Jak vybrat miniaturní magnetické zubové čerpadlo pro ultrarychlé nabíjení kapalinovým chlazením

Vzhledem k tomu, že nabíjecí výkon pro elektromobily neustále roste, tepelný management se stal jedním z nejdůležitějších konstrukčních aspektů stejnosměrných rychlonabíjecích stanic. Vysoké nabíjecí proudy generují značné teplo v nabíjecích kabelech, konektorech, napájecích modulech, kondenzátorech, induktorech a řídicích součástech.

An kapalinové chladicí čerpadlo s ultrarychlým nabíjením cirkuluje chladicí kapalinu nabíjecím systémem, přenáší teplo od kritických součástí a pomáhá udržovat stabilní provozní teplotu během nepřetržitého nabíjení vysokým výkonem.

Pro výrobce nabíjecích stanic a integrátory systémů tepelného managementu se miniaturní magnetické zubové čerpadlo stává důležitou volbou čerpadla, protože má kompaktní konstrukci, předvídatelný přívod kapaliny, konstrukci magnetického pohonu a vhodnost pro uzavřené okruhy kapalinového chlazení.

Proč ultrarychlé nabíjecí stanice potřebují chlazení kapalinou?

High Power Charging, běžně označované jako HPC, se používá v ultrarychlých DC nabíjecích stanicích, které pracují při vysokých úrovních proudu. Phoenix Contact popisuje HPC jako vysoce výkonnou třídu stejnosměrného nabíjení využívající nabíjecí proudy nad 375 A. Její nejnovější systémy nabíjecích kabelů chlazených kapalinou jsou navrženy pro nabíjecí výkon dosahující až 1 000 kW při specifikovaných provozních režimech.

Jak se nabíjecí proud zvyšuje, elektrický odpor produkuje více tepla ve vodiči, kontaktech konektoru a okolních elektronických součástkách. Bez dostatečného chlazení může nadměrná teplota vést k:

• Snížený nabíjecí výkon

• Automatické snížení proudu

• Předčasné stárnutí součástí

• Poškozená izolace kabelu

• Nepříjemné teploty konektoru

• Zvýšená prostoje nabíječky

• Potenciální rizika chladicí kapaliny nebo elektrické bezpečnosti

Kapalinové chlazení odebírá teplo cirkulací chladiva trubkami, chladicími deskami, výměníky tepla, nabíjecími kabely nebo sestavami konektorů. Konzistentní cirkulace chladicí kapaliny je nezbytná, protože nedostatečný nebo nestabilní průtok může snížit výkon přenosu tepla.

Co je kapalinové chladicí čerpadlo s ultrarychlým nabíjením?

Čerpadlo pro ultrarychlé nabíjení kapalinového chlazení je oběhové čerpadlo chladicí kapaliny instalované uvnitř nabíjecí stanice pro elektromobily, kapalinové chladicí jednotky, nabíjecího dávkovače nebo chladicího modulu kabelu.

Jeho hlavní funkcí je cirkulace chladicí kapaliny mezi součástmi generujícími teplo a tepelným výměníkem nebo radiátorem.

V závislosti na konstrukci systému může čerpadlo chladit:

• Kapalinou chlazené nabíjecí kabely EV

• Nabíjecí konektory CCS nebo NACS

• Megawattové nabíjecí konektory

• DC nabíjecí napájecí moduly

• Komponenty usměrňovače a měniče

• IGBT nebo SiC výkonová elektronika

• Přípojnice a elektrické kontakty

• Ovládací skříně nabíjecí stanice

• Integrované kapalinové chladicí jednotky

Kompletní chladicí okruh může zahrnovat čerpadlo, nádrž chladicí kapaliny, chladič, ventilátor, filtr, teplotní snímač, tlakový snímač, průtokový snímač, expanzní komoru a elektronický ovladač.

Co je miniaturní magnetické zubové čerpadlo?

Miniaturní magnetické zubové čerpadlo je kompaktní objemové čerpadlo, které využívá rotující ozubená kola k pohybu chladicí kapaliny chladicím okruhem.

Namísto použití konvenční hřídelové ucpávky mezi motorem a komorou čerpadla používá čerpadlo k přenosu točivého momentu magnetickou spojku. Magnet na straně motoru pohání vnitřní magnet připojený k převodům čerpadla.

