Cosa fallisce per primo in un caricabatterie per veicoli elettrici: quattro punti deboli

Chiedi a un operatore quali parti di un caricatore si rompono e la risposta raramente è una lista. È una storia su un sito dove le ventole si sono ostruite, un altro dove un contattore è stato saldato e un terzo dove il connettore non si bloccava. Sotto queste storie c'è un ordine coerente, perché le parti che falliscono per prime sono quelle la cui tensione si accumula più rapidamente.

Vale la pena conoscere quell'ordine per due motivi diversi. Per un operatore prevede cosa ispezionare e cosa tenere in magazzino. Per un acquirente rivela decisioni di design altrimenti invisibili: dove va il calore, con quale frequenza funziona il contattore e se le parti che si usano sono sostituibili da sole.

Perché l'ordine dei fallimenti è prevedibile

I componenti si guastano attraverso diversi meccanismi, e ogni meccanismo ha il proprio clock. Alcuni si usurano con la temperatura, altri con i cicli di funzionamento, altri ancora con la maneggevolezza meccanica, e altri ancora semplicemente con il tempo di servizio, indipendentemente dal carico.

Un caricatore è una macchina che passa la maggior parte della sua vita ad aspettare e una piccola parte lavora duramente. I pezzi stressati dall'attesa — condensatori tenuti a temperatura, guarnizioni esposte al sole, elettronica al minimo — invecchiano continuamente. Le parti sollecitate dal lavoro — contattori, semiconduttori, pin di connettore — invecchiano a scatti. Qualunque clock scada per primo definisce la storia del servizio di quel modello.

In pratica il primo clock che si esaurisce è più spesso termico, e le parti più sensibili ad essa sono quelle che trattengono energia.

Condensatori elettrolitici e temperatura

Condensatori elettrolitici immagazzinano energia sul bus DC e levigano l'ondulazione prodotta dagli stadi di conversione. All'interno di essi, un elettrolita liquido esce lentamente o si degrada, e la capacità del componente diminuisce mentre la resistenza interna aumenta. Il processo accelera con la temperatura, e lo fa in modo ripido piuttosto che dolce: un modesto aumento della temperatura operativa accorcia la vita di un fattore considerevole.

La temperatura che conta è quella al condensatore, non quella nella previsione meteo. All'interno di un mobile, l'aria può essere considerevolmente più calda rispetto all'esterno, e all'interno di un modulo è ancora più calda. Un'unità con un percorso d'aria scarso può far funzionare i suoi condensatori ben oltre l'ambiente anche quando il sito sembra fresco.

Qui l'architettura dei cabinet diventa un motivo di acquisto. Separare il vano di controllo dai moduli di alimentazione mantiene l'elettronica sensibile al calore lontana dall'aria più calda e mantiene anche i due funzionanti indipendentemente. Le unità di questa classe spesso posizionano il controller e lo stadio di potenza in compartimenti separati proprio per questo motivo; La disposizione è visibile nella disposizione e vale la pena chiedere quando due prodotti sembrano altrimenti equivalenti.

Il sintomo iniziale non è un fallimento. È un caricabatterie che raggiunge la potenza nominale più lentamente, o che inizia a limitare la potenza nei pomeriggi caldi comportandosi normalmente al mattino.

Ventole, Filtri e Flusso d'aria

Le ventole si guastano in due modi e entrambe sono graduali. Il cuscinetto si consuma, quindi la ventola gira più lentamente o diventa rumorosa. E il filtro di aspirazione si carica di polvere, polline e polvere di strada, quindi meno aria si muove per la stessa velocità della ventola.

Nessuno dei due appare come codice di errore. Entrambi compaiono come temperatura, che compare come derating, che compare come un reclamo per la ricarica lenta in estate. La catena è abbastanza lunga da far raramente sospettare il ventilatore.

Questo è l'argomento per trattare i filtri come un elemento programmato piuttosto che una riparazione. Un filtro sostituito su un calendario costa poco; un filtro lasciato fino a quando il mobile non si riduce ha già accorciato la vita di ogni condensatore a valle. I luoghi differiscono enormemente per quanto velocemente ciò accade: una località costiera o industriale carica un filtro molto più velocemente di un parcheggio suburbano pulito, e un intervallo di manutenzione adatto a una cosa non è adatta all'altra.

È anche l'argomento per considerare come un cabinet è disposto per raffreddarsi. Un design che aspira l'aria ambiente attraverso un unico grande filtro e oltre ogni fonte di calore mette l'elettronica nell'aria più sporca e calda. Un progetto con percorsi separati, o con la sezione di controllo sigillata e raffreddata indirettamente, elimina questa esposizione a scapito di una certa complessità.

