Jak wybrać miniaturową magnetyczną pompę zębatą do ultraszybkiego ładowania cieczy chłodzącej

Ponieważ moc ładowania pojazdów elektrycznych stale rośnie, zarządzanie temperaturą stało się jednym z najważniejszych czynników projektowych w przypadku stacji szybkiego ładowania prądem stałym. Wysokie prądy ładowania generują znaczne ciepło w kablach ładujących, złączach, modułach mocy, kondensatorach, cewkach indukcyjnych i elementach sterujących.

Jakiś Ultraszybka pompa chłodząca cieczą zapewnia cyrkulację płynu chłodzącego w układzie ładowania, odprowadza ciepło z najważniejszych podzespołów i pomaga utrzymać stabilną temperaturę roboczą podczas ciągłego ładowania dużą mocą.

Dla producentów stacji ładowania i integratorów systemów zarządzania ciepłem miniaturowa magnetyczna pompa zębata staje się ważną opcją ze względu na jej zwartą konstrukcję, przewidywalne dostarczanie płynu, konstrukcję napędu magnetycznego i przydatność do zamkniętych obiegów chłodzenia cieczą.

Dlaczego ultraszybkie stacje ładowania potrzebują chłodzenia cieczą?

Ładowanie dużej mocy, powszechnie określane jako HPC, jest stosowane w ultraszybkich stacjach ładowania prądem stałym, które działają przy wysokim poziomie prądu. Firma Phoenix Contact opisuje HPC jako wysokowydajną klasę ładowania prądem stałym wykorzystującą prądy ładowania powyżej 375 A. Najnowsze systemy kabli do ładowania chłodzonych cieczą są przeznaczone do ładowania z mocą do 1000 kW w określonych trybach pracy.

Wraz ze wzrostem prądu ładowania opór elektryczny wytwarza więcej ciepła w przewodniku, stykach złącza i otaczających elementach elektronicznych. Bez wystarczającego chłodzenia nadmierna temperatura może prowadzić do:

• Zmniejszona moc ładowania

• Automatyczne obniżanie wartości znamionowych prądu

• Przedwczesne starzenie się komponentów

• Uszkodzona izolacja kabla

• Niekomfortowe temperatury złączy

• Dłuższy czas przestoju ładowarki

• Potencjalne ryzyko związane z chłodziwem lub bezpieczeństwem elektrycznym

Chłodzenie cieczą usuwa ciepło poprzez cyrkulację chłodziwa przez rurki, płyty chłodzące, wymienniki ciepła, kable ładowania lub zespoły złączy. Stała cyrkulacja chłodziwa jest niezbędna, ponieważ niewystarczający lub niestabilny przepływ może zmniejszyć wydajność wymiany ciepła.

Co to jest ultraszybka pompa chłodząca do ładowania cieczy?

Ultraszybka pompa do chłodzenia cieczą ładującą to pompa obiegowa płynu chłodzącego instalowana wewnątrz stacji ładowania pojazdów elektrycznych, urządzenia do chłodzenia cieczą, dystrybutora ładowania lub modułu chłodzenia kabla.

Jego główną funkcją jest cyrkulacja płynu chłodzącego pomiędzy elementami wytwarzającymi ciepło a wymiennikiem ciepła lub chłodnicą.

W zależności od konstrukcji systemu pompa może chłodzić:

• Kable do ładowania pojazdów elektrycznych chłodzone cieczą

• Złącza ładowania CCS lub NACS

• Złącza ładowania megawatów

• Moduły zasilania prądem stałym

• Elementy prostownika i falownika

• Elektronika mocy IGBT lub SiC

• Szyny zbiorcze i styki elektryczne

• Szafy sterownicze stacji ładowania

• Zintegrowane jednostki chłodzenia cieczą

Kompletny obwód chłodzenia może obejmować pompę, zbiornik płynu chłodzącego, chłodnicę, wentylator, filtr, czujnik temperatury, czujnik ciśnienia, czujnik przepływu, komorę rozprężną i sterownik elektroniczny.

Co to jest miniaturowa magnetyczna pompa zębata?

Miniaturowa magnetyczna pompa zębata to kompaktowa pompa wyporowa, która wykorzystuje obracające się koła zębate do przemieszczania chłodziwa przez obwód chłodzenia.

Zamiast stosowania konwencjonalnego uszczelnienia wału pomiędzy silnikiem a komorą pompy, w pompie zastosowano sprzęgło magnetyczne do przenoszenia momentu obrotowego. Magnes po stronie silnika napędza magnes wewnętrzny podłączony do przekładni pompy.

