Ako si vybrať miniatúrne magnetické zubové čerpadlo na ultrarýchle nabíjanie kvapalinou

Keďže nabíjací výkon elektrických vozidiel sa neustále zvyšuje, tepelný manažment sa stal jedným z najdôležitejších aspektov dizajnu rýchlonabíjacích staníc s jednosmerným prúdom. Vysoké nabíjacie prúdy vytvárajú značné teplo v nabíjacích kábloch, konektoroch, napájacích moduloch, kondenzátoroch, induktoroch a riadiacich komponentoch.

An kvapalinové chladiace čerpadlo s ultrarýchlym nabíjaním cirkuluje chladiacu kvapalinu cez nabíjací systém, prenáša teplo od kritických komponentov a pomáha udržiavať stabilnú prevádzkovú teplotu počas nepretržitého nabíjania vysokým výkonom.

Pre výrobcov nabíjacích staníc a integrátorov systémov tepelného manažmentu sa miniatúrne magnetické zubové čerpadlo stáva dôležitou možnosťou čerpadiel kvôli svojej kompaktnej štruktúre, predvídateľnej dodávke kvapaliny, dizajnu magnetického pohonu a vhodnosti pre uzavreté okruhy chladenia kvapaliny.

Prečo potrebujú ultrarýchle nabíjacie stanice chladenie kvapalinou?

High Power Charging, bežne označované ako HPC, sa používa v ultrarýchlych DC nabíjacích staniciach, ktoré pracujú pri vysokých úrovniach prúdu. Spoločnosť Phoenix Contact popisuje HPC ako vysokovýkonnú triedu nabíjania jednosmerným prúdom s nabíjacími prúdmi nad 375 A. Jej najnovšie systémy nabíjacích káblov chladených kvapalinou sú navrhnuté na nabíjací výkon dosahujúci až 1 000 kW pri špecifikovaných prevádzkových režimoch.

Keď sa nabíjací prúd zvyšuje, elektrický odpor produkuje viac tepla vo vodiči, kontaktoch konektora a okolitých elektronických komponentoch. Bez dostatočného chladenia môže nadmerná teplota viesť k:

• Znížený nabíjací výkon

• Automatické zníženie prúdu

• Predčasné starnutie komponentov

• Poškodená izolácia kábla

• Nepríjemné teploty konektora

• Zvýšená prestoje nabíjačky

• Potenciálne riziká chladiacej kvapaliny alebo elektrickej bezpečnosti

Kvapalinové chladenie odoberá teplo cirkuláciou chladiva cez rúrky, chladiace dosky, výmenníky tepla, nabíjacie káble alebo zostavy konektorov. Konzistentná cirkulácia chladiacej kvapaliny je nevyhnutná, pretože neadekvátny alebo nestabilný prietok môže znížiť výkon prenosu tepla.

Čo je kvapalinové chladiace čerpadlo s ultrarýchlym nabíjaním?

Čerpadlo na chladenie kvapaliny s ultrarýchlym nabíjaním je cirkulačné čerpadlo chladiacej kvapaliny inštalované vo vnútri nabíjacej stanice EV, kvapalinovej chladiacej jednotky, nabíjacieho dávkovača alebo modulu chladenia káblov.

Jeho hlavnou funkciou je cirkulácia chladiacej kvapaliny medzi komponentmi generujúcimi teplo a výmenníkom tepla alebo radiátorom.

V závislosti od konštrukcie systému môže čerpadlo chladiť:

• Nabíjacie káble EV chladené kvapalinou

• Nabíjacie konektory CCS alebo NACS

• Megawattové nabíjacie konektory

• Napájacie moduly s jednosmerným nabíjaním

• Komponenty usmerňovača a meniča

• IGBT alebo SiC výkonová elektronika

• Prípojnice a elektrické kontakty

• Ovládacie skrine nabíjacích staníc

• Integrované kvapalinové chladiace jednotky

Kompletný chladiaci okruh môže obsahovať čerpadlo, nádrž chladiacej kvapaliny, chladič, ventilátor, filter, snímač teploty, snímač tlaku, snímač prietoku, expanznú komoru a elektronický ovládač.

Čo je miniatúrne magnetické zubové čerpadlo?

Miniatúrne magnetické zubové čerpadlo je kompaktné objemové čerpadlo, ktoré využíva rotujúce ozubené kolesá na pohyb chladiacej kvapaliny cez chladiaci okruh.

Namiesto použitia konvenčného tesnenia hriadeľa medzi motorom a komorou čerpadla, čerpadlo používa magnetickú spojku na prenos krútiaceho momentu. Magnet na strane motora poháňa vnútorný magnet pripojený k ozubeným kolesám čerpadla.