Tato konstrukce odděluje motor od čerpané kapaliny a může snížit únikové cesty spojené s dynamickými hřídelovými ucpávkami.

Magneticky poháněná zubová čerpadla se již používají v aplikacích chlazení nabíječek EV, protože mohou zajistit řízenou dodávku kapaliny v kompaktním balení. Některá komerční zubová čerpadla s magnetickým pohonem jsou speciálně navržena pro vysokoteplotní kapaliny a používají magnetickou přenosovou strukturu bez těsnění.

Proč používat miniaturní magnetické zubové čerpadlo v nabíječce elektromobilů?

1. Snížené riziko netěsnosti hřídelového těsnění

Únik chladicí kapaliny je vážným problémem uvnitř nabíjecího zařízení, protože kapalina může poškodit výkonovou elektroniku, řídicí desky, izolační systémy a elektrické spoje.

Čerpadlo s magnetickým pohonem eliminuje pronikání rotujícího hřídele mezi komoru mokrého čerpadla a externí motor. To snižuje závislost na konvenční dynamické hřídelové ucpávce.

Kompletní čerpadlo však stále vyžaduje správně navržená statická těsnění, spoje skříně, připojení trubek a armatury. Čerpadlo by proto mělo být hodnoceno jako součást celého chladicího okruhu spíše než jako jediná součást kontroly úniku.

2. Kompaktní instalace

Zařízení pro ultrarychlé nabíjení obsahuje napájecí moduly, elektrické rozvodné komponenty, monitorovací zařízení, komunikační systémy, chladicí zařízení a struktury pro správu kabelů.

Dostupný instalační prostor je často omezený.

A miniaturní magnetické zubové čerpadlo lze integrovat do:

• Kompaktní chladicí distribuční jednotky

• Nabíjecí kabel chladicí moduly

• Nástěnné DC nabíječky

• Samostatné nabíjecí dávkovače

• Modulární nabíjecí skříně

• Mobilní nabíjecí zařízení

• Testovací systémy kapalinového chlazení

Jeho kompaktní design poskytuje výrobcům nabíjecích zařízení větší flexibilitu při uspořádání zásobníků, výměníků tepla, senzorů, potrubí a řídicích komponent.

3. Předvídatelná dodávka chladicí kapaliny

Zubová čerpadla přenášejí definovaný objem kapaliny při každém otočení ozubeného kola. To umožňuje upravit průtok pomocí otáček motoru v rámci schváleného provozního rozsahu čerpadla.

Předvídatelná dodávka chladicí kapaliny je zvláště užitečná, když nabíjecí systém potřebuje udržovat cílový průtok úzkými chladicími trubicemi, dlouhými nabíjecími kabely, konektory, filtry nebo kompaktními výměníky tepla.

Skutečný provozní tok je ovlivněn:

• Rychlost čerpadla

• Viskozita chladicí kapaliny

• Teplota chladicí kapaliny

• Diferenční tlak

• Vnitřní netěsnost

• Průměr trubky

• Délka kabelu

• Odpor filtru

• Pokles tlaku výměníku tepla

Z tohoto důvodu by výběr čerpadla měl být založen na úplné křivce odporu systému spíše než na samotné hodnotě volného průtoku.

4. Kompatibilita s různými architekturami chlazení

Systémy ultrarychlého nabíjení nepoužívají všechny stejné chladicí kapaliny.

Směsi vody a glykolu se běžně používají v nabíjecích zařízeních a kapalinou chlazených nabíjecích kabelech. Například společnost Phoenix Contact specifikuje směs vody a glykolu pro některé ze svých chlazených nabíjecích kabelových systémů HPC. Jiné nabíjecí nebo megawattové nabíjecí systémy mohou používat dielektrické chladicí kapaliny v závislosti na tom, jak kapalina přichází do styku s vodičem a elektrickými součástmi.

Miniaturní magnetické zubové čerpadlo lze vyvinout pro různé chladicí kapaliny, ale pro každý projekt je nutné ověřit kompatibilitu materiálu.

