ทำความเข้าใจกับความท้าทายด้านความร้อนในการใช้งานการชาร์จ EV

แม้ว่าแนวคิดของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) จะมีมายาวนานพอๆ กับรถยนต์ที่ใช้น้ำมัน แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเท่านั้นที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง ความนิยมที่เพิ่มขึ้นนี้เป็นผลมาจากความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยี EV ควบคู่ไปกับการสนับสนุนจากรัฐบาลอย่างมาก ตัวอย่างเช่น การตัดสินใจของสหภาพยุโรปที่จะห้ามรถยนต์สันดาปภายในภายในปี 2578 และตั้งสถานีชาร์จ EV ที่รวดเร็วทุกๆ 60 กิโลเมตรภายในปี 2568 ถือเป็นข้อพิสูจน์ที่ชัดเจนถึงความต้องการที่เพิ่มขึ้นที่คาดการณ์ไว้นี้

เนื่องจากรถยนต์ไฟฟ้ากลายเป็นรูปแบบการขนส่งที่โดดเด่น ปัจจัยต่างๆ เช่น ระยะทางของแบตเตอรี่และอัตราการชาร์จที่เร็วขึ้นจะมีบทบาทสำคัญในการรักษาเศรษฐกิจโลกให้ยั่งยืน การปรับปรุงโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ EV จำเป็นต้องมีความก้าวหน้าในโดเมนต่างๆ โดยมีการจัดการระบายความร้อนที่โดดเด่นเป็นพื้นที่สำคัญที่ต้องมีวิวัฒนาการทางเทคโนโลยี

เครื่องชาร์จ EV AC และ DC – อะไรคือความแตกต่าง

เนื่องจากความต้องการโซลูชันการชาร์จที่เร็วขึ้นมีเพิ่มมากขึ้น แนวทางการเปลี่ยนแปลงทั้งแบบส่วนเพิ่มและการเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงที่โดดเด่นประการหนึ่งคือการนำเครื่องชาร์จ DC มาใช้เพิ่มมากขึ้น ซึ่งเป็นคำที่อาจดูคลุมเครือในตอนแรก เนื่องจากระบบแบตเตอรี่ทั้งหมดทำงานด้วยกระแส DC โดยธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่ว่าการแปลงจาก AC เป็น DC เกิดขึ้นภายในระบบเหล่านี้

เครื่องชาร์จ AC ทั่วไปซึ่งมักพบในที่พักอาศัย โดยส่วนใหญ่จะทำหน้าที่เป็นอินเตอร์เฟสที่ซับซ้อนซึ่งรับผิดชอบในการสื่อสาร การกรอง และควบคุมการไหลของไฟ AC ไปยังรถยนต์ ต่อจากนั้น เครื่องชาร์จ DC ภายในรถยนต์จะแก้ไขพลังงานนี้และชาร์จแบตเตอรี่ ในทางตรงกันข้าม เครื่องชาร์จ DC จะดำเนินการแก้ไขก่อนที่จะจ่ายพลังงานให้กับยานพาหนะ โดยส่งสัญญาณเป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง

ข้อได้เปรียบหลักของเครื่องชาร์จ DC อยู่ที่ความสามารถในการขจัดข้อจำกัดมากมายที่เกี่ยวข้องกับน้ำหนักและขนาดโดยการย้ายส่วนประกอบการปรับกำลังไฟฟ้าจาก EV ไปยังโครงสร้างภายนอก

รูปที่ 1: เครื่องชาร์จ DC แสดงอัตราการชาร์จที่เร็วขึ้นอย่างเห็นได้ชัด แม้ว่าจะมีความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นและการสร้างความร้อนที่เพิ่มขึ้นก็ตาม (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

