Hoe snel opladen het EV-laadlandschap transformeert

Het snel opladen van elektrische voertuigen (EV’s) met gelijkstroom zou de sleutel kunnen zijn tot het verlichten van de zorgen over de actieradius die volgens velen de adoptie van elektrische voertuigen beperkt. Met een robuuste laadinfrastructuur die het mogelijk maakt om de batterij in 20 minuten op te laden in plaats van in 4 uur, komt het opladen van elektrische voertuigen veel dichter in de buurt van de ervaring waaraan bestuurders gewend zijn bij het tanken van een voertuig met een verbrandingsmotor (ICE).

Die infrastructuur is vandaag de dag nog niet volledig ontwikkeld, maar groeit en wordt toegankelijk voor steeds meer voertuigen. Meerdere EV-fabrikanten hebben onlangs de Tesla EV-oplaadconnector geadopteerd en Tesla is momenteel toonaangevend op de markt bij het inzetten van snellaadpoorten. Onderzoek in opdracht van Sensience voorspelt dat snelladen met gelijkstroom in 2030 verantwoordelijk zal zijn voor meer dan 70 procent van het publieke opladen wereldwijd (Figuur 1).

Figuur 1. Verwachte groei van DC-snelladen in 2030. (Afbeelding:Sensience)

Hoewel snelladen de groei op de EV-markt zou kunnen stimuleren, legt het ook de lat hoger voor het temperatuurbeheer in de hele EV-laadketen. DC-snelladers leveren tussen de 50 en 350 kW vermogen, vergeleken met de 7 tot 19 kW die typisch is voor niveau 2-laders. Zelfs bij de hogere spanningen die gebruikelijk zijn bij DC-snelladers, genereren deze poorten aanzienlijk meer warmte dan niveau 2-laadpoorten. Effectief thermisch beheer wordt dus belangrijker dan ooit om temperaturen te voorkomen die de levensduur van de batterij kunnen verkorten, de oplaadefficiëntie kunnen verminderen en veiligheidsrisico's kunnen introduceren.

Een onderdeel van effectief thermisch beheer dat soms tot laat in het ontwerpproces over het hoofd wordt gezien, is de specificatie van de temperatuursensoren waarmee batterij- en voertuigmanagementsystemen snel en intelligent kunnen reageren op temperatuurveranderingen in de laadketen van het voertuig.

De rol van temperatuursensoren in de EV-oplaadketen

Sensoren worden in de hele laadketen gebruikt. De meest voor de hand liggende toepassing ligt in de batterij zelf, waar thermisch beheer de hoogste prioriteit heeft. De plaatsing van de sensor in de batterij wordt bepaald door het ontwerp en de grootte van de batterij, maar een enkele sensor zal doorgaans onvoldoende blijken omdat deze mogelijk geen warme zones detecteert die zich tijdens snel opladen in cellen of modules kunnen ontwikkelen. Idealiter wilt u de mogelijkheid hebben om de batterijceltemperaturen op meerdere locaties direct te monitoren en inzicht te hebben in de warmteverdeling binnen het totale pakket.

De ingebouwde lader vertegenwoordigt een eenvoudigere maar nog steeds kritische omgeving voor temperatuursensoren, aangezien sensormonitoring de koelsystemen activeert die nodig zijn om de warmte te beheren tijdens snel opladen. Omdat er minder temperatuurvariatie is over het hele onderdeel, zijn er minder sensoren nodig.

De laadpoort van het voertuig is een andere belangrijke toepassing voor temperatuursensoren in de laadketen. Temperatuursensoren worden zowel in de laadingang van het voertuig als in het laadpistool gebruikt om de temperaturen van de elektrische aansluitingen te bewaken. Deze feedback zorgt voor een veiligheidsstop in het geval van onbedoelde verschijnselen veroorzaakt door schade of vervuiling van de tanden. Tijdens snelladen kunnen de temperaturen het hoogst zijn bij de laadingang, en er moet speciale aandacht worden besteed aan de specificaties van de sensoren die in deze toepassing worden gebruikt.

Even belangrijk zijn de sensoren die in het koelsysteem zijn geïntegreerd en die de accu, de ingebouwde lader en de vermogenselektronica beschermen tegen oververhitting. De intelligente koelsystemen die in elektrische voertuigen zijn geïntegreerd, zijn slechts zo effectief als de sensoren die deze ondersteunen.

Sensoren specificeren voor de EV-oplaadketen

Een hoge mate van nauwkeurigheid is essentieel bij elke temperatuurdetectietoepassing, maar is vooral belangrijk in de EV-laadketen vanwege het smalle temperatuurvenster waarin batterijen op topsnelheid kunnen worden opgeladen. Een lage sensornauwkeurigheid kan de oplaadefficiëntie verminderen, omdat het opladen mogelijk moet worden vertraagd om de foutmarge van de sensor te compenseren, zelfs als de werkelijke temperaturen binnen het gewenste bereik liggen. Sensoren met een hogere nauwkeurigheid verminderen de mate waarin voertuigsystemen rekening moeten houden met sensoronnauwkeurigheden en kunnen sneller opladen gedurende langere perioden mogelijk maken.