Mezi důležité materiály čerpadla patří:

• Skříň čerpadla

• Materiál převodovky

• Materiál hřídele

• Materiál ložiska

• O-kroužky

• Těsnění

• Lepidla

• Magnetické zadržovací komponenty

Nikdy nepředpokládejte, že čerpadlo vhodné pro vodu je automaticky vhodné pro glykolové směsi, silikonový olej, dielektrické chladicí kapaliny nebo jiné technické chladicí kapaliny.

5. Ovládání chlazení s proměnnou rychlostí

Tepelná zátěž při nabíjení se během nabíjecího cyklu mění. Může se také lišit podle požadavků vozidla, stavu nabití baterie, okolní teploty, nabíjecího proudu a počtu aktivních nabíjecích výstupů.

Čerpadlo s proměnnou rychlostí umožňuje regulátoru chlazení upravit cirkulaci chladicí kapaliny podle provozních podmínek v reálném čase.

Mezi možné způsoby kontroly patří:

• PWM regulace otáček

• Vstup rychlosti 0–10 V

• Analogové řízení napětí

• CAN komunikace

• Komunikace RS485

• Přizpůsobené protokoly řízení motoru

Provoz s proměnnou rychlostí může pomoci snížit zbytečnou spotřebu energie a hluk, když nabíječka pracuje s nižším tepelným zatížením.

6. Vhodné pro kontinuální cirkulaci

Veřejné stejnosměrné nabíjecí stanice mohou fungovat po dlouhou dobu a každý den dokončit několik nabíjecích relací. Chladicí čerpadlo proto musí být navrženo pro časté spouštění, prodloužený provoz a měnící se podmínky prostředí.

Při hodnocení chladicího čerpadla nabíječky EV by si kupující měli vyžádat informace o testování týkající se:

• Nepřetržitý provoz

• Cykly start-stop

• Výkon při vysokých a nízkých teplotách

• Stárnutí chladicí kapaliny

• Cyklování tlaku

• Zvýšení teploty motoru

• Opotřebení ložisek a ozubených kol

• Testování těsnosti

• Dlouhodobé testování odolnosti

Kde je nainstalováno magnetické zubové čerpadlo?

Kapalinou chlazený obvod nabíjecího kabelu

Čerpadlo cirkuluje chladicí kapalinu přes nabíjecí kabel a konektor, než ji vrátí do výměníku tepla.

Tato aplikace vyžaduje pečlivou kontrolu tlakových ztrát, protože chladicí kanály uvnitř kabelu mohou být úzké a celková délka kabelu může být několik metrů.

Chlazení nabíjecího konektoru

Během vysokoproudého provozu se kolem nabíjecích kontaktů může hromadit teplo. Vyhrazený chladicí okruh může odvádět teplo z oblasti konektoru a kabelové koncovky.

Čerpadlo musí poskytovat dostatečný průtok bez vytváření nadměrného tlaku, který by mohl poškodit hadičky, těsnění nebo součásti konektoru.

Chlazení stejnosměrného napájecího modulu

Nabíjecí výkonové moduly obsahují polovodičové součástky a elektrická zařízení generující teplo. Kapalinové chladicí desky mohou být použity pro přenos tepla z modulů do společného chladicího okruhu.

V této aplikaci může být potřeba, aby čerpadlo zvládlo více paralelních chladicích větví.

Integrovaná jednotka rozvodu chlazení

Někteří výrobci nabíjecích stanic používají kompletní chladicí distribuční jednotku obsahující čerpadlo, nádrž, chladič, ventilátor, senzory, filtr a ovladač.

Kompaktní magnetické zubové čerpadlo může být integrováno do této jednotky jako hlavní součást cirkulace chladicí kapaliny.

Jak vybrat kapalinové chladicí čerpadlo s ultrarychlým nabíjením

Definujte požadovaný průtok

Požadovaný průtok by se měl vypočítat podle:

• Maximální tepelná zátěž

• Tepelná kapacita chladicí kapaliny

• Povolené zvýšení teploty chladicí kapaliny

• Požadavky na chlazení kabelů a konektorů

• Počet chladicích větví

• Účinnost výměníku tepla

Nevybírejte jednoduše čerpadlo s nejvyšším maximálním průtokem. Předimenzované čerpadlo může zvýšit spotřebu energie, tlak v systému, vibrace, hluk kapaliny a zvýšení teploty chladicí kapaliny způsobené vnitřní recirkulací.