ด้วยการกำจัดข้อจำกัดด้านน้ำหนักและขนาด เครื่องชาร์จ DC จึงสามารถรวมส่วนประกอบเพิ่มเติมได้อย่างราบรื่น เพื่อเพิ่มทั้งปริมาณกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน เครื่องชาร์จเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ล้ำสมัยในการแก้ไขพลังงาน ควบคู่ไปกับตัวกรองและตัวต้านทานกำลัง ซึ่งทั้งหมดนี้สร้างความร้อนจำนวนมากระหว่างการทำงาน แม้ว่าการมีส่วนร่วมของตัวกรองและตัวต้านทานในการกระจายความร้อนจะเป็นที่น่าสังเกต แต่ตัวปล่อยความร้อนที่โดดเด่นในระบบชาร์จ EV คือ ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) ซึ่งเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ได้เห็นการใช้งานเพิ่มขึ้นในทศวรรษที่ผ่านมา ส่วนประกอบที่แข็งแกร่งนี้ได้ปลดล็อกความเป็นไปได้มากมายในโดเมนการชาร์จ แต่การระบายความร้อนที่เพียงพอยังคงเป็นข้อกังวลที่สำคัญ

รับมือกับความท้าทายเรื่องความร้อน

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน หรือ IGBT ทำหน้าที่เป็นลูกผสมระหว่างทรานซิสเตอร์แบบ Field-Effect (FET) และทรานซิสเตอร์ทางแยกแบบไบโพลาร์ (BJT) มีชื่อเสียงในด้านความสามารถในการทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูง ความต้านทานออนน้อยที่สุด อัตราการสลับที่รวดเร็ว และความยืดหยุ่นทางความร้อนที่โดดเด่น IGBT ค้นหาประโยชน์ที่เหมาะสมที่สุดในสถานการณ์ที่มีพลังงานสูง เช่น ที่ชาร์จ EV

ในวงจรชาร์จ EV โดยที่ IGBT ทำหน้าที่เป็นตัวเรียงกระแสหรืออินเวอร์เตอร์ การดำเนินการสลับบ่อยครั้งจะนำไปสู่การสร้างความร้อนอย่างมาก ในปัจจุบัน ความท้าทายด้านความร้อนที่สำคัญที่สุดเกี่ยวข้องกับการเพิ่มการกระจายความร้อนที่เกี่ยวข้องกับ IGBT ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา การกระจายความร้อนได้เพิ่มสูงขึ้นมากกว่าสิบเท่า จาก 1.2 kW เป็น 12.5 kW โดยการคาดการณ์บ่งชี้ว่าจะเพิ่มขึ้นอีก รูปที่ 2 ด้านล่างแสดงแนวโน้มนี้ในแง่ของกำลังต่อหน่วยพื้นที่ผิว

เพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งนี้ CPU ร่วมสมัยจะมีระดับพลังงานประมาณ 0.18 kW ซึ่งสอดคล้องกับ 7 kW/cm² ความแตกต่างที่น่าทึ่งตอกย้ำถึงอุปสรรคอันน่าเกรงขามในการจัดการระบายความร้อนที่ IGBT เผชิญในการใช้งานที่ใช้พลังงานสูง

รูปที่ 2: ความหนาแน่นของพลังงานของ IGBT มีความก้าวหน้าอย่างมาก (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

ปัจจัยสองประการที่มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนของ IGBT ประการแรก พื้นที่ผิวของ IGBT มีค่าประมาณสองเท่าของ CPU ประการที่สอง IGBT สามารถทนต่ออุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้นได้ถึง +170°C ในขณะที่ CPU สมัยใหม่มักทำงานที่อุณหภูมิเพียง +105°C

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการจัดการสภาวะทางความร้อนเกี่ยวข้องกับการใช้การผสมผสานของฮีทซิงค์ และการบังคับอากาศ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น IGBT โดยทั่วไปมีความต้านทานความร้อนภายในต่ำมาก ในขณะที่ความต้านทานความร้อนระหว่างอุปกรณ์กับอากาศโดยรอบค่อนข้างสูง การรวมฮีทซิงค์จะเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีอยู่อย่างมากในการกระจายความร้อนสู่อากาศโดยรอบ ซึ่งช่วยลดความต้านทานความร้อน นอกจากนี้ การควบคุมการไหลเวียนของอากาศเหนือฮีทซิงค์ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอีกด้วย เนื่องจากอินเตอร์เฟสของอุปกรณ์-อากาศแสดงถึงความต้านทานความร้อนที่สำคัญที่สุดในระบบ การลดส่วนนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญ ข้อดีของแนวทางที่ตรงไปตรงมานี้อยู่ที่ความน่าเชื่อถือของฮีทซิงค์แบบพาสซีฟและเทคโนโลยีที่เป็นที่ยอมรับของพัดลม