Taka konstrukcja oddziela silnik od pompowanej cieczy i może zredukować drogi wycieków związane z dynamicznymi uszczelnieniami wału.

Pompy zębate napędzane magnetycznie są już stosowane w układach chłodzenia ładowarek pojazdów elektrycznych, ponieważ mogą zapewnić kontrolowane dostarczanie płynu w kompaktowej obudowie. Niektóre komercyjne pompy zębate z napędem magnetycznym są specjalnie zaprojektowane do płynów o wysokiej temperaturze i wykorzystują bezuszczelkową strukturę przenoszenia magnetycznego.

Dlaczego warto używać miniaturowej magnetycznej pompy zębatej w ładowarce EV?

1. Zmniejszone ryzyko wycieku uszczelnienia wału

Wyciek płynu chłodzącego stanowi poważny problem wewnątrz sprzętu do ładowania, ponieważ ciecz może uszkodzić elektronikę mocy, tablice sterujące, systemy izolacyjne i połączenia elektryczne.

Pompa z napędem magnetycznym eliminuje penetrację wału obrotowego pomiędzy mokrą komorą pompy a silnikiem zewnętrznym. Zmniejsza to zależność od konwencjonalnego dynamicznego uszczelnienia wału.

Jednakże kompletna pompa nadal wymaga odpowiednio zaprojektowanych uszczelnień statycznych, połączeń obudowy, połączeń rurowych i złączek. Dlatego też pompę należy traktować jako część całego obiegu chłodzenia, a nie jako jedyny element kontrolujący wycieki.

2. Kompaktowa instalacja

Sprzęt do ultraszybkiego ładowania obejmuje moduły mocy, komponenty dystrybucji energii elektrycznej, urządzenia monitorujące, systemy komunikacyjne, sprzęt chłodzący i struktury do zarządzania kablami.

Dostępna przestrzeń instalacyjna jest często ograniczona.

A miniaturową magnetyczną pompę zębatą można zintegrować z:

• Kompaktowe jednostki dystrybucji chłodzenia

• Moduły chłodzące kabel ładujący

• Ładowarki ścienne DC

• Samodzielne dystrybutory ładujące

• Modułowe szafki ładujące

• Mobilny sprzęt do ładowania

• Systemy testowe chłodzenia cieczą

Jego kompaktowa konstrukcja zapewnia producentom urządzeń ładujących większą elastyczność przy rozmieszczaniu zbiorników, wymienników ciepła, czujników, rurociągów i elementów sterujących.

3. Przewidywalna dostawa chłodziwa

Pompy zębate tłoczą określoną objętość cieczy podczas każdego obrotu koła zębatego. Umożliwia to regulację natężenia przepływu poprzez prędkość silnika w zatwierdzonym zakresie roboczym pompy.

Przewidywalne dostarczanie chłodziwa jest szczególnie przydatne, gdy układ ładowania musi utrzymywać docelowe natężenie przepływu przez wąskie rurki chłodzące, długie kable ładowania, złącza, filtry lub kompaktowe wymienniki ciepła.

Na rzeczywisty przepływ operacyjny mają wpływ:

• Prędkość pompy

• Lepkość płynu chłodzącego

• Temperatura płynu chłodzącego

• Różnica ciśnień

• Wyciek wewnętrzny

• Średnica rury

• Długość kabla

• Opór filtra

• Spadek ciśnienia w wymienniku ciepła

Z tego powodu dobór pompy powinien opierać się na pełnej krzywej rezystancji systemu, a nie na samej wartości swobodnego przepływu.

4. Kompatybilność z różnymi architekturami chłodzenia

Nie wszystkie systemy ultraszybkiego ładowania wykorzystują ten sam płyn chłodzący.

W sprzęcie do ładowania i kablach do ładowania chłodzonych cieczą powszechnie stosuje się mieszaniny wody i glikolu. Na przykład firma Phoenix Contact określa mieszaninę wody i glikolu dla niektórych swoich chłodzonych systemów kabli do ładowania HPC. Inne systemy ładowania lub systemy ładowania megawatów mogą wykorzystywać dielektryczne płyny chłodzące, w zależności od sposobu, w jaki ciecz styka się z przewodnikiem i elementami elektrycznymi.

Można opracować miniaturową magnetyczną pompę zębatą dla różnych chłodziw, ale dla każdego projektu należy sprawdzić zgodność materiałów.