Táto konštrukcia oddeľuje motor od čerpanej kvapaliny a môže znížiť únikové cesty spojené s dynamickými tesneniami hriadeľa.

Magneticky poháňané zubové čerpadlá sa už používajú v aplikáciách chladenia nabíjačiek EV, pretože môžu poskytovať kontrolovanú dodávku kvapaliny v kompaktnom balení. Niektoré komerčné zubové čerpadlá s magnetickým pohonom sú špeciálne navrhnuté pre vysokoteplotné kvapaliny a používajú magnetickú prenosovú štruktúru bez tesnenia.

Prečo používať miniatúrne magnetické zubové čerpadlo v nabíjačke EV?

1. Znížené riziko netesnosti tesnenia hriadeľa

Únik chladiacej kvapaliny je vážnym problémom vo vnútri nabíjacieho zariadenia, pretože kvapalina môže poškodiť výkonovú elektroniku, riadiace dosky, izolačné systémy a elektrické spoje.

Čerpadlo s magnetickým pohonom eliminuje prienik rotujúceho hriadeľa medzi komoru mokrého čerpadla a externý motor. Tým sa znižuje závislosť na konvenčnom dynamickom tesnení hriadeľa.

Kompletné čerpadlo však stále vyžaduje správne navrhnuté statické tesnenia, spoje krytu, spojky rúrok a armatúry. Preto by malo byť čerpadlo hodnotené ako súčasť celého chladiaceho okruhu a nie ako jediný komponent na kontrolu úniku.

2. Kompaktná inštalácia

Zariadenia na ultrarýchle nabíjanie obsahujú výkonové moduly, komponenty elektrických rozvodov, monitorovacie zariadenia, komunikačné systémy, chladiace zariadenia a štruktúry na vedenie káblov.

Dostupný inštalačný priestor je často obmedzený.

A miniatúrne magnetické zubové čerpadlo môže byť integrované do:

• Kompaktné chladiace distribučné jednotky

• Nabíjacie káblové chladiace moduly

• Nástenné DC nabíjačky

• Samostatné nabíjacie dávkovače

• Modulárne nabíjacie skrinky

• Mobilné nabíjacie zariadenia

• Skúšobné systémy chladenia kvapalinou

Jeho kompaktný dizajn poskytuje výrobcom nabíjacích zariadení väčšiu flexibilitu pri usporiadaní zásobníkov, výmenníkov tepla, snímačov, potrubí a ovládacích komponentov.

3. Predvídateľná dodávka chladiacej kvapaliny

Zubové čerpadlá prenášajú definovaný objem kvapaliny pri každom otočení ozubeného kolesa. To umožňuje nastavenie prietoku prostredníctvom otáčok motora v rámci schváleného prevádzkového rozsahu čerpadla.

Predvídateľná dodávka chladiacej kvapaliny je užitočná najmä vtedy, keď nabíjací systém potrebuje udržiavať cieľový prietok cez úzke chladiace rúrky, dlhé nabíjacie káble, konektory, filtre alebo kompaktné výmenníky tepla.

Skutočný prevádzkový tok je ovplyvnený:

• Rýchlosť čerpadla

• Viskozita chladiacej kvapaliny

• Teplota chladiacej kvapaliny

• Diferenčný tlak

• Vnútorný únik

• Priemer potrubia

• Dĺžka kábla

• Odolnosť filtra

• Pokles tlaku výmenníka tepla

Z tohto dôvodu by mal byť výber čerpadla založený skôr na celkovej krivke odporu systému než na samotnej hodnote voľného prietoku.

4. Kompatibilita s rôznymi architektúrami chladenia

Systémy ultrarýchleho nabíjania nepoužívajú všetky rovnaké chladivo.

Zmesi vody a glykolu sa bežne používajú v nabíjacích zariadeniach a kvapalinou chladených nabíjacích kábloch. Napríklad spoločnosť Phoenix Contact špecifikuje zmes vody a glykolu pre niektoré zo svojich chladených systémov nabíjacích káblov HPC. Iné nabíjacie alebo megawattové nabíjacie systémy môžu používať dielektrické chladiace kvapaliny v závislosti od toho, ako sa kvapalina dotýka vodiča a elektrických komponentov.

Miniatúrne magnetické zubové čerpadlo môže byť vyvinuté pre rôzne chladiace kvapaliny, ale pre každý projekt musí byť overená materiálová kompatibilita.