Vypočítejte celkový pokles tlaku

Čerpadlo musí překonat odpor celého chladicího okruhu, včetně:

• Nabíjecí kabel

• Konektor

• Chladicí desky

• Trubky a hadice

• Ohyby a kování

• Filtry

• Ventily

• Výměník tepla

• Průtokoměr

• Rychlospojky

Požádejte dodavatele čerpadla o poskytnutí křivky průtoku a tlaku s použitím viskozity chladicí kapaliny blízké skutečné aplikaci.

Potvrďte viskozitu chladicí kapaliny při různých teplotách

Viskozita chladicí kapaliny se může výrazně zvýšit v chladném prostředí. Čerpadlo, které pracuje správně při 25 °C, může produkovat nižší průtok nebo vyžadovat větší točivý moment motoru při teplotách pod nulou.

Proces výběru by měl vzít v úvahu:

• Minimální spouštěcí teplota

• Maximální trvalá teplota chladicí kapaliny

• Viskozita při studeném startu

• Normální provozní viskozita

• Maximální povolený proud motoru

• Točivý moment magnetické spojky

Ověřte kompatibilitu navlhčeného materiálu

Poskytněte výrobci čerpadla kompletní technický list chladicí kapaliny.

Hodnocení by mělo zahrnovat:

• Chemické složení

• Koncentrace glykolu

• Aditiva

• Elektrická vodivost

• Mazací schopnost

• Viskozita

• Maximální teplota

• Minimální teplota

• Předpokládaný interval výměny

Pokud chladicí kapalina obsahuje patentovaná aditiva, mohou být nutné dlouhodobé zkoušky ponořením nebo cirkulací.

Vyberte správné napětí motoru

Běžná řídicí napětí nabíjecího zařízení mohou zahrnovat 12 V DC, 24 V DC, 48 V DC nebo přizpůsobené napájecí zdroje.

Vybraný motor čerpadla by měl odpovídat elektrické architektuře nabíječky a poskytovat vhodnou ochranu proti:

• Nadproud

• Přepětí

• Opačná polarita

• Zablokovaný rotor

• Nadměrná teplota motoru

• Selhání komunikace

Vyhodnoťte požadavky na monitorování

Moderní kapalinový chladicí systém by se neměl spoléhat pouze na provozní příkazy čerpadla.

Ovladač může také sledovat:

• Průtok chladicí kapaliny

• Vstupní a výstupní teplota

• Tlak v okruhu

• Hladina kapaliny v nádrži

• Proud motoru čerpadla

• Rychlost čerpadla

• Únik chladicí kapaliny

• Zablokování filtru

Sledování těchto hodnot pomáhá nabíječce snížit výkon nebo bezpečně zastavit nabíjení, když je výkon chlazení nedostatečný.

Klíčové informace, které je třeba poskytnout dodavateli čerpadel

Před vyžádáním cenové nabídky by měli výrobci nabíjecích stanic poskytnout následující informace:

Poskytnutí úplných provozních údajů umožňuje výrobci čerpadla doporučit model založený na skutečných provozních podmínkách namísto samotného jmenovitého průtoku.

Běžné chyby při výběru čerpadla

Výběr pouze podle maximálního průtoku

Maximální průtok se obvykle měří za podmínek nízkého odporu. Skutečný průtok uvnitř chladicího okruhu nabíjecího kabelu může být podstatně odlišný.

Ignorování viskozity při studeném startu

Chladicí kapalina se může stát mnohem viskóznější při nízkých teplotách, což zvyšuje točivý moment čerpadla a požadavky na výkon.

Použití nekompatibilních těsnících materiálů

Nevhodný materiál O-kroužku nebo těsnění může po dlouhodobém působení chladicí kapaliny nabobtnat, ztvrdnout, prasknout nebo ztratit těsnicí výkon.

Ignorování vzduchu v chladicím okruhu

Zachycený vzduch může snížit přenos tepla, zvýšit hluk, přerušit průtok nebo způsobit nestabilní provoz čerpadla. Systém by měl zahrnovat vhodné uspořádání pro plnění, ventilaci a nádrž.

