Проектирование электрических систем для экстремальных климатических условий

Введение: Высокие ставки проблемы климатически устойчивого дизайна электромобилей

Электромобили (EV) быстро вытесняют автомобили с двигателем внутреннего сгорания по всему миру, но их внедрение в регионах с экстремальным климатом - от субзеро тундры до палящих пустынь - зависит от одного критического фактора: способность электрической системы надежно работать в условиях наказания. В отличие от обычного двигателя, который генерирует собственное отработанное тепло, тяговая батарея EV, силовая электроника и электроприводные устройства очень чувствительны к экстремальным температурам окружающей среды, влажности и давлению. Похолодание в Скандинавии может сократить реальный диапазон на 40% или более, в то время как волна тепла в Фениксе может ускорить деградацию батареи и вызвать тепловой бег. В этой статье рассматриваются инженерные принципы, стратегии на уровне компонентов и архитектуры системного уровня, которые позволяют электрическим системам EV процветать в экстремальных условиях, с акцентом на надежность, безопасность и производительность.

Понимание многомерного воздействия экстремальных климатических условий на электрические системы электромобилей

Фраза «экстремальный климат» охватывает не только экстремальные температуры. Конструкторы должны бороться с составными стрессорами: высокая влажность, соль, попадание песка, быстрый тепловой цикл, низкое барометрическое давление на высоте и длительное воздействие УФ. Каждый из этих факторов атакует электрическую систему через другой механизм отказа, и они часто взаимодействуют синергетически. Например, высокая температура ускоряет химические реакции в литий-ионных клетках, увеличивая саморазряд и газирование, в то время как высокая влажность может вызвать конденсацию внутри герметичных соединителей, что приводит к коррозии и прерывистым шортам. В таблице ниже приведены основные режимы отказа для ключевых электрических подсистем EV в различных экстремальных условиях:

• Низкая температура (−40 °C до 0°C): Повышенная вязкость электролита снижает мобильность литий-ионных двигателей → снижается мощность и выходная мощность; смазочные материалы в коробках передач и подшипниках утолщаются; дисплеи и сенсорные экраны становятся вялыми или невосприимчивыми.
• Высокая температура (45°C до 65°C): Ускоренное календарное старение аккумуляторных батарей; повышенное внутреннее сопротивление; риск теплового сбоя в силовых модулях; усталость припоя в ПХБ; демагнетизация моторного магнита.
• Высокая влажность/конденсация (85% RH до 100% RH): Гальваническая коррозия медных терминалов и алюминиевых шин; сбои в скрежеже и клиренсе в высоковольтных разъемах; попадание воды в корпуса аккумуляторных батарей через механизмы вентиляции.
• Низкое барометрическое давление (высокая высота, >3000 м): Снижение диэлектрической прочности воздуха приводит к увеличению риска дуги в высоковольтных контакторах и шинах; вентиляторы охлаждения теряют эффективность; снижается теплопроводность воздуха, препятствуя пассивному рассеиванию тепла.

Системы термоуправления аккумуляторов: сердце устойчивости к изменению климата

Тяговый аккумулятор является наиболее чувствительным к климату компонентом в электромобиле, обычно на него приходится 30-40% общей массы автомобиля и гораздо большая доля его стоимости. Все коммерчески доступные литий-ионные химические вещества, включая LFP, NMC и NCA, демонстрируют сильную температурную зависимость как в производительности, так и в течение срока службы. Ниже 0°C литиевая покрытие анода во время быстрой зарядки может постоянно ухудшать емкость и создавать внутренний риск короткого замыкания. Выше 45 °C слой между электролитами (SEI) разрушается, что приводит к ускоренному выцветанию емкости и увеличению выработки газа. Хорошо спроектированная система управления тепловым питанием батареи (BTMS) должна поэтому нагревать и охлаждать пакет в узком окне, обычно от 15 ° C до 35 ° C при всех условиях окружающей среды.

Активные стратегии нагрева для холодного климата

В условиях экстремального холода БТМС должен предварительно разогреть батарею до того, как транспортное средство сможет управляться или принимать заряд. Используются три основных подхода:

• Позитивно-температурно-коэффициентные (PTC) нагревательные коврики , расположенные между ячейками или модулями. Это простые, недорогие и непосредственно преобразующие электрическую энергию в тепло, но их энергопотребление может уменьшить диапазон на 5-10% при коротких поездках при сильном холоде.
• Резистивные пленочные обогреватели, встроенные в холодные пластины под ячейками, часто используются в сочетании с жидкостными охлаждающими петлями. Они обеспечивают равномерное распределение тепла и могут модулироваться с помощью пропорционально-интегрально-производных (PID) контроллеров.
• Обратная интеграция тепловых насосов, которая улавливает отработанное тепло от электропривода и силовой электроники. Это наиболее энергоэффективный подход, но требует сложной схемы хладагента с реверсивными клапанами и дополнительными теплообменниками.