Contattori e cicli di commutazione

Un contattore è un relè costruito per correnti elevate. Ogni volta che si chiude o si apre sotto carico, un arco erode leggermente i contatti. Sul lato DC l'arco è più difficile da spegnere rispetto al corrente alternata, perché la corrente continua non passa attraverso zero, quindi l'usura per operazione è maggiore.

La conseguenza è che la vita del contattore viene misurata in operazioni piuttosto che in anno, e il numero di operazioni dipende da come viene controllato il caricatore. Un'unità che apre e chiude il contattore ad ogni piccola modifica di un segnale di gestione del carico accumula cicli molto più veloci di una che si chiude una volta per sessione e rimane chiusa fino alla fine della sessione.

Questa è una delle differenze meno visibili tra due caricatori con lo stesso hardware. La logica di controllo decide con quale frequenza si muovono le parti meccaniche, e la logica di controllo raramente è presente in una scheda tecnica. Tuttavia, è qualcosa che un operatore può dedurre da un log di sessione che registra gli eventi dei contattatori, o da un fornitore che può descrivere la politica di commutazione.

Il sintomo di un contattatore consumato è intermittente e frustrante: sessioni che non iniziano, o che si interrompono poco dopo l'inizio, senza uno schema coerente. Poiché è intermittente, spesso viene attribuita erroneamente al veicolo o al connettore.

Serrature dei connettori e sforzo del cavo

Il connettore è l'unica parte del caricabatterie che il pubblico tocca, ed è trattato di conseguenza. Viene lasciato cadere a terra, trascinato sui cordoli, spinto sopra, tirato fuori ad angolo e forzato quando la serratura non si spegne correttamente.

La chiusura è la prima perdita. Quando si indebolisce, il connettore si incastra imperfettamente, la resistenza di contatto aumenta e il pin si scalda. Un pin caldo alla fine produce una sessione che inizia e poi si interrompe, oppure un corpo del connettore che si scolore. Il guasto è passato da un fastidio meccanico a un guasto elettrico, e il secondo è molto più costoso del primo.

Le scelte di design modificano il costo di questo. Una testa di connettore che può essere sostituita indipendentemente dal cavo trasforma una chiusura usurata in un piccolo oggetto di manutenzione. Un connettore stampato sul cavo lo trasforma in un sostituto del cavo. Il sollievo di deformazione nel punto in cui il cavo lascia la carcassa ha un effetto simile: sposta la piegatura lontano dai conduttori e dal percorso del refrigerante, se ce n'è uno.

Anche la disposizione fisica conta. Un cavo che pende con tutto il peso sul connettore, o che rimane a terra a ogni sessione, accumula danni molto più rapidamente di uno sostenuto da un retrattore o riposto sopra terra.

design per la derating invece che per il picco

Esiste una filosofia progettuale che tratta l'uscita nominale come il punto operativo normale e un'altra che la considera un tetto raramente raggiunto. Il secondo produce una macchina che dura più a lungo, e la differenza non è un aggiornamento dei componenti. È una decisione su quanto difficile gestire le parti di quell'età.

Scendere al di sotto del massimo allevia tutti i meccanismi termici contemporaneamente. I condensatori funzionano più freddi, le ventole più lentamente, i semiconduttori vedono temperature di giunzione più basse e il carico termico del cabinet diminuisce. Il costo è un picco più basso per la stessa lista di materiali, oppure una lista di materiali più ampia per la stessa cifra di picco.

Ecco perché una curva di derating è un documento più informativo di una valutazione da titolo. Indica le condizioni in cui l'unità si ritira e di quanto. Un'unità che mantiene la sua potenza a una temperatura ambiente elevata ti sta dicendo che è stata progettata con headroom. Un'unità che inizia a ritirarsi presto ti dice il contrario, e le conseguenze si manifestano anni dopo nelle parti descritte sopra.

Per un operatore, la lettura pratica è che un'uscita sostenuta leggermente inferiore può fornire più energia su un anno rispetto a un picco più alto che appare solo in inverno. Per un acquirente che confronta due prodotti, la domanda da porsi non è quale raggiunge una cifra più alta, ma in quali condizioni uno dei due smette di raggiungerla. La stazione 60 kW DC pubblica per questo motivo il suo involucro operativo insieme alla potenza nominale.

Niente di tutto ciò sostituisce un regime di manutenzione. Cambia ciò che il regime dovrebbe considerare. Filtri e livelli di liquido refrigerante sono elementi del calendario. Il comportamento dei contattatori e la riduzione della valutazione estiva sono tendenze da tenere d'occhio più che difetti da correggere. La condizione del connettore è un'osservazione quotidiana che un addetto di cantiere può effettuare in pochi secondi e un rapporto mensile no.

Il lato manutenzione di questa immagine è trattato separatamente nella nota su EV caricatore manutenzione, che copre routine e registri piuttosto che la fisica che ne sta dietro.