Een ander cruciaal kenmerk van temperatuursensoren voor elektrische auto’s is de responstijd of de tijd tussen het moment waarop de temperatuur wordt gemeten en het moment waarop deze wordt gecommuniceerd en waarop actie kan worden ondernomen. Verschillende sensortypen hebben verschillende responskarakteristieken en binnen elk type kan de responstijd worden geoptimaliseerd door middel van sensorconfiguratie.

Bij thermistors met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) maakt een metalen lichaam bijvoorbeeld een snellere respons mogelijk dan een plastic lichaam vanwege de verbeterde geleidbaarheid; de metalen behuizing draagt ​​echter wel bij aan de sensorkosten en deze kosten moeten worden afgewogen tegen de waarde van een snellere respons in een bepaalde toepassing. Waar de temperaturen niet zo hoog zijn of worden beheerd door een koelsysteem, zoals het geval is bij belangrijke componenten van de EV-laadketen, zijn stijgende kosten om de snelst mogelijke responstijd te bereiken wellicht niet gerechtvaardigd. De uitzondering is de laadingang, waar het optimaliseren van de responstijd als een hogere prioriteit moet worden beschouwd.

De andere factor waarmee rekening moet worden gehouden bij de selectie van sensoren is de bruikbaarheid – of het gebrek daaraan. Sensoren zijn over het algemeen zo in de EV-laadketen ontworpen dat het onpraktisch is om ze te vervangen als er een storing optreedt. Als een sensor defect raakt, moet het hele onderdeel worden vervangen. Dat maakt betrouwbaarheid het belangrijkste kenmerk voor temperatuursensoren die in de hele EV-laadketen worden gebruikt.

Hoewel de toepassingen voor temperatuursensoren bij EV’s anders zijn dan bij ICE’s, zijn de gebruikte sensortechnologieën gelukkig vergelijkbaar. De productieprocessen voor deze technologieën zijn volwassen en hebben geprofiteerd van automatisering die een consistente kwaliteit mogelijk maakt. Test- en kalibratieprocessen zijn ook goed bekend en kunnen bijdragen aan het garanderen van voorspelbare betrouwbaarheid en prestaties in deze toepassing.

Sensortechnologieën evalueren voor de EV-oplaadketen

Figuur 2. De plaatsing van de sensor is vooral belangrijk bij EV-batterijen, omdat de temperatuur binnen de batterij kan variëren.

Voor EV's worden doorgaans drie temperatuursensortechnologieën overwogen:thermokoppels, NTC-thermistors en weerstandstemperatuurdetectoren (RTD's).

Thermokoppels genereren een kleine spanning als reactie op een temperatuurverandering die evenredig is met de temperatuurverandering. Deze sensoren zijn over het algemeen goedkoop, maar zijn niet goed geschikt voor de EV-laadketen. Ze kunnen veiligheidsrisico's met zich meebrengen voor testingenieurs in omgevingen met hoge spanning, zoals EV-batterijen, hun nauwkeurigheid kan worden aangetast door elektrische ruis en hun responstijd is langzamer dan normaal gesproken vereist is.

In een NTC-thermistor neemt de weerstand af naarmate de temperatuur stijgt. Deze technologie biedt een goede nauwkeurigheid in een compact formaat, waardoor integratie in krappe ruimtes mogelijk is. De responstijd en weerstandstemperatuurcurve van NTC-thermistors kunnen ook worden geconfigureerd om te voldoen aan een breed scala aan toepassingsvereisten, inclusief die van de verschillende componenten binnen de laadketen. Daarom vormen ze een ideale oplossing voor deze toepassingen, omdat ze kunnen worden geconfigureerd om efficiënt aan de ontwerpvereisten te voldoen en zich al tientallen jaren hebben bewezen in automobieltoepassingen.

Bij een RTD neemt de weerstand toe naarmate de temperatuur stijgt. Deze sensoren leveren over het algemeen een betere nauwkeurigheid en hebben een groter werkbereik dan NTC's; Ze zijn echter ook duurder, en de voordelen van deze technologie leveren over het algemeen geen extra waarde op bij toepassingen in de EV-laadketen. Door de constante druk om de kosten te verlagen, kunnen ontwerpers merken dat ze met NTC-thermistors de vereiste prestaties tegen lagere kosten kunnen bereiken.

Ontwerpen met nauwkeurigheid en betrouwbaarheid

Nu snel opladen steeds gebruikelijker wordt, zal nauwkeurige en betrouwbare temperatuurmeting in de hele oplaadketen van cruciaal belang blijven, zelfs naarmate de batterijtechnologieën evolueren. De sleutel tot effectieve en kostenefficiënte integratie van temperatuursensoren in nieuwe ontwerpen is het ontwikkelen van specificaties en het kiezen van een leverancier tijdens de ontwikkeling van het prototype. Dit maakt meer gestroomlijnde processen mogelijk, helpt ervoor te zorgen dat sensoren op kosteneffectieve wijze aan de toepassingsvereisten voldoen en verkleint het risico dat aanpassingen nodig zijn naarmate het ontwerp van prototype naar productie gaat.

Dit artikel is geschreven door Phil Thibodeau, Product Manager, Transportation, Sensience (Westerwille, OH). Bezoek hier  . voor meer informatie