Современные OEM-производители, такие как Tesla и Hyundai, начали использовать моторное обмотка нагрева — ток, проходящий через обмотки статора, пока ротор заблокирован — для генерации отработанного тепла, которое затем передается в контур охлаждающей жидкости. Этот метод устраняет необходимость в выделенных резистивных нагревателях и использует компоненты, уже присутствующие в трансмиссии.

Стратегии активного охлаждения для жаркого климата

При высоких температурах окружающей среды жидкостное охлаждение является доминирующим методом удаления тепла как из ячеек, так и из силовой электроники. Системы обычно используют петлю водяного гликоля, которая проходит через термообменник с заплетенной пластиной (чиллер), подключенный к кондиционированию воздуха в кондиционировании хладагента. Для экстремального тепла (выше 50°C) необходимы дополнительные меры:

• Хладагент прямого охлаждения силовых модулей и батарей с использованием R-1234yf или R-744 (CO2) в качестве охлаждающей жидкости, минуя вторичный водо-гликольный контур для снижения теплового сопротивления.
• Материалы для изменения фазы (PCM) , такие как парафиновый воск или солевые гидраты, встроенные в модуль батареи. Они поглощают пиковые тепловые нагрузки во время быстрой зарядки через скрытое тепло синтеза, буферизируя краткосрочные температурные всплески.
• Погружение охлаждения , когда клетки погружены в диэлектрическую жидкость (например, синтетические эфиры или фторкетоны), которые непосредственно контактируют со всеми поверхностями. Это обеспечивает самый высокий коэффициент теплопередачи и устраняет тепловые интерфейсы, но добавляет вес, стоимость и сложность управления жидкостью.

Для пустынных сред Ford и Rivian разработали самоочищающиеся радиаторы с плавниками высокой плотности и активными пылевыми фильтрами для поддержания воздушного потока, несмотря на накопление мелких частиц. Эти системы также включают в себя вентиляторы охлаждения с высоким крутящим моментом, с рейтингом IP6K9K, которые могут непрерывно работать при экстремальных температурах без отказа подшипника.

Электроника и двигательные приводы: выживание теплового и электрического стресса

Инвертор, преобразователь постоянного тока и бортовое зарядное устройство содержат карбид кремния (SiC) или нитрид галлия (GaN) MOSFETs и IGBTs, которые генерируют значительное самонагрев. В жарком климате температура соединения этих полупроводников может приближаться к номинальному максимуму 175 ° C или 200° C, требуя тщательной тепловой конструкции и деринга. Инженеры используют комбинацию стратегий:

• Двустороннее охлаждение силовых модулей для извлечения тепла как с верхней, так и с нижней части матрицы. Это может снизить тепловое сопротивление на 30-50% по сравнению с односторонним охлаждением.
• Распределители тепла в камере пара интегрированы в базовую пластину, чтобы минимизировать температуру горячей точки и равномерно распределять тепло на холодную пластину.
• Высокотемпературные конденсаторы (например, пленочные конденсаторы с металлизированным полипропиленом или керамические конденсаторы с диэлектриком X6S), которые сохраняют стабильную емкость и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выше 125 °C.

Для холодного климата основной проблемой является производительность запуска. Поставки питания и управляющая электроника должны быть в состоянии работать при −40 ° C, что требует тщательного выбора силовых MOSFET с низким пороговым напряжением затвора при низкой температуре (поскольку Vth увеличивается при падении температуры), а также использования электролитических конденсаторов с низким температурным рейтингом или конструкций с твердыми полимерными электролитами, которые остаются проводящими в холоде.

Моторный дизайн для тепловых экстремумов

Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) являются наиболее распространенным типом тяговых двигателей EV, но они страдают от необратимой демагнетизации при высоких температурах, особенно для ферритовых или спекаемых магнитов NdFeB. Для борьбы с этим производители используют:

• Дипросионные магниты, которые повышают температуру Кюри и повышают коэрцитивность, позволяя работать до 180°C без потери потока.
• Сегментированный дизайн магнитного полюса для уменьшения нагрева, вызванного вихревом током, в роторе.
• Через винтокрылые охлаждающие каналы , которые циркулируют масло или воздух через центр вала для удаления тепла от магнитов и подшипников.

