Geavanceerd ontwerp voor thermisch beheer verbetert de prestaties van siliciumcarbide-omvormers voor zware voertuigen

Naarmate elektrische voertuigen (EV’s) steeds populairder worden, moeten innovatieve technologieën aan de stijgende vraag naar energie voldoen door de systeemefficiëntie aanzienlijk te verhogen. Hoewel lichte EV’s de focus zijn geweest voor veel elektrificatie-initiatieven, zijn zware vrachtwagens verantwoordelijk voor 39% van de uitstoot van broeikasgassen in de transportsector.

Elektrificatie van heavy-duty EV’s is een integraal onderdeel van decarbonisatie-inspanningen, maar voertuigcomponenten moeten worden ontworpen om meer vermogen aan te kunnen en tegelijkertijd de bedrijfstemperaturen te blijven regelen.

Een ultramodern thermisch beheersysteem ontwikkeld door het National Renewable Energy Laboratory (NREL) in samenwerking met John Deere belooft de vermogensdichtheid van siliciumcarbide (SiC)-omvormers in zware EV-toepassingen aanzienlijk te verhogen. Binnen zware toepassingen is de omvormer verantwoordelijk voor het regelen van de stroomstroom tussen DC- en AC-elektrische systemen om voertuigsystemen, accessoires en elektrische machines, zoals motoren en generatoren, te laten werken. Een hoogrenderende omvormer is een essentieel onderdeel dat nodig is voor milieuvriendelijke voertuigalternatieven die de uitstoot van broeikasgassen verminderen, zoals hybride, volledig elektrische of brandstofcelvoertuigen. Recente onderzoeken geven aan dat het verbeterde ontwerp van de omvormer een toename van 378% in vermogensdichtheid biedt ten opzichte van de vorige omvormers met alleen silicium.

“De sleutel tot NREL’s ontwerpinnovaties voor SiC-thermisch beheer is het verbeteren van de warmteoverdrachtscoëfficiënt, waardoor dit systeem zichzelf efficiënt en continu kan koelen tijdens bedrijf met de motorkoelvloeistof”, zegt Kevin Bennion, senior onderzoeker en expert op het gebied van thermisch beheer bij NREL. “Dit ontwerp zorgt voor een ongeëvenaarde vermogensdichtheid en zorgt ervoor dat het systeem veilig en efficiënt blijft werken.”

Over het algemeen vragen zware voertuigen tijdens het gebruik meer vermogen en een veel hoger koppel dan de gemiddelde lichte sedan. Het toonaangevende onderzoek van NREL op het gebied van thermisch beheer van vermogensmodules met brede bandgap hielp de voetafdruk van componenten te verkleinen, de prestaties en efficiëntie te verbeteren en de hogere frequentiewerking van SiC-omvormers voor zware toepassingen te ondersteunen.

Vermogensuitgangen zijn echter afhankelijk van de maximale temperatuurlimieten van de voedingsmodule van de omvormer, waardoor het risico bestaat op oververhitting en uitschakeling. Als resultaat hebben NREL-onderzoekers een ultramodern thermisch beheersysteem ontwikkeld om de systeemefficiëntie te optimaliseren en tegelijkertijd de bedrijfstemperaturen te regelen van de SiC-modules die direct worden gekoeld met 115°C water-ethyleenglycol-koelvloeistof. De technologie die door het NREL-team is ontwikkeld, is uitgebreid geëvalueerd door het John Deere-engineeringteam onder leiding van Dr. Brij Singh.

“Vanaf 2015 zijn de bijdragen van NREL uiterst waardevol geweest bij de succesvolle uitvoering en voltooiing van belangrijke taken in het door DOE gefinancierde PowerAmerica-project met John Deere,” zei Dr. Singh. “Dit project heeft geresulteerd in de demonstratie in het voertuig van de hoge-temperatuur SiC-invertertechnologie.”

Een vereenvoudigde oplossing om de warmteoverdracht te optimaliseren

Een veelgebruikte strategie voor het thermisch beheer van EV-omvormers is om een ​​vloeistofkoelmiddel parallel over het oppervlak van het onderdeel te laten lopen om warmte over te dragen en het systeem snel te koelen. Het geavanceerde systeem dat door NREL is ontworpen, omvat een loodrechte jetstroom met op minikanaal en minispruitstuk gebaseerde koelsystemen om warmte te onttrekken aan de omvormer en de voedingsmodule. Dit ontwerp maakt een indrukwekkende warmteoverdrachtscoëfficiënt mogelijk, tot wel 93.000 watt per vierkante meter per graad Kelvin (W/[m²-K]), wat meer dan vier keer hoger is dan de huidige commerciële systemen.

Bovendien maakt het NREL-ontwerp gebruik van het bestaande koelsysteem voor dieselmotoren voor een vereenvoudigde architectuur die geschikt is voor motorkoelvloeistof. Conventionele heavy-duty omvormers hebben een afzonderlijk koelsysteem nodig om succesvol te kunnen werken en tegelijkertijd de duurzaamheid van de omvormers te waarborgen. Door de noodzaak van een afzonderlijk koelcircuit te elimineren, heeft het nieuwe thermische en thermomechanische onderzoek van NREL ertoe bijgedragen dat de omvormer een verbluffende vermogensdichtheid van 43 kilowatt per liter heeft behaald. Dit is een verbetering van 378% ten opzichte van baseline siliciumsystemen.

Real-world verbeteringen in brandstofefficiëntie

De thermische en mechanische innovaties in het SiC-ontwerp hebben de voetafdruk van de omvormer aanzienlijk verminderd, waardoor een kleiner en lichter systeem is ontstaan. Het lagere totale gewicht en de verbeterde prestaties hebben duidelijke voordelen voor het brandstofverbruik en de bedrijfskosten.

“De SiC-invertertechnologie onderscheidt zich van alle concurrerende technologieën op het gebied van energie-efficiëntie, brandstofverbruik, prestaties en systeemintegratie”, aldus Bennion. “Met de hoge kosten van de SiC-stroomomvormer, zal de marktacceptatie van deze nieuwe technologie waarschijnlijk plaatsvinden waar die factoren belangrijker zijn dan de initiële kosten. We geloven dat deze omvormer aanzienlijke gevolgen zal hebben in zware machines, luchtvaart en militaire toepassingen.”