сможет нагреваться до предельной температуры без ущерба для требуемой долговечности и надежности всей системы. Эти знания помогут в разработке оптимизированной конструкции тракта высокого напряжения и, таким образом, повысят уровень безопасности, поскольку моделируемая тепловая нагрузка приближена к реальным условиям эксплуатации, а простота вычислений позволит моделировать поведение компонентов прямо в бортовой сети электромобиля. Конечная цель состоит в том, чтобы спроектировать компоненты тракта без увеличения размеров и таким образом, чтобы они могли безопасно выдерживать кратковременную динамическую нагрузку высокомощной зарядки (10 мин) в течение всего срока службы. Моделирование выявляет горячие точки (в основном это пассивные компоненты с малой массой), которые могут быть изменены и оптимизированы на ранних стадиях разработки. Описанный метод в виде системного теплового моделирования высоковольтных компонентов позволит внести существенный вклад в процессы проверки качества.