В очень холодном климате моторная смазка в подшипниках может затвердевать, увеличивая крутящий момент сопротивления при запуске. уточнены усовершенствованные синтетические смазки (например, на основе полиуреи) с точками разлива низкой температуры до -50 ° C, и используются стратегии предварительной смазки, такие как занавески для смазки или системы масляных туманов.

Высоковольтное соединение и уплотнение: борьба с влажностью и коррозией

Независимо от того, насколько прочны ячейки или электроника, один скомпрометированный соединитель или кабельная железа могут вызвать сбой оптовой системы. Влажная и соленая среда представляют собой наибольшую проблему для высоковольтных (HV) соединений, работающих выше 400 В или 800 В. Ключевые правила проектирования для климата с экстремальной влажностью:

• Корпуса с рейтингом IP6K9K для всех компонентов HV, обеспечивающие защиту от струй воды высокого давления и очистки пара. Для этого рейтинга требуются двухпечатные O-кольца и системы вентиляционных отверстий лабиринта, которые позволяют выравнивать давление без попадания влаги.
• Герметические каналы для кабелей, входящих в аккумуляторный блок и корпус двигателя, обычно с использованием компрессионных стеклянных или металлических уплотнений или многоконтактных круглых разъемов с силиконовыми или EPDM прокладками.
• Коррозионностойкая проводящая обшивка: Высоковольтные шины и концевые заглушки должны быть покрыты никелью или серебром, с нанесенными после сборки антикоррозионными покрытиями (например, пассивация, конформное покрытие). Следует избегать аналогичного контакта металла (например, меди против алюминия) посредством использования биметаллических переходных соединений.
• Частичное снижение разряда: В условиях высокого или низкого давления, снижение диэлектрической прочности воздуха может вызвать частичные разряды (корона) внутри разъемов и изоляторов. Конструкторы должны увеличить расстояния скрежеции (обычно 20–30 мм для систем 800 В на высоте 4000 м) и использовать твердые изоляционные материалы, такие как силиконовая резина или эпоксидная кислота, которые устраняют воздушные пустоты.

Toyota разрабатывает твердотельные батареи для производства электромобилей, нацеленные на запуск к 2027-2028 гг. В то время как твердотельные батареи предлагают более высокую плотность энергии и лучшую безопасность, их твердые электролиты (на основе сульфида или оксида) имеют более низкую ионную проводимость при минусовых температурах. Для смягчения этого команда НИОКР Toyota продемонстрировала литий-сульфидный электролит с нанопористой структурой , который обеспечивает в 5 раз более высокую ионную проводимость при −30 ° C по сравнению с обычными твердыми электролитами. Конструкция упаковки включает тонкопленочные резистивные нагреватели, подключенные непосредственно к каждому стеку ячеек, чтобы обеспечить быструю разогреву менее чем за 60 секунд, потребляя энергию от вспомогательной низкотемпературной стартерной батареи LiFePO4 (LFP).

Горячий климат: тепловая архитектура Ривиан для пустыни

R1T и R1S Rivian используют уникальный клапан с жидким охлаждением Joule-Thomson (J-T) для охлаждения хладагента до того, как он попадает в хладагент батареи. Это позволяет системе охлаждения поддерживать температуру хладагента 5 ° C на входе хладагента даже при температуре окружающей среды 50° C, чего стандартные клапаны расширения не могут достичь, потому что они работают при фиксированном перегреве. Кроме того, Rivian интегрирует несколько датчиков температуры на модуль [FLT: 2] и использует модель машинного обучения для обнаружения ранних признаков тепловых аномалий. Компания утверждает, что эта архитектура позволила успешно проводить испытания в жаркую погоду при температурах до 55 ° C в Долине Смерти с нулевым термическим дерированием трансмиссии во время 30-минутного подъема на полный дроссель.

Высокая влажность: улучшение Nissan Leaf HV Connector

После сообщений о коррозии разъемов HV на рынках с высокой влажностью (например, в Юго-Восточной Азии и Флориде) Nissan перепроектировал разъемы HV от батареи к вводу второго поколения Leaf. В новой конструкции используются двухзамкнутые впускные соединители с влагозащищающей пенопластовой полосой, которая захватывает любой конденсат до того, как он достигнет терминала, и гидрофобный канал слива, который эвакуирует воду в нижнюю часть транспортного средства. Это изменение в сочетании с конформным покрытием печатной платы разъема уменьшило гарантийные требования для высоковольтной утечки в зонах с высокой влажностью на 90%.