Hoe snelladen het EV-laadlandschap transformeert

Snelle DC-lading van elektrische voertuigen (EV's) kan de sleutel zijn tot het verlichten van de bereikangst die velen geloven EV-adoptie beperkt. Met een robuuste laadinfrastructuur die batterijladering in 20 minuten in plaats van 4 uur mogelijk maakt, komt EV-laden veel dichter bij de ervaring die bestuurders gewend zijn bij het tanken van een verbrenningsmotor (ICE) voertuig.

Die infrastructuur is vandaag nog niet volledig ontwikkeld, maar groeit en wordt toegankelijk voor meer voertuigen. Meerdere EV-fabrikanten hebben onlangs de Tesla EV-laadconnector aangenomen en Tesla is momenteel de marktleider in het implementeren van snelladepoorten. Onderzoek gecommissioneerd door Sensience voorspelt dat DC-snelladen meer dan 70 procent van het publieke laden wereldwijd zal uitmaken tot 2030 (Figuur 1).

Figuur 1. Voorspelde groei in DC-snelladen tot 2030. (Afbeelding: Sensience)

Terwijl snelladen groei in de EV-markte kan ontgrendelen, verhoogt het ook de lat voor thermisch beheer over de hele EV-laadketen. DC-snelladers leveren tussen 50-350 kW vermogen, vergeleken met de 7-19 kW typisch voor Level 2 laders. Zelfs bij de hogere spanningen die gebruikelijk zijn met DC-snelladers, genereren deze poorten significant meer warmte dan Level 2 laadpoorten. Effectief thermisch beheer wordt dus kritieker dan ooit om temperaturen te voorkomen die batterijlevensduur kunnen verkorten, laadefficiëntie reduceren, en veiligheidsrisico's introduceren.

Één component van effectief thermisch beheer dat soms wordt over het hoofd gezien tot laat in het ontwerpproces, is de specificatie van de temperatuursensoren die batterij- en voertuigbeheersystemen in staat stellen om snel en intelligent te reageren op temperatuurveranderingen over de gehele voertuiglaadketen.

De rol van temperatuursensoren in de EV-laadketen

Sensoren worden gebruikt over de hele laadketen. De meest voor de hand liggende toepassing is in de batterij zelf waar thermisch beheer de hoogste prioriteit heeft. Sensorplaatsing binnen de batterij zal worden bepaald door batterijontwerp en -grootte, maar een enkele sensor zal typisch onvoldoende bewijzen omdat het hitte-zones die zich in cellen of modules tijdens snelladen kunnen ontwikkelen, mogelijk niet detecteert. Ideaal wil u de capaciteit om batterijceltemperaturen op meerdere locaties direct te monitoren en een begrip te hebben van de warmteverdeling binnen het totale pakket.

De boordlader vertegenwoordigt een eenvoudigere maar nog steeds kritieke omgeving voor temperatuursensoren omdat sensor monitoring de koelsystemen activeert die vereist zijn om warmte tijdens snelladen te beheren. Omdat er minder temperatuurvariabiliteit is over het component, zijn minder sensoren vereist.

Het laadpoort van het voertuig is een andere belangrijke toepassing voor temperatuursensoren in de laadketen. Temperatuursensoren worden gebruikt in zowel de laadinlaat van het voertuig als de laadpistool om de temperaturen van de elektrische pennen te monitoren. Deze feedback biedt een veiligheidsstop in geval van onbedoelde fenomenen veroorzaakt door schade of verontreiniging op de pennen. Tijdens snelladen kunnen temperaturen het hoogst zijn bij de laadinlaat, en specifieke aandacht moet besteed worden aan de specificaties van sensoren gebruikt in deze toepassing.

Even belangrijk zijn de sensoren geïntegreerd met het koelsysteem dat de batterij, boordlader en krachtelektronica beschermt tegen oververhitting. De intelligente koelsystemen geïntegreerd in EV's zijn alleen zo effectief als de sensoren die ze ondersteunen.

Specificeren van sensoren voor de EV-laadketen

Een hoge graad van nauwkeurigheid is essentieel in elke temperatuursensor-toepassing, maar is bijzonder belangrijk in de EV-laadketen vanwege het smalle temperatuurvenster waarin batterijen met hun topsnelheid kunnen laden. Lage sensor-nauwkeurigheid kan de laadefficiëntie verminderen omdat het laden vertraagd moet worden om te compenseren voor de foutmarge van de sensor, zelfs als de daadwerkelijke temperaturen binnen het gewenste bereik liggen. Hogere nauwkeurigheid sensoren verminderen de mate waarin voertuigsystemen rekening hoeven te houden met sensor-onnauwkeurigheid en kunnen sneller laden voor langere periodes toestaan.