Medzi dôležité materiály čerpadla patria:

• Puzdro čerpadla

• Materiál prevodovky

• Materiál hriadeľa

• Materiál ložiska

• O-krúžky

• Tesnenia

• Lepidlá

• Magnetické uzatváracie komponenty

Nikdy nepredpokladajte, že čerpadlo vhodné na vodu je automaticky vhodné pre glykolové zmesi, silikónový olej, dielektrickú chladiacu kvapalinu alebo iné špeciálne chladiace kvapaliny.

5. Ovládanie chladenia s premenlivou rýchlosťou

Tepelná záťaž nabíjania sa počas nabíjacieho cyklu mení. Môže sa tiež líšiť v závislosti od požiadaviek vozidla, stavu nabitia batérie, okolitej teploty, nabíjacieho prúdu a počtu aktívnych nabíjacích výstupov.

Čerpadlo s premenlivou rýchlosťou umožňuje regulátoru chladenia upraviť cirkuláciu chladiacej kvapaliny podľa prevádzkových podmienok v reálnom čase.

Medzi možné spôsoby kontroly patria:

• PWM regulácia rýchlosti

• Vstup otáčok 0–10 V

• Analógové ovládanie napätia

• CAN komunikácia

• Komunikácia RS485

• Prispôsobené protokoly riadenia motora

Prevádzka s premenlivou rýchlosťou môže pomôcť znížiť zbytočnú spotrebu energie a hluk, keď nabíjačka pracuje s nižšou tepelnou záťažou.

6. Vhodné pre nepretržitú cirkuláciu

Verejné nabíjacie stanice jednosmerným prúdom môžu fungovať po dlhú dobu a každý deň dokončiť niekoľko nabíjacích relácií. Chladiace čerpadlo preto musí byť navrhnuté na časté štarty, predĺženú prevádzku a meniace sa podmienky prostredia.

Pri hodnotení chladiaceho čerpadla nabíjačky EV by si kupujúci mali vyžiadať testovacie informácie týkajúce sa:

• Nepretržitá prevádzka

• Cykly štart-stop

• Výkon pri vysokých a nízkych teplotách

• Starnutie chladiacej kvapaliny

• Cyklovanie tlaku

• Zvýšenie teploty motora

• Opotrebenie ložísk a ozubených kolies

• Testovanie tesnosti

• Dlhodobé testovanie odolnosti

Kde je nainštalované magnetické zubové čerpadlo?

Kvapalinou chladený okruh nabíjacieho kábla

Čerpadlo cirkuluje chladiacu kvapalinu cez nabíjací kábel a konektor predtým, ako ju vráti do výmenníka tepla.

Táto aplikácia vyžaduje starostlivú kontrolu straty tlaku, pretože chladiace kanály vo vnútri kábla môžu byť úzke a celková dĺžka kábla môže byť niekoľko metrov.

Chladenie nabíjacieho konektora

Počas prevádzky s vysokým prúdom sa môže okolo nabíjacích kontaktov hromadiť teplo. Vyhradený chladiaci okruh môže odvádzať teplo z oblasti konektora a káblovej koncovky.

Čerpadlo musí poskytovať dostatočný prietok bez vytvárania nadmerného tlaku, ktorý by mohol poškodiť hadičky, tesnenia alebo súčasti konektora.

Chladenie DC napájacieho modulu

Nabíjacie výkonové moduly obsahujú polovodičové súčiastky a elektrické zariadenia generujúce teplo. Kvapalinové chladiace dosky môžu byť použité na prenos tepla z modulov do spoločného chladiaceho okruhu.

V tejto aplikácii môže byť potrebné, aby čerpadlo zvládlo viacero paralelných chladiacich vetiev.

Integrovaná jednotka distribúcie chladenia

Niektorí výrobcovia nabíjacích staníc používajú kompletnú chladiacu distribučnú jednotku obsahujúcu čerpadlo, nádrž, chladič, ventilátor, senzory, filter a ovládač.

Kompaktné magnetické zubové čerpadlo môže byť integrované do tejto jednotky ako hlavný komponent cirkulácie chladiacej kvapaliny.

Ako vybrať kvapalinové chladiace čerpadlo s ultrarýchlym nabíjaním

Definujte požadovaný prietok

Požadovaný prietok by sa mal vypočítať podľa:

• Maximálna tepelná záťaž

• Tepelná kapacita chladiacej kvapaliny

• Povolené zvýšenie teploty chladiacej kvapaliny

• Požiadavky na chladenie káblov a konektorov

• Počet chladiacich vetiev

• Účinnosť výmenníka tepla

Nevyberajte si len čerpadlo s najvyšším maximálnym prietokom. Príliš veľké čerpadlo môže zvýšiť spotrebu energie, tlak v systéme, vibrácie, hluk kvapaliny a zvýšenie teploty chladiacej kvapaliny spôsobené vnútornou recirkuláciou.

