下一代電動汽車充電的熱管理

盡管電動汽車的歷史與燃油汽車一樣悠久，但它們只有在最近幾年才真正成為主流。隨著電動汽車技術(shù)的重大進(jìn)步以及政府的大力支持，電動汽車的需求增長呈現(xiàn)出驚人的軌跡。歐盟2035年內(nèi)燃機(jī)汽車禁售以及2025年每60公里安裝快速充電站的要求，只是這種需求增長預(yù)期的一個(gè)指標(biāo)。隨著電動汽車成為主要的交通工具，電池續(xù)航和更快的充電速度將成為全球經(jīng)濟(jì)運(yùn)作的關(guān)鍵因素。這些充電系統(tǒng)的改進(jìn)需要多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)演變，其中包括熱管理。

交流與直流電動汽車充電器的區(qū)別

隨著對更快充電器的需求增加，充電方法出現(xiàn)了一些小的和大的變化。其中一個(gè)變化是向直流充電器的轉(zhuǎn)變，這個(gè)術(shù)語可能讓人困惑，因?yàn)樗须姵叵到y(tǒng)都使用直流電。然而，重要的區(qū)別在于電力從交流轉(zhuǎn)換為直流的地點(diǎn)。常見的交流充電器（通常在住宅應(yīng)用中見到）主要是一個(gè)連接器，用于溝通、過濾并控制交流電流進(jìn)入車輛，在車載直流充電器中將電力轉(zhuǎn)換為直流電后，再給電池充電。相比之下，直流充電器在傳輸電力到車輛之前就將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電。直流充電器的最大優(yōu)勢是將電力調(diào)節(jié)硬件從電動汽車中移出，放入外部結(jié)構(gòu)，從而消除了許多重量和體積限制。

直流充電器非常適合快速的路邊充電

在取消了重量和體積限制后，直流充電器可以輕松集成更多的組件，從而提高電流通量和工作電壓。這些充電器使用先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換，同時(shí)使用濾波器和功率電阻器，這些組件都會產(chǎn)生大量熱量。雖然濾波器和電阻器也是熱源，但電動汽車充電系統(tǒng)中最大的熱量來源是IGBT，這是一種在過去幾十年中得到廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體器件。這個(gè)強(qiáng)大的器件為充電領(lǐng)域帶來了許多機(jī)會，但有效地冷卻它是一個(gè)不可忽視的問題。

熱源與散熱系統(tǒng)

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）本質(zhì)上是場效應(yīng)晶體管（FET）和雙極晶體管（BJT）的結(jié)合。由于其能夠承受高電壓、低導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)速度以及出色的熱穩(wěn)定性，IGBT在諸如電動汽車充電器等高功率應(yīng)用中非常理想。IGBT在這些充電電路中作為整流器或逆變器使用時(shí)，頻繁開關(guān)會產(chǎn)生大量的熱量。

如今面臨的熱管理挑戰(zhàn)是IGBT的熱量散發(fā)比30年前增加了十倍，從1.2千瓦增加到今天的12.5千瓦，并且預(yù)計(jì)還會繼續(xù)增加。下圖展示了IGBT單位表面積的功率變化。相比之下，今天最高功率的中央處理器（CPU）大約只有0.18千瓦，或者7千瓦/平方厘米，差異巨大！

IGBT功率密度隨時(shí)間的提升

有兩項(xiàng)因素有助于IGBT的冷卻。一個(gè)是它的表面積大約是CPU的兩倍，另一個(gè)是它可以在更高的溫度下工作，IGBT的工作溫度為170°C，而現(xiàn)代CPU只能達(dá)到105°C。

最直接和可靠的熱管理解決方案是散熱器與強(qiáng)制空氣的組合。IGBT等半導(dǎo)體器件內(nèi)部的熱阻通常極低，而設(shè)備與周圍空氣之間的熱阻卻非常高。通過增加散熱器，大大擴(kuò)大了可以將熱量散發(fā)到空氣中的表面積，降低了熱阻，同時(shí)通過散熱器上移動空氣可以進(jìn)一步提高散熱器的效果。由于設(shè)備與空氣之間的熱阻是系統(tǒng)中最大的，盡可能減少它至關(guān)重要。這種簡單系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，如果散熱器安裝得當(dāng)，它永遠(yuǎn)不會失效，而風(fēng)扇作為一種成熟、技術(shù)高度完善的設(shè)備，也非?？煽?。在Same Sky，我們設(shè)計(jì)了尺寸為950x350x75毫米的散熱器，可用于電動汽車充電應(yīng)用，足以被動冷卻低需求的情況，或通過強(qiáng)制空氣處理高需求的情況。您可以在Same Sky選購我們的全系列交流和直流風(fēng)扇。