Same Sky ได้ปรับแต่งฮีทซิงค์สำหรับการชาร์จ EV โดยเฉพาะ โดยมีขนาดสูงสุด 950x350x75 mm ฮีทซิงค์เหล่านี้สามารถรองรับความต้องการที่มีความต้องการน้อยลงหรือจัดการสถานการณ์ที่มีความต้องการมากขึ้นด้วยการบังคับอากาศ

รูปที่ 3: การใช้ฮีทซิงค์และพัดลมแสดงถึงโซลูชันการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับ IGBT (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky )

นอกเหนือจากวิธีการระบายความร้อนด้วยอากาศแล้ว การระบายความร้อนด้วยของเหลวยังเป็นทางเลือกในการกระจายความร้อนจากส่วนประกอบกำลังสูง เช่น IGBT ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมีความน่าสนใจเนื่องจากความสามารถในการต้านทานความร้อนต่ำที่สุด อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้มาพร้อมกับต้นทุนที่สูงขึ้นและความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับโซลูชันการระบายความร้อนด้วยอากาศ นอกจากนี้ ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าแม้ในการตั้งค่าการระบายความร้อนด้วยน้ำ ฮีทซิงค์และพัดลม ยังคงเป็นส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับการกำจัดความร้อนออกจากระบบอย่างมีประสิทธิภาพ

เมื่อพิจารณาถึงต้นทุนและความซับซ้อนที่เกี่ยวข้อง การระบายความร้อนโดยตรงของ IGBT โดยใช้ฮีทซิงค์และพัดลมยังคงเป็นแนวทางที่ต้องการ ความพยายามในการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพเทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยอากาศที่ปรับแต่งเป็นพิเศษสำหรับการใช้งาน IGBT การวิจัยเชิงรุกนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อนในขณะเดียวกันก็ลดต้นทุนและความซับซ้อนของระบบที่เกี่ยวข้องกับวิธีการทำความเย็นด้วยของเหลว

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบระบบระบายความร้อน

ประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นนั้นขึ้นอยู่กับการวางตำแหน่งเชิงกลยุทธ์ของส่วนประกอบเป็นอย่างมาก เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการไหลเวียนของอากาศและเพิ่มการกระจายความร้อน ระยะห่างระหว่างส่วนประกอบที่ไม่เพียงพอสามารถขัดขวางการไหลเวียนของอากาศและจำกัดขนาดของฮีทซิงค์ที่สามารถใช้ได้ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องวางตำแหน่งส่วนประกอบที่สร้างความร้อนที่สำคัญอย่างมีกลยุทธ์ทั่วทั้งระบบเพื่อช่วยให้การระบายความร้อนมีประสิทธิภาพ

นอกจากการจัดวางส่วนประกอบแล้ว การวางตำแหน่งของเซ็นเซอร์ความร้อนก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ในระบบขนาดใหญ่ เช่น เครื่องชาร์จ DC EV การตรวจสอบอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ที่อำนวยความสะดวกโดยระบบควบคุมมีบทบาทสำคัญในการจัดการระบายความร้อนเชิงรุก การปรับกลไกการทำความเย็นอัตโนมัติตามการอ่านอุณหภูมิสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบและป้องกันความร้อนสูงเกินไปโดยการควบคุมกระแสไฟขาออกหรือการปรับความเร็วพัดลม อย่างไรก็ตาม ความแม่นยำของการปรับอัตโนมัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับคุณภาพและความแม่นยำของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ การวางตำแหน่งเซ็นเซอร์ที่ไม่ดีอาจทำให้การอ่านอุณหภูมิไม่ถูกต้อง ส่งผลให้การตอบสนองของระบบไม่มีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงต้องพิจารณาอย่างรอบคอบในการวางตำแหน่งเซ็นเซอร์ความร้อนเพื่อให้มั่นใจในความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของการตรวจสอบและควบคุมอุณหภูมิ