Do ważnych materiałów pompy zaliczają się:

• Obudowa pompy

• Materiał przekładni

• Materiał wału

• Materiał łożyska

• O-ringi

• Uszczelki

• Kleje

• Elementy obudowy magnetycznej

Nigdy nie zakładaj, że pompa odpowiednia do wody automatycznie nadaje się do mieszanin glikolu, oleju silikonowego, chłodziwa dielektrycznego lub innych opracowanych płynów chłodzących.

5. Sterowanie chłodzeniem o zmiennej prędkości

Obciążenie cieplne ładowania zmienia się podczas cyklu ładowania. Może się także różnić w zależności od zapotrzebowania pojazdu, stanu naładowania akumulatora, temperatury otoczenia, prądu ładowania i liczby aktywnych wyjść ładowania.

Pompa o zmiennej prędkości umożliwia sterownikowi chłodzenia regulację obiegu chłodziwa w zależności od warunków pracy w czasie rzeczywistym.

Możliwe metody kontroli obejmują:

• Sterowanie prędkością PWM

• Wejście prędkości 0–10 V

• Sterowanie napięciem analogowym

• Komunikacja CAN

• Komunikacja RS485

• Indywidualne protokoły sterowania silnikiem

Praca ze zmienną prędkością może pomóc w zmniejszeniu niepotrzebnego zużycia energii i hałasu, gdy ładowarka pracuje przy niższym obciążeniu termicznym.

6. Nadaje się do ciągłego obiegu

Publiczne stacje ładowania prądem stałym mogą działać przez długi czas i wykonywać wiele sesji ładowania każdego dnia. Dlatego pompa chłodząca musi być zaprojektowana z myślą o częstym uruchamianiu, długotrwałej pracy i zmieniających się warunkach środowiskowych.

Oceniając pompę chłodzącą ładowarki pojazdów elektrycznych , kupujący powinni poprosić o informacje testowe dotyczące:

• Praca ciągła

• Cykle start-stop

• Wydajność w wysokich i niskich temperaturach

• Starzenie się płynu chłodzącego

• Cykliczne ciśnienie

• Wzrost temperatury silnika

• Zużycie łożysk i przekładni

• Testowanie wycieków

• Długotrwałe testy wytrzymałościowe

Gdzie instaluje się magnetyczną pompę zębatą?

Obwód kabla ładowania chłodzonego cieczą

Pompa tłoczy płyn chłodzący przez kabel ładujący i złącze, zanim zawróci go z powrotem do wymiennika ciepła.

To zastosowanie wymaga dokładnej kontroli strat ciśnienia, ponieważ kanały chłodzące wewnątrz kabla mogą być wąskie, a całkowita długość kabla może wynosić kilka metrów.

Chłodzenie złącza ładowania

Podczas pracy przy wysokim natężeniu prądu wokół styków ładowania może gromadzić się ciepło. Dedykowany obwód chłodzący może odprowadzać ciepło ze złącza i obszaru zacisków kabla.

Pompa musi zapewniać wystarczający przepływ bez wytwarzania nadmiernego ciśnienia, które mogłoby uszkodzić rurki, uszczelki lub elementy złączy.

Chłodzenie modułu zasilania prądem stałym

Moduły mocy ładowania zawierają elementy półprzewodnikowe wytwarzające ciepło i urządzenia elektryczne. Płyty chłodzące cieczą można wykorzystać do przenoszenia ciepła z modułów do wspólnego obwodu chłodzącego.

W tym zastosowaniu pompa może wymagać obsługi wielu równoległych gałęzi chłodzących.

Zintegrowana jednostka dystrybucji chłodzenia

Niektórzy producenci stacji ładowania stosują kompletną jednostkę dystrybucji chłodzenia zawierającą pompę, zbiornik, chłodnicę, wentylator, czujniki, filtr i sterownik.

W urządzeniu tym można zintegrować kompaktową magnetyczną pompę zębatą jako główny element obiegu chłodziwa.

Jak wybrać ultraszybką pompę chłodzącą do ładowania cieczy

Zdefiniuj wymagane natężenie przepływu

Wymagany przepływ należy obliczyć według:

• Maksymalne obciążenie cieplne

• Pojemność cieplna płynu chłodzącego

• Dopuszczalny wzrost temperatury płynu chłodzącego

• Wymagania dotyczące chłodzenia kabli i złączy

• Liczba gałęzi chłodniczych

• Sprawność wymiennika ciepła

Nie należy po prostu wybierać pompy o najwyższym maksymalnym natężeniu przepływu. Zbyt duża pompa może zwiększyć zużycie energii, ciśnienie w układzie, wibracje, hałas płynu i wzrost temperatury płynu chłodzącego spowodowane przez recyrkulację wewnętrzną.