Een andere kritieke kenmerk van temperatuursensoren voor EV's is de reactietijd of de tijd tussen wanneer temperatuur wordt gemeten en wanneer het gecommuniceerd wordt en kan worden gehandeld. Verschillende sensor types hebben verschillende reactie-eigenschappen en binnen elk type kan reactietijd geoptimaliseerd worden door sensorconfiguratie.

Bijvoorbeeld, in negative temperature coefficient (NTC) thermistoren, stelt een metalen body snellere reactie mogelijk dan een plastic body door de verbeterde geleiding; de metalen body voegt echter wel toe aan sensor kosten en deze kosten moeten afgewogen worden tegen de waarde van snellere reactie in een bepaalde toepassing. Waar temperaturen niet zo hoog zijn of worden beheerd door een koelsysteem, zoals het geval is in belangrijke componenten van de EV-laadketen, kan het verhogen van kosten om de snelst mogelijke reactietijd te bereiken niet gerechtvaardigd zijn. De uitzondering is de laadinlaat, waar het optimaliseren van reactietijd een hogere prioriteit moet zijn.

De andere factor om te overwegen in sensorselectie is serviceerbaarheid — of het gebrek daaraan. Sensoren worden doorgaans in de EV-laadketen ontworpen op een manier die het impractisch maakt om ze te vervangen als een storing optreedt. Het hele component moet vervangen worden als een sensor faalt. Dat maakt betrouwbaarheid het belangrijkste kenmerk voor temperatuursensoren die over de EV-laadketen worden gebruikt.

Gelukkig, hoewel de toepassingen voor temperatuursensoren verschillen in EV's vergeleken met ICE's, zijn de gebruikte sensortechnologieën vergelijkbaar. Productieprocessen voor deze technologieën zijn volwassen en hebben gebaat bij automatisering die consistente kwaliteit mogelijk maakt. Test- en kalibratieprocessen zijn ook goed begrepen en kunnen helpen voorspelbare betrouwbaarheid en prestaties in deze toepassing te waarborgen.

Evaluatie van sensortechnologieën voor de EV-laadketen

Figuur 2. Sensorplaatsing is bijzonder belangrijk in EV-batterijen omdat temperaturen over de batterij kunnen variëren.

Drie temperatuursensortechnologieën worden doorgaans overwogen voor EV's: thermokoppels, NTC-thermistoren, en weerstandstemperatuursensoren (RTDs).

Thermokoppels genereren een kleine spanning als reactie op een temperatuurverandering die evenredig is met de temperatuurverandering. Deze sensoren zijn doorgaans goedkoop, maar niet goed geschikt voor de EV-laadketen. Ze kunnen veiligheidsrisico's vormen voor testingenieurs in hoge-spanningsomgevingen zoals EV-batterijen, hun nauwkeurigheid kan beïnvloed worden door elektrisch ruis, en hun reactietijd is langzamer dan wat typisch vereist is.

In een NTC-thermistor, daalt de weerstand naarmate de temperatuur stijgt. Deze technologie biedt goede nauwkeurigheid in een compacte grootte die integratie in krappe ruimtes mogelijk maakt. De reactietijd en weerstand-temperatuurcurve van NTC-thermistoren kunnen ook geconfigureerd worden om aan een breed scala aan toepassingsvereisten te voldoen, inclusief die van de verschillende componenten binnen de laadketen. Daarom vertegenwoordigen ze een ideale oplossing voor deze toepassingen omdat ze geconfigureerd kunnen worden om ontwerpvereisten efficiënt te voldoen en decennialang in automobiele toepassingen zijn bewezen.

In een RTD, stijgt de weerstand naarmate de temperatuur stijgt. Deze sensoren leveren doorgaans betere nauwkeurigheid en hebben een breder werkingsbereik dan NTC's; ze zijn echter ook duurder, en de voordelen van deze technologie leveren doorgaans geen additionele waarde in EV-laadketen toepassingen. Met de constante druk om kosten te verlagen, kunnen ontwerpers vinden dat ze de vereiste prestaties tegen lagere kosten bereiken met NTC-thermistoren.

Ontwerpen op nauwkeurigheid en betrouwbaarheid

Met snelladen steeds gemeener wordend, zal nauwkeurige en betrouwbare temperatuursensing over de laadketen kritisch blijven, zelfs naarmate 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 prototype-ontwikkeling. Dit stroomlijnt processen, helpt ervoor te zorgen dat sensoren aan toepassingsvereisten voldoen op een kosteneffectieve manier, en mitigeert het risico dat wijzigingen vereist zijn naarmate het ontwerp van prototype naar productie gaat.

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