Provoz mimo křivku čerpadla

Nepřetržitý provoz při nadměrném tlaku nebo nevhodných otáčkách může zvýšit opotřebení, teplotu motoru a vnitřní netěsnosti.

Testování čerpadla odděleně od systému

Čerpadlo může fungovat dobře na laboratorním stole, ale chová se jinak, když je připojeno ke skutečnému kabelu, chladicí desce, výměníku tepla, filtru a potrubní síti.

Prototypové testování by proto mělo využívat chladicí okruh, který těsně reprezentuje koncové nabíjecí zařízení.

Miniaturní magnetické zubové čerpadlo vs odstředivé čerpadlo

Oba typy čerpadel lze použít v kapalinových chladicích systémech, ale mají odlišné vlastnosti.

Konečná volba by měla být založena na vlastnostech chladicí kapaliny, požadovaném průtoku, tlakové ztrátě, hluku, velikosti balení, životnosti, ceně a požadavcích na údržbu.

Často kladené otázky

Dokáže si miniaturní magnetické zubové čerpadlo poradit s chladicí kapalinou voda-glykol?

Může být navrženo pro směsi vody a glykolu, ale dodavatel čerpadla musí ověřit kompatibilitu převodovky, ložiska, pouzdra, magnetu a těsnicího materiálu s přesnou koncentrací glykolu a přísadami.

Lze čerpadlo použít pro dielektrické chladicí kapaliny?

Potenciálně ano. Dielektrické kapaliny však mohou mít různou viskozitu, mazivost, bobtnání a teplotní charakteristiky. Před hromadnou výrobou je vyžadováno testování aplikací.

Je magnetické zubové čerpadlo zcela bez úniku?

Magnetický pohon odstraňuje konvenční rotační těsnění hřídele, čímž se snižuje jedna důležitá cesta úniku. Statická těsnění, spoje krytu, porty, potrubí a armatury však musí být stále správně navrženy a testovány.

Jaký průtok je vyžadován pro nabíjecí kabel chlazený kapalinou?

Univerzální průtok neexistuje. Závisí na nabíjecím proudu, konstrukci kabelu, rozměrech chladicího kanálu, typu chladicí kapaliny, délce kabelu, povoleném nárůstu teploty a poklesu tlaku v systému.

Lze rychlost čerpadla upravit podle nabíjecího výkonu?

Ano, pokud je čerpadlo vybaveno kompatibilním bezkomutátorovým stejnosměrným motorem a regulátorem otáček. Nabíječka může zvýšit nebo snížit rychlost čerpadla podle teploty, nabíjecího proudu nebo požadavku na chlazení.

Jaké informace jsou potřebné pro přizpůsobení čerpadla?

Výrobce čerpadla běžně vyžaduje údaje o chladící kapalině, průtok, tlak, viskozitu, provozní teplotu, napětí motoru, způsob ovládání, instalační prostor, typ portu, očekávanou životnost, certifikační požadavky a roční spotřebu.

Kompaktní chladicí čerpadlo pro nabíjení elektromobilů nové generace

Jak se nabíjecí systémy elektromobilů posouvají směrem k vyššímu proudu a vyššímu výkonu, stává se stabilní cirkulace kapaliny stále důležitější. Kapalinou chlazené kabely a konektory se již vyvíjejí pro stovky ampér a v některých systémech i pro nabíjení v megawattové třídě.

Správně zvolené miniaturní magnetické zubové čerpadlo může zajistit kompaktní cirkulaci chladicí kapaliny pro nabíjecí kabely, konektory, napájecí moduly a integrované chladicí distribuční jednotky.

Úspěšná integrace čerpadla vyžaduje více než jen dodržení jmenovitého průtoku. Výrobci nabíjecích zařízení by měli vyhodnotit kompletní chladicí okruh, viskozitu chladicí kapaliny, tlakovou ztrátu, teplotní rozsah, kompatibilitu materiálu, strategii řízení, požadavky na monitorování a předpokládanou životnost.

Spoluprací se zkušeným Výrobce čerpadel pro kapalinové chlazení s ultrarychlým nabíjením , OEM nabíječky EV mohou vyvinout přizpůsobenou konfiguraci čerpadla, která splňuje jejich požadavky na chlazení, instalaci, spolehlivost a sériovou výrobu.