Vypočítajte celkový pokles tlaku

Čerpadlo musí prekonať odpor celého chladiaceho okruhu, vrátane:

• Nabíjací kábel

• Konektor

• Chladiace dosky

• Rúry a hadice

• Ohyby a tvarovky

• Filtre

• Ventily

• Výmenník tepla

• Prietokomer

• Rýchlospojky

Požiadajte dodávateľa čerpadla o poskytnutie krivky prietoku a tlaku s použitím viskozity chladiacej kvapaliny blízkej skutočnej aplikácii.

Potvrďte viskozitu chladiacej kvapaliny pri rôznych teplotách

Viskozita chladiacej kvapaliny sa môže výrazne zvýšiť v chladnom prostredí. Čerpadlo, ktoré funguje správne pri 25 °C, môže produkovať nižší prietok alebo vyžadovať väčší krútiaci moment motora pri teplotách pod nulou.

Proces výberu by mal zvážiť:

• Minimálna štartovacia teplota

• Maximálna nepretržitá teplota chladiacej kvapaliny

• Viskozita pri studenom štarte

• Normálna prevádzková viskozita

• Maximálny povolený prúd motora

• Torzný moment magnetickej spojky

Overte kompatibilitu vlhkého materiálu

Poskytnite výrobcovi čerpadla úplný technický list chladiacej kvapaliny.

Hodnotenie by malo zahŕňať:

• Chemické zloženie

• Koncentrácia glykolu

• Prísady

• Elektrická vodivosť

• Mazavosť

• Viskozita

• Maximálna teplota

• Minimálna teplota

• Predpokladaný interval výmeny

Ak chladiaca kvapalina obsahuje patentované prísady, môžu byť potrebné dlhodobé skúšky ponorením alebo cirkuláciou.

Vyberte správne napätie motora

Bežné riadiace napätia nabíjacieho zariadenia môžu zahŕňať 12 V DC, 24 V DC, 48 V DC alebo prispôsobené napájacie zdroje.

Zvolený motor čerpadla by mal zodpovedať elektrickej architektúre nabíjačky a poskytovať vhodnú ochranu proti:

• Nadprúd

• Prepätie

• Obrátená polarita

• Zablokovaný rotor

• Nadmerná teplota motora

• Zlyhanie komunikácie

Vyhodnoťte požiadavky na monitorovanie

Moderný kvapalinový chladiaci systém by sa nemal spoliehať len na príkazy prevádzky čerpadla.

Ovládač môže tiež monitorovať:

• Prietok chladiacej kvapaliny

• Vstupná a výstupná teplota

• Tlak v okruhu

• Hladina kvapaliny v nádrži

• Prúd motora čerpadla

• Rýchlosť čerpadla

• Únik chladiacej kvapaliny

• Upchatie filtra

Monitorovanie týchto hodnôt pomáha nabíjačke znížiť výkon alebo bezpečne zastaviť nabíjanie, keď je chladiaci výkon nedostatočný.

Kľúčové informácie, ktoré je potrebné poskytnúť dodávateľovi čerpadiel

Pred vyžiadaním cenovej ponuky by výrobcovia nabíjacích staníc mali poskytnúť nasledujúce informácie:

Poskytnutie úplných prevádzkových údajov umožňuje výrobcovi čerpadla odporučiť model založený na skutočných prevádzkových podmienkach namiesto samotného nominálneho prietoku.

Bežné chyby pri výbere čerpadla

Výber len podľa maximálneho prietoku

Maximálny prietok sa zvyčajne meria v podmienkach nízkeho odporu. Skutočný prietok vo vnútri chladiaceho okruhu nabíjacieho kábla môže byť podstatne odlišný.

Ignorovanie viskozity pri studenom štarte

Chladiaca kvapalina môže byť pri nízkych teplotách oveľa viskóznejšia, čím sa zvyšuje krútiaci moment čerpadla a požiadavky na výkon.

Použitie nekompatibilných tesniacich materiálov

Nevhodný O-krúžok alebo materiál tesnenia môže napučať, stvrdnúť, prasknúť alebo stratiť tesniaci výkon po dlhodobom pôsobení chladiacej kvapaliny.

Ignorovanie vzduchu v chladiacom okruhu

Zachytený vzduch môže znížiť prenos tepla, zvýšiť hluk, prerušiť prietok alebo spôsobiť nestabilnú prevádzku čerpadla. Systém by mal obsahovať vhodné plniace, odvzdušňovacie a zásobníkové usporiadanie.

