下一代電動(dòng)汽車(chē)充電的熱管理

盡管電動(dòng)汽車(chē)的歷史與燃油汽車(chē)一樣悠久，但它們只有在最近幾年才真正成為主流。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的重大進(jìn)步以及政府的大力支持，電動(dòng)汽車(chē)的需求增長(cháng)呈現出驚人的軌跡。歐盟2035年內燃機汽車(chē)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(cháng)預期的一個(gè)指標。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)成為主要的交通工具，電池續航和更快的充電速度將成為全球經(jīng)濟運作的關(guān)鍵因素。這些充電系統的改進(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(dòng)汽車(chē)充電器的區別

隨著(zhù)對更快充電器的需求增加，充電方法出現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變，這個(gè)術(shù)語(yǔ)可能讓人困惑，因為所有電池系統都使用直流電。然而，重要的區別在于電力從交流轉換為直流的地點(diǎn)。常見(jiàn)的交流充電器（通常在住宅應用中見(jiàn)到）主要是一個(gè)連接器，用于溝通、過(guò)濾并控制交流電流進(jìn)入車(chē)輛，在車(chē)載直流充電器中將電力轉換為直流電后，再給電池充電。相比之下，直流充電器在傳輸電力到車(chē)輛之前就將交流電轉換為高壓直流電。直流充電器的最大優(yōu)勢是將電力調節硬件從電動(dòng)汽車(chē)中移出，放入外部結構，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)的半導體設備進(jìn)行電力轉換，同時(shí)使用濾波器和功率電阻器，這些組件都會(huì )產(chǎn)生大量熱量。雖然濾波器和電阻器也是熱源，但電動(dòng)汽車(chē)充電系統中最大的熱量來(lái)源是IGBT，這是一種在過(guò)去幾十年中得到廣泛應用的半導體器件。這個(gè)強大的器件為充電領(lǐng)域帶來(lái)了許多機會(huì )，但有效地冷卻它是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

熱源與散熱系統

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）本質(zhì)上是場(chǎng)效應晶體管（FET）和雙極晶體管（BJT）的結合。由于其能夠承受高電壓、低導通電阻、快速開(kāi)關(guān)速度以及出色的熱穩定性，IGBT在諸如電動(dòng)汽車(chē)充電器等高功率應用中非常理想。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(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。

如今面臨的熱管理挑戰是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，并且預計還會(huì )繼續增加。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，而現代CPU只能達到105°C。

最直接和可靠的熱管理解決方案是散熱器與強制空氣的組合。IGBT等半導體器件內部的熱阻通常極低，而設備與周?chē)諝庵g的熱阻卻非常高。通過(guò)增加散熱器，大大擴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(guò)散熱器上移動(dòng)空氣可以進(jìn)一步提高散熱器的效果。由于設備與空氣之間的熱阻是系統中最大的，盡可能減少它至關(guān)重要。這種簡(jiǎn)單系統的優(yōu)勢在于，如果散熱器安裝得當，它永遠不會(huì )失效，而風(fēng)扇作為一種成熟、技術(shù)高度完善的設備，也非?？煽?。在Same Sky，我們設計了尺寸為950x350x75毫米的散熱器，可用于電動(dòng)汽車(chē)充電應用，足以被動(dòng)冷卻低需求的情況，或通過(guò)強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(guò)驗證的冷卻解決方案

對于像IGBT這樣的高熱密度元件，還有液冷選項。水冷系統可能因為其能實(shí)現最低熱阻而備受青睞，但它們成本更高、結構更復雜，而且盡管如此，仍然依賴(lài)散熱器和風(fēng)扇來(lái)從系統中去除熱量。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。

組件與熱監控的布局

任何冷卻系統的有效性都取決于組件如何布局，以?xún)?yōu)化氣流并最大化熱量分布。如果組件之間沒(méi)有足夠的空間，會(huì )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)鍵組件都應在整個(gè)系統中合理布置，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。系統中溫度監控和自動(dòng)調整的效果取決于傳感器的精確度。系統的大型直流電動(dòng)汽車(chē)充電站中，實(shí)時(shí)溫度監控系統可以根據溫度調整冷卻機制，優(yōu)化性能并防止過(guò)熱。然而，如果溫度傳感器由于布局不當而不準確，系統的反應也會(huì )相應不準確。

外部因素與環(huán)境考慮

電動(dòng)汽車(chē)充電站通常安裝在戶(hù)外，暴露于各種環(huán)境條件下。設計防風(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)口的設計必須防止水分進(jìn)入，同時(shí)不能限制氣流。

最令人擔憂(yōu)的外部因素是太陽(yáng)輻射，陽(yáng)光直射充電器外殼會(huì )顯著(zhù)提高內部溫度。盡管這的確是一個(gè)令人擔憂(yōu)的問(wèn)題，但最有效的解決方案卻相當簡(jiǎn)單。精心設計的遮陽(yáng)設備，配合遮陽(yáng)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(yáng)可以緩解冷卻難題

未來(lái)展望
過(guò)去幾年，全球范圍內電動(dòng)汽車(chē)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(zhù)道路上電動(dòng)汽車(chē)的增多，充電器的安裝將會(huì )同樣普及。有效且高效的充電器對構建中的充電基礎設施至關(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。

預計未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)和充電器的數量將繼續增長(cháng)，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、軟件和硬件標準的變化，以及為全新的、不可預見(jiàn)的變革留出空間，確保熱管理系統能夠適應不斷變化的需求。

從最根本上講，電動(dòng)汽車(chē)充電器的熱管理問(wèn)題與其他高密度、高功率的電子設備相同。然而，IGBT的功率密度以及它們所承受的快速增長(cháng)的需求，給這個(gè)挑戰帶來(lái)了獨特的變數。隨著(zhù)充電速度和電池容量的急速增長(cháng)，如何有效、安全地設計這些充電器的需求將變得更加嚴格，這將對熱管理設計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)先的熱設計服務(wù)，將為您提供幫助！