散熱器和風(fēng)扇的組合是經(jīng)過驗(yàn)證的冷卻解決方案

對于像IGBT這樣的高熱密度元件，還有液冷選項(xiàng)。水冷系統(tǒng)可能因?yàn)槠淠軐?shí)現(xiàn)最低熱阻而備受青睞，但它們成本更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，而且盡管如此，仍然依賴散熱器和風(fēng)扇來從系統(tǒng)中去除熱量。因此，直接冷卻IGBT，使用散熱器和風(fēng)扇是更可取的方法，研究人員正在積極尋找空氣冷卻技術(shù)的改進(jìn)方向。

組件與熱監(jiān)控的布局

任何冷卻系統(tǒng)的有效性都取決于組件如何布局，以優(yōu)化氣流并最大化熱量分布。如果組件之間沒有足夠的空間，會限制氣流和散熱器的大小。因此，任何產(chǎn)生大量熱量的關(guān)鍵組件都應(yīng)在整個(gè)系統(tǒng)中合理布置，以促進(jìn)高效的整體冷卻。

同時(shí)，組件的布局需要考慮熱傳感器的位置。系統(tǒng)中溫度監(jiān)控和自動調(diào)整的效果取決于傳感器的精確度。系統(tǒng)的大型直流電動汽車充電站中，實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)溫度調(diào)整冷卻機(jī)制，優(yōu)化性能并防止過熱。然而，如果溫度傳感器由于布局不當(dāng)而不準(zhǔn)確，系統(tǒng)的反應(yīng)也會相應(yīng)不準(zhǔn)確。

外部因素與環(huán)境考慮

電動汽車充電站通常安裝在戶外，暴露于各種環(huán)境條件下。設(shè)計(jì)防風(fēng)雨的外殼、提供足夠的通風(fēng)并防止雨水和極端溫度影響，對于維持最佳的熱環(huán)境至關(guān)重要。氣流路徑和通風(fēng)口的設(shè)計(jì)必須防止水分進(jìn)入，同時(shí)不能限制氣流。

最令人擔(dān)憂的外部因素是太陽輻射，陽光直射充電器外殼會顯著提高內(nèi)部溫度。盡管這的確是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，但最有效的解決方案卻相當(dāng)簡單。精心設(shè)計(jì)的遮陽設(shè)備，配合遮陽與充電裝置之間的充分氣流，可以大幅降低充電器的環(huán)境溫度。

合理遮陽可以緩解冷卻難題

未來展望
過去幾年，全球范圍內(nèi)電動汽車的采用激增，需求也在不斷大幅增加，相關(guān)技術(shù)也在不斷發(fā)展。隨著道路上電動汽車的增多，充電器的安裝將會同樣普及。有效且高效的充電器對構(gòu)建中的充電基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。同時(shí)，成本也是一個(gè)不可忽視的方面，影響了個(gè)人和公司將這些充電器集成到家庭和企業(yè)中的速度。

預(yù)計(jì)未來電動汽車和充電器的數(shù)量將繼續(xù)增長，支撐它們的技術(shù)也將不斷演變和改進(jìn)?？紤]到充電功率和容量的潛在增加、軟件和硬件標(biāo)準(zhǔn)的變化，以及為全新的、不可預(yù)見的變革留出空間，確保熱管理系統(tǒng)能夠適應(yīng)不斷變化的需求。

從最根本上講，電動汽車充電器的熱管理問題與其他高密度、高功率的電子設(shè)備相同。然而，IGBT的功率密度以及它們所承受的快速增長的需求，給這個(gè)挑戰(zhàn)帶來了獨(dú)特的變數(shù)。隨著充電速度和電池容量的急速增長，如何有效、安全地設(shè)計(jì)這些充電器的需求將變得更加嚴(yán)格，這將對熱管理設(shè)計(jì)師和工程師提出更高的要求。Same Sky的全系列熱管理組件以及我們行業(yè)領(lǐng)先的熱設(shè)計(jì)服務(wù)，將為您提供幫助！