Oblicz całkowity spadek ciśnienia

Pompa musi pokonać opór całego obwodu chłodzenia, w tym:

• Kabel do ładowania

• Złącze

• Płyty chłodzące

• Rury i węże

• Łuki i okucia

• Filtry

• Zawory

• Wymiennik ciepła

• Przepływomierz

• Szybkozłącza

Poproś dostawcę pompy o dostarczenie krzywej przepływu i ciśnienia przy lepkości chłodziwa zbliżonej do rzeczywistego zastosowania.

Sprawdź lepkość płynu chłodzącego w różnych temperaturach

Lepkość płynu chłodzącego może znacznie wzrosnąć w zimnym otoczeniu. Pompa, która działa prawidłowo w temperaturze 25°C, może wytwarzać mniejsze natężenie przepływu lub wymagać większego momentu obrotowego silnika w temperaturach ujemnych.

Proces selekcji powinien uwzględniać:

• Minimalna temperatura rozruchu

• Maksymalna ciągła temperatura płynu chłodzącego

• Lepkość przy rozruchu na zimno

• Normalna lepkość robocza

• Maksymalny dopuszczalny prąd silnika

• Margines momentu obrotowego sprzęgła magnetycznego

Sprawdź kompatybilność zwilżanego materiału

Dostarcz pełną kartę danych technicznych płynu chłodzącego producentowi pompy.

Ocena powinna obejmować:

• Skład chemiczny

• Stężenie glikolu

• Dodatki

• Przewodność elektryczna

• Smarowność

• Lepkość

• Maksymalna temperatura

• Minimalna temperatura

• Oczekiwany okres wymiany

Jeżeli płyn chłodzący zawiera zastrzeżone dodatki, mogą być konieczne długotrwałe testy zanurzeniowe lub cyrkulacyjne.

Wybierz prawidłowe napięcie silnika

Typowe napięcia sterujące urządzeniami do ładowania mogą obejmować 12 VDC, 24 VDC, 48 VDC lub niestandardowe zasilacze.

Wybrany silnik pompy powinien być dopasowany do architektury elektrycznej ładowarki i zapewniać odpowiednią ochronę przed:

• Nadprądowe

• Przepięcie

• Odwrotna polaryzacja

• Zablokowany rotor

• Nadmierna temperatura silnika

• Błąd komunikacji

Oceń wymagania dotyczące monitorowania

Nowoczesny układ chłodzenia cieczą nie powinien opierać się wyłącznie na poleceniach pracy pompy.

Administrator może także monitorować:

• Przepływ chłodziwa

• Temperatura na wlocie i wylocie

• Ciśnienie w obwodzie

• Poziom cieczy w zbiorniku

• Prąd silnika pompy

• Prędkość pompy

• Wyciek płynu chłodzącego

• Blokada filtra

Monitorowanie tych wartości pomaga ładowarce zmniejszyć moc wyjściową lub bezpiecznie przerwać ładowanie, gdy wydajność chłodzenia jest niewystarczająca.

Kluczowe informacje, które należy przekazać dostawcy pomp

Przed złożeniem zapytania ofertowego producenci stacji ładowania powinni podać następujące informacje:

Dostarczenie pełnych danych eksploatacyjnych pozwala producentowi pompy zalecić model oparty na rzeczywistych warunkach pracy, a nie samym przepływie nominalnym.

Typowe błędy w doborze pomp

Wybieranie wyłącznie na podstawie przepływu maksymalnego

Maksymalny przepływ jest zwykle mierzony w warunkach niskiego oporu. Rzeczywisty przepływ w obwodzie chłodzenia kabla ładującego może się znacznie różnić.

Ignorowanie lepkości przy rozruchu na zimno

Płyn chłodzący może stać się znacznie bardziej lepki w niskich temperaturach, zwiększając moment obrotowy pompy i wymagania dotyczące mocy.

Stosowanie niekompatybilnych materiałów uszczelniających

Nieodpowiedni materiał o-ringów lub uszczelek może pęcznieć, twardnieć, pękać lub tracić właściwości uszczelniające po długotrwałym kontakcie z chłodziwem.

Ignorowanie powietrza w obwodzie chłodzącym

Uwięzione powietrze może zmniejszyć przenoszenie ciepła, zwiększyć hałas, przerwać przepływ lub spowodować niestabilną pracę pompy. System powinien obejmować odpowiednie urządzenia do napełniania, odpowietrzania i zbiorników.