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม

สถานีชาร์จ EV มักถูกใช้งานในสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศที่หลากหลาย ดังนั้น การออกแบบตู้ที่ทนต่อสภาพอากาศพร้อมการระบายอากาศที่เหมาะสมและการป้องกันองค์ประกอบต่างๆ เช่น ฝนและอุณหภูมิที่สูงมาก จึงจำเป็นที่จะรักษาประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เหมาะสมที่สุด จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเส้นทางไหลเวียนของอากาศและระบบระบายอากาศได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อป้องกันน้ำเข้าในขณะที่ยังคงการไหลเวียนของอากาศโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง

ท่ามกลางปัจจัยภายนอก การให้ความร้อนจากแสงอาทิตย์จากแสงแดดโดยตรงถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ ส่งผลให้อุณหภูมิภายในตัวเครื่องของเครื่องชาร์จเพิ่มขึ้นอย่างมาก แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้เกิดข้อกังวลที่ถูกต้องตามกฎหมาย แต่วิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพสูงสุดก็ค่อนข้างตรงไปตรงมา การใช้โครงสร้างบังแดดที่ออกแบบมาอย่างดีโดยมีการไหลเวียนของอากาศที่เพียงพอระหว่างบังแดดและหน่วยชาร์จจะช่วยลดความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงรักษาอุณหภูมิโดยรอบภายในตู้ชาร์จให้ต่ำลง

รูปที่ 4: การป้องกันเครื่องชาร์จจากแสงแดดโดยตรงนำเสนอกลยุทธ์ที่คุ้มต้นทุนและมีประสิทธิภาพในการจัดการสภาพความร้อน (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

ถัดไปคืออย่างไร

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการนำรถยนต์ไฟฟ้ามาใช้ทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างน่าทึ่ง โดยความต้องการแสดงให้เห็นการเติบโตอย่างต่อเนื่องและสำคัญในด้านเทคโนโลยีต่างๆ เนื่องจากจำนวนรถยนต์ไฟฟ้าบนท้องถนนยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จที่แพร่หลายจึงคาดว่าจะขยายตัวอย่างก้าวกระโดด การทำงานที่มีประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของเครื่องชาร์จมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จที่กำลังเติบโตนี้ ความมีประสิทธิภาพด้านต้นทุนยังเป็นปัจจัยสำคัญ เนื่องจากความรวดเร็วในการที่บุคคลและธุรกิจรวมที่ชาร์จเหล่านี้เข้ากับบ้านและสถานประกอบการของตนนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถในการจ่าย

เมื่อคาดการณ์ถึงการเติบโตอย่างต่อเนื่องของ EV และเครื่องชาร์จ เราจะต้องรับทราบถึงลักษณะการพัฒนาของเทคโนโลยีพื้นฐาน ซึ่งรวมถึงการคำนึงถึงความก้าวหน้าที่อาจเกิดขึ้นในด้านพลังงานและความจุในการชาร์จ การพัฒนามาตรฐานซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ และการเปิดโอกาสให้มีที่ว่างสำหรับนวัตกรรมที่คาดไม่ถึง แนวทางเชิงรุกนี้ช่วยให้แน่ใจว่าระบบการจัดการระบายความร้อนสามารถปรับให้เข้ากับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

ที่ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้ามีความกังวลด้านการจัดการความร้อนที่คล้ายคลึงกันกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงที่มีความหนาแน่นสูงอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของพลังงานของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) ที่ใช้ในเครื่องชาร์จ EV ประกอบกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นของทรานซิสเตอร์เหล่านี้ ถือเป็นความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร เนื่องจากความเร็วในการชาร์จและความจุของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความจำเป็นในการพัฒนาเครื่องชาร์จอย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยจึงเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ โดยนักออกแบบและวิศวกรด้านการจัดการระบายความร้อนต้องเรียกร้องมากขึ้นกว่าที่เคย

Same Sky นำเสนอผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายส่วนประกอบการจัดการความร้อน ควบคู่ไปกับบริการออกแบบระบายความร้อนชั้นนำของอุตสาหกรรม เพื่อรองรับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของระบบนิเวศการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า