EMI ani teplota nemají u nabíjecích stanic pro EV šanci. Musíte je ale chránit

Existuje jen málo oblastí, které rostou stejným tempem, jako celosvětový trh s elektromobily (EV). Společně s touto masivní vlnou přichází též i potřeba zkvalitnit podpůrnou infrastrukturu sloužící k nabíjení.

Výrobci nabíjecích stanic pro EV jsou tlačeni k tomu, aby dodávali vysoce kvalitní a spolehlivá řešení s celou řadou funkcí, to vše navíc s relativně nízkými náklady. S návrhem sítě nabíjecích systémů se však pojí náročné úkoly. Jedná se o elektronické záležitosti typu řízení teploty či ošetření elektromagnetických interferencí (EMI). Pokud máme vyhovět požadavkům na dlouhodobou spolehlivost a také odpovídající výkony, bude zde rozhodovat volba materiálů zajišťujících optimální teplotní rozhraní a z pohledu EMI také stínění.

Prodej EV překročil po celém světě v roce 2022 deset miliónů kusů [1] a prognózy v kontextu roku 2030 dále předpokládají CAGR (compound annual growth rate) na úrovni 13,7 % [2]. Důvodem je rostoucí poptávka, ale i zpřísnění směrnic s globální působností. Trh spojený s nabíjením EV potřebuje, aby takové návrhy rychle dospěly, takže bude možné ve zmíněném odvětví, a s možností převedení do výrobního měřítka, jakmile se objeví další trendy, vyhovět i náročným technickým požadavkům. Pokud nahlédneme do budoucnosti, globální ekosystém sloužící k nabíjení EV se pravděpodobně dočká zavedení obousměrného nabíjení (V2G2V), společně s větším důrazem na technologie pro řízení energie, systémy jejího ukládání, AI nebo též zapracování obnovitelných zdrojů.

Současné, ale i nově připravované stanice pro nabíjení EV (obr. 1) potřebují výkonovou elektroniku se kterou se musí umět vypořádat s náročnými úkoly, pokud jde o řízení teploty či odstínění (EMI). Uvnitř zmiňovaných stanic nalezneme spoustu jinak citlivých elektronických systémů, zahrnujících řešení pro konverzi napájení, kontroléry nabíjení, komunikační moduly a také bezpečnostní systémy či ochrany.

Obr. 1 Výkonová elektronika se u nabíjecích stanic pro EV neobejde bez řízení teploty a odstínění EMI

Aplikace

Systémy konverze napájení, jako jsou AC/DC nebo i DC/DC měniče, převádí vstupní napájení na potřebné úrovně napětí a proudu, vyžadované k nabíjení baterií EV. AC/DC měniče, vystupující rovněž jako usměrňovače, zde produkují spoustu tepla, takže se neobejdou bez nějaké formy chlazení, které bývá často pasivní. Systémy pasivního chlazení jsou v případě vzniklé mezery u součástek závislé na tepelných podložkách nebo též podložkách, pro které je typický dielektrický či elektricky izolační materiál, takže vyplňujeme vzduchovou mezeru a vytváříme nejefektivnější trasu pro přenos tepla z povrchu, který vše produkuje na plochu se schopností tepelné ztráty zase rozptýlit (chladič). Zároveň se tím přizpůsobujeme i mechanickým kritériím, pokud jde o tolerance při výrobě nebo montáži. Zmíněné podložky s možností snadného přizpůsobení nabízí potřebnou odolnost a vyznačují se vysokými úrovněmi tepelné vodivosti.

Kontroléry nabíjení dohlíží na proces nabíjení EV, a to včetně komunikace mezi nabíjecí stanicí a vozidlem, monitorují jeho další vývoj a v případě potřeby dále upravují parametry, takže vše může probíhat bezpečně i efektivně. Regulace a měření proudových či napěťových úrovní však znamená výrobu tepla, které je zapotřebí rozptýlit a zabránit přitom problémům, které se pojí s přehříváním. Pro účely chlazení konkrétních součástek, produkujících na deskách kontrolérů nabíjení tepelné ztráty, budou ideálním řešením teplotní gely.

Nabíjecí stanice EV jsou rovněž „domovem“ pro komunikační moduly (typicky Wi-Fi, ethernet či mobilní sítě). Usnadní se tím vzdálené monitorování, řízení či diagnostika a podpoří účtování, platby nebo i další síťové služby. Všude tam, kde probíhá bezdrátová komunikace (ale i ta po vedení), je nutné přemýšlet o EMI a stínění. U návrhů, chráněných před vlivy okolního prostředí, představují řešení z vodivé pěny a také stínění na úrovni desky jednoduché a hospodárné způsoby, jak vyhovět z pohledu elektromagnetické kompatibility (EMC).

V případě stanic nabíjejících EV zajišťují různé systémy bezpečnou činnost zařízení a chrání tím jak uživatele, tak i vozidlo (obr. 2). Může se jednat o proudové chrániče (GFCI), nadproudovou ochranu, přepěťovou ochranu a senzory monitorující teplotu. Pokud jde o detekci uzemnění a monitorovací zařízení, při zajišťování referenčního napětí a omezování rušení signálu nám poslouží vhodná těsnění (viz také „fabric-over-foam gasket“).