Praca poza krzywą pompy

Ciągła praca przy nadmiernym ciśnieniu lub nieodpowiedniej prędkości może zwiększyć zużycie, temperaturę silnika i wewnętrzne wycieki.

Testowanie pompy oddzielnie od systemu

Pompa może dobrze działać na stole laboratoryjnym, ale zachowuje się inaczej po podłączeniu do rzeczywistego kabla, płyty chłodzącej, wymiennika ciepła, filtra i sieci rurociągów.

W testach prototypów należy zatem stosować obwód chłodzący, który ściśle odpowiada końcowemu urządzeniu do ładowania.

Miniaturowa magnetyczna pompa zębata a pompa odśrodkowa

Obydwa typy pomp można stosować w układach chłodzenia cieczą, mają jednak inną charakterystykę.

Ostateczny wybór powinien opierać się na właściwościach chłodziwa, wymaganym przepływie, spadku ciśnienia, hałasie, rozmiarze opakowania, żywotności, kosztach i wymaganiach konserwacyjnych.

Często zadawane pytania

Czy miniaturowa pompa z przekładnią magnetyczną może obsługiwać chłodziwo wodno-glikolowe?

Można ją zaprojektować do mieszanin wody i glikolu, ale dostawca pompy musi sprawdzić przekładnię, łożysko, obudowę, obudowę magnesu i zgodność materiału uszczelniającego z dokładnym stężeniem glikolu i dodatkami.

Czy pompę można stosować do chłodziwa dielektrycznego?

Potencjalnie tak. Jednakże płyny dielektryczne mogą mieć różną lepkość, smarowność, pęcznienie i charakterystykę temperaturową. Przed masową produkcją wymagane jest testowanie aplikacji.

Czy magnetyczna pompa zębata jest całkowicie szczelna?

Napęd magnetyczny usuwa konwencjonalne uszczelnienie wału obrotowego, redukując jedną ważną ścieżkę wycieku. Jednakże uszczelnienia statyczne, złącza obudowy, porty, rurki i złączki muszą nadal być prawidłowo zaprojektowane i przetestowane.

Jakie natężenie przepływu jest wymagane w przypadku kabla ładującego chłodzonego cieczą?

Nie ma uniwersalnego natężenia przepływu. Zależy to od prądu ładowania, konstrukcji kabla, wymiarów kanału chłodzącego, rodzaju płynu chłodzącego, długości kabla, dopuszczalnego wzrostu temperatury i spadku ciśnienia w systemie.

Czy prędkość pompy można regulować w zależności od mocy ładowania?

Tak, gdy pompa jest wyposażona w kompatybilny bezszczotkowy silnik prądu stałego i regulator prędkości. Ładowarka może zwiększać lub zmniejszać prędkość pompy w zależności od temperatury, prądu ładowania lub zapotrzebowania na chłodzenie.

Jakie informacje są potrzebne do dostosowania pompy?

Producent pompy zwykle wymaga danych chłodziwa, przepływu, ciśnienia, lepkości, temperatury roboczej, napięcia silnika, metody sterowania, przestrzeni montażowej, rodzaju przyłącza, oczekiwanej żywotności, wymagań certyfikacyjnych i rocznego zapotrzebowania.

Kompaktowa pompa chłodząca do ładowania pojazdów elektrycznych nowej generacji

W miarę jak systemy ładowania pojazdów elektrycznych zmierzają w stronę wyższego prądu i większej mocy, coraz ważniejsza staje się stabilna cyrkulacja cieczy. Kable i złącza chłodzone cieczą są już opracowywane na setki amperów i, w niektórych systemach, na ładowanie klasy megawatowej.

Odpowiednio dobrana miniaturowa magnetyczna pompa zębata może zapewnić kompaktowy obieg chłodziwa dla kabli ładowania, złączy, modułów mocy i zintegrowanych jednostek dystrybucji chłodzenia.

Skuteczna integracja pomp wymaga czegoś więcej niż tylko dopasowania nominalnego natężenia przepływu. Producenci sprzętu do ładowania powinni ocenić cały obwód chłodzenia, lepkość płynu chłodzącego, utratę ciśnienia, zakres temperatur, zgodność materiałową, strategię sterowania, wymagania dotyczące monitorowania i oczekiwaną żywotność.

Współpracując z doświadczonym producent ultraszybkiej ładowania pompy chłodzącej ciecz , producenci OEM ładowarek pojazdów elektrycznych mogą opracować niestandardową konfigurację pompy, która spełnia ich wymagania dotyczące wydajności chłodzenia, instalacji, niezawodności i produkcji masowej.