Prevádzka mimo krivky čerpadla

Nepretržitá prevádzka pri nadmernom tlaku alebo nevhodných otáčkach môže zvýšiť opotrebovanie, teplotu motora a vnútorné netesnosti.

Testovanie pumpy oddelene od systému

Čerpadlo môže fungovať dobre na laboratórnom stole, ale správa sa inak, keď je pripojené k skutočnému káblu, chladiacej doske, výmenníku tepla, filtru a potrubnej sieti.

Testovanie prototypov by preto malo využívať chladiaci okruh, ktorý tesne predstavuje konečné nabíjacie zariadenie.

Miniatúrne magnetické zubové čerpadlo vs odstredivé čerpadlo

Oba typy čerpadiel možno použiť v kvapalinových chladiacich systémoch, ale majú odlišné vlastnosti.

Konečný výber by mal vychádzať z vlastností chladiacej kvapaliny, požadovaného prietoku, poklesu tlaku, hluku, veľkosti balenia, životnosti, nákladov a požiadaviek na údržbu.

Často kladené otázky

Dokáže miniatúrne magnetické zubové čerpadlo zvládnuť chladiacu kvapalinu voda-glykol?

Môže byť navrhnuté pre zmesi vody a glykolu, ale dodávateľ čerpadla musí overiť kompatibilitu prevodovky, ložiska, krytu, magnetu a tesniaceho materiálu s presnou koncentráciou glykolu a prísadami.

Môže byť čerpadlo použité na dielektrickú chladiacu kvapalinu?

Potenciálne áno. Dielektrické kvapaliny však môžu mať rôznu viskozitu, klzkosť, napučiavanie a teplotné charakteristiky. Pred hromadnou výrobou sa vyžaduje testovanie aplikácií.

Je magnetické zubové čerpadlo úplne bez úniku?

Magnetický pohon odstraňuje konvenčné rotačné tesnenie hriadeľa, čím sa znižuje jedna dôležitá cesta úniku. Statické tesnenia, spoje krytu, porty, hadičky a armatúry však musia byť stále správne navrhnuté a testované.

Aký prietok je potrebný pre kvapalinou chladený nabíjací kábel?

Univerzálny prietok neexistuje. Závisí od nabíjacieho prúdu, konštrukcie kábla, rozmerov chladiaceho kanála, typu chladiacej kvapaliny, dĺžky kábla, povoleného nárastu teploty a poklesu tlaku v systéme.

Je možné nastaviť rýchlosť čerpadla podľa nabíjacieho výkonu?

Áno, ak je čerpadlo vybavené kompatibilným bezkomutátorovým jednosmerným motorom a regulátorom otáčok. Nabíjačka môže zvýšiť alebo znížiť rýchlosť čerpadla podľa teploty, nabíjacieho prúdu alebo požiadavky na chladenie.

Aké informácie sú potrebné na prispôsobenie čerpadla?

Výrobca čerpadla bežne vyžaduje údaje o chladiacej kvapaline, prietok, tlak, viskozitu, prevádzkovú teplotu, napätie motora, spôsob ovládania, inštalačný priestor, typ portu, predpokladanú životnosť, certifikačné požiadavky a ročnú potrebu.

Kompaktné chladiace čerpadlo pre nabíjanie elektromobilov novej generácie

Ako sa nabíjacie systémy EV posúvajú smerom k vyššiemu prúdu a vyššiemu výkonu, stabilná cirkulácia kvapaliny sa stáva čoraz dôležitejšou. Kvapalinou chladené káble a konektory sa už vyvíjajú na stovky ampérov a v niektorých systémoch aj na nabíjanie v triede megawattov.

Správne zvolené miniatúrne magnetické zubové čerpadlo môže poskytnúť kompaktnú cirkuláciu chladiacej kvapaliny pre nabíjacie káble, konektory, napájacie moduly a integrované chladiace distribučné jednotky.

Úspešná integrácia čerpadla vyžaduje viac než len dodržanie nominálneho prietoku. Výrobcovia nabíjacích zariadení by mali vyhodnotiť celý chladiaci okruh, viskozitu chladiacej kvapaliny, tlakovú stratu, teplotný rozsah, kompatibilitu materiálu, stratégiu riadenia, požiadavky na monitorovanie a očakávanú životnosť.

Spoluprácou so skúseným Výrobca čerpadiel na chladenie kvapaliny s ultrarýchlym nabíjaním , OEM nabíjačky EV môžu vyvinúť prispôsobenú konfiguráciu čerpadla, ktorá spĺňa ich požiadavky na chladiaci výkon, inštaláciu, spoľahlivosť a sériovú výrobu.