Obr. 2 Jak vozidlo, tak i uživatele chrání v případě nabíjecích stanic EV různé systémy

Zmínit ale musíme též ohrazené plochy. Ty zde mají za úkol chránit uvnitř hodnotnou elektroniku nejen před okolním prostředím, ale rovněž před rušivými signály, které mají na svědomí telekomunikační technika, nedaleká vozidla, mobilní telefony a podobná zařízení. Těsnění z vodivého elastomeru zde zajišťuje skvělou kombinaci pro „odříznutí“ od vlivu okolního prostředí, včetně stínění EMI. Ale nejen to. Flexibilitu návrhu pro jednotlivé elektronické moduly uvnitř zařízení nám také zaručí kryty z vodivých plastů, zatímco další vrstvu stínění u dané styčné plochy umožní vodivé nátěry (vrstvy) a těsnicí hmoty.

Materiály teplotního rozhraní

Volba optimálního materiálu teplotního rozhraní hraje u nabíjecích stanic EV klíčovou roli. Rozhodnutí zde obvykle závisí na konkrétní elektronické aplikaci.

Teplotní podložky vyplňující příslušnou mezeru (obr. 3) jsou např. ideální pro systémy konverze napájení, kde teplo potřebujeme odvádět přes jinak velké a také proměnlivé mezery. Tyto odolné a snadno přizpůsobivé vyplňující podložky dostaneme ve formě silikonových elastomerů (ale také bez silikonu) s vysokou tepelnou vodivostí.

Obr. 3 Teplotní podložky vyplňující vzniklou mezeru, jako např. THERM-A-GAP™ PAD 30 od Parker Chomerics se budou v případě EV skvěle hodit pro systémy konverze napájení

V systémech konverze napájení se rovněž uplatní podložky s funkcí elektrického oddělení (dielektrické). Od teplotních podložek vyplňujících vzniklou mezeru se liší tím, že budou tenčí a kvůli své vysoké tvrdosti nabídnou i velmi malé rozpětí tolerancí. Dielektrické podložky často obsahují výztuž ze skelných vláken, což dále zvyšuje odolnost vůči trhlinám a jiným defektům. Díky dlouhodobé spolehlivosti jsou tudíž ideálním řešením při podpoře chlazení výkonové elektroniky.

U drobnějších mezer se kterými se potkáváme v případě kontrolérů nabíjení, budou optimální materiály teplotního rozhraní zpravidla tvořeny teplotními gely. Tyto zbytné jednosložkové materiály jsou vhodné pro použití za náročných okolních podmínek, zatímco vyplní mezery při horizontálním a dokonce i vertikálním nanášení. Za účelem efektivního chlazení uživatelé prostě jen aplikují gel na součástku, která se bude zahřívat. Žádné vytvrzování není zapotřebí. Struktura gelu s křížovou vazbou zde zajišťuje vynikající vlastnosti a dlouhodobou teplotní stabilitu.

Řešení se kterými odstíníme EMI

Pro nabíjecí stanice EV, které počítají s možností komunikace, je odstínění EMI klíčovou součástí návrhu. Nejlepším řešením zde budou elastomerová těsnění, zahrnující pojiva (EPDM, silikon, fluorosilikon) společně s elektricky vodivými výplněmi. Takto vzniklá těsnění se pyšní stíněním EMI na vysoké úrovni, velmi malým odporem kontaktu v případě uzemnění a také schopností chránit vůči působení okolního prostředí.

Jiným vysoce efektivním přístupem se stávají výše zmiňovaná těsnění (fabric-over-foam gasket), která se v podstatě skládají z vodivé struktury ovíjené okolo uretanu či jádra ze silikonové pěny. Tento nákladově efektivní materiál slibuje nízkou sílu potřebnou ke stlačení společně s vysokou vodivostí a stává se proto ideálním řešením pro skoro všechny vnitřní aplikace skloňující EMI, zemnění a také stínění.

Podobně se i těsnění z vodivé pěny vyznačují vlastními elektricky vodivými vlákny. Stejně jako předchozí těsnění představuje i přístup s vodivou pěnou hospodárné řešení, nabízející možnosti snadného přizpůsobení a vysokou vodivost.

K dispozici zde rovněž máme velmi dobře přizpůsobitelné varianty stínění přímo na úrovni desky, konkrétně nejrůznější kryty a způsoby ohrazení chránící před vysokofrekvenčním rušením, které minimalizují přeslechy a na DPS snižují citlivost vůči EMI.

V případě skříní nám odstínění EMI, pohlcování vf signálu a odolnost vůči agresivním tekutinám či fyzickému nárazu zajistí vodivé termoplastické materiály (PA s vodivou výplní). Pokud jde navíc o nevodivá pouzdra, pomohou nám s jejich stíněním vodivé nátěry či těsnicí hmoty, zajišťující na ploše krytu souvislou vodivou trasu.

Veškerá zmiňovaná řešení dostanete u Parker Chomerics, zaujímající přední místo ve světě technologií pro řízení teploty a zabezpečení před účinky EMI, navržených s ohledem na nabíjecí stanice EV a související trhy. OEM se potřebují rychle posunou kupředu, protože nabíjecí infrastruktura EV se aktuálně nachází ve fázi překotného rozvoje, takže i času potřebného k optimalizaci návrhů bude už jen ubývat. Nadešel proto čas jednat.

Další inspiraci naleznete v [3].

Odkazy:

[1] https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2023/executive-summary

[2] https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/electric-vehicle-market-209371461.html

[3] https://discover.parker.com/chomerics-article-ev-charging-stations