下一代电动汽车充电的热管理

尽管电动汽车的历史与燃油汽车一样悠久，但它们只有在最近几年才真正成为主流。随着电动汽车技术的重大进步以及政府的大力支持，电动汽车的需求增长呈现出惊人的轨迹。欧盟2035年内燃机汽车禁售以及2025年每60公里安装快速充电站的要求，只是这种需求增长预期的一个指标。随着电动汽车成为主要的交通工具，电池续航和更快的充电速度将成为全球经济运作的关键因素。这些充电系统的改进需要多个领域的技术演变，其中包括热管理。

交流与直流电动汽车充电器的区别

随着对更快充电器的需求增加，充电方法出现了一些小的和大的变化。其中一个变化是向直流充电器的转变，这个术语可能让人困惑，因为所有电池系统都使用直流电。然而，重要的区别在于电力从交流转换为直流的地点。常见的交流充电器（通常在住宅应用中见到）主要是一个连接器，用于沟通、过滤并控制交流电流进入车辆，在车载直流充电器中将电力转换为直流电后，再给电池充电。相比之下，直流充电器在传输电力到车辆之前就将交流电转换为高压直流电。直流充电器的最大优势是将电力调节硬件从电动汽车中移出，放入外部结构，从而消除了许多重量和体积限制。

直流充电器非常适合快速的路边充电

在取消了重量和体积限制后，直流充电器可以轻松集成更多的组件，从而提高电流通量和工作电压。这些充电器使用先进的半导体设备进行电力转换，同时使用滤波器和功率电阻器，这些组件都会产生大量热量。虽然滤波器和电阻器也是热源，但电动汽车充电系统中最大的热量来源是IGBT，这是一种在过去几十年中得到广泛应用的半导体器件。这个强大的器件为充电领域带来了许多机会，但有效地冷却它是一个不可忽视的问题。

热源与散热系统

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）本质上是场效应晶体管（FET）和双极晶体管（BJT）的结合。由于其能够承受高电压、低导通电阻、快速开关速度以及出色的热稳定性，IGBT在诸如电动汽车充电器等高功率应用中非常理想。IGBT在这些充电电路中作为整流器或逆变器使用时，频繁开关会产生大量的热量。

如今面临的热管理挑战是IGBT的热量散发比30年前增加了十倍，从1.2千瓦增加到今天的12.5千瓦，并且预计还会继续增加。下图展示了IGBT单位表面积的功率变化。相比之下，今天最高功率的中央处理器（CPU）大约只有0.18千瓦，或者7千瓦/平方厘米，差异巨大！

IGBT功率密度随时间的提升

有两项因素有助于IGBT的冷却。一个是它的表面积大约是CPU的两倍，另一个是它可以在更高的温度下工作，IGBT的工作温度为170°C，而现代CPU只能达到105°C。

最直接和可靠的热管理解决方案是散热器与强制空气的组合。IGBT等半导体器件内部的热阻通常极低，而设备与周围空气之间的热阻却非常高。通过增加散热器，大大扩大了可以将热量散发到空气中的表面积，降低了热阻，同时通过散热器上移动空气可以进一步提高散热器的效果。由于设备与空气之间的热阻是系统中最大的，尽可能减少它至关重要。这种简单系统的优势在于，如果散热器安装得当，它永远不会失效，而风扇作为一种成熟、技术高度完善的设备，也非常可靠。在Same Sky，我们设计了尺寸为950x350x75毫米的散热器，可用于电动汽车充电应用，足以被动冷却低需求的情况，或通过强制空气处理高需求的情况。您可以在Same Sky选购我们的全系列交流和直流风扇。

散热器和风扇的组合是经过验证的冷却解决方案

对于像IGBT这样的高热密度元件，还有液冷选项。水冷系统可能因为其能实现最低热阻而备受青睐，但它们成本更高、结构更复杂，而且尽管如此，仍然依赖散热器和风扇来从系统中去除热量。因此，直接冷却IGBT，使用散热器和风扇是更可取的方法，研究人员正在积极寻找空气冷却技术的改进方向。

组件与热监控的布局

任何冷却系统的有效性都取决于组件如何布局，以优化气流并最大化热量分布。如果组件之间没有足够的空间，会限制气流和散热器的大小。因此，任何产生大量热量的关键组件都应在整个系统中合理布置，以促进高效的整体冷却。

同时，组件的布局需要考虑热传感器的位置。系统中温度监控和自动调整的效果取决于传感器的精确度。系统的大型直流电动汽车充电站中，实时温度监控系统可以根据温度调整冷却机制，优化性能并防止过热。然而，如果温度传感器由于布局不当而不准确，系统的反应也会相应不准确。

外部因素与环境考虑

电动汽车充电站通常安装在户外，暴露于各种环境条件下。设计防风雨的外壳、提供足够的通风并防止雨水和极端温度影响，对于维持最佳的热环境至关重要。气流路径和通风口的设计必须防止水分进入，同时不能限制气流。

最令人担忧的外部因素是太阳辐射，阳光直射充电器外壳会显著提高内部温度。尽管这的确是一个令人担忧的问题，但最有效的解决方案却相当简单。精心设计的遮阳设备，配合遮阳与充电装置之间的充分气流，可以大幅降低充电器的环境温度。

合理遮阳可以缓解冷却难题

未来展望
过去几年，全球范围内电动汽车的采用激增，需求也在不断大幅增加，相关技术也在不断发展。随着道路上电动汽车的增多，充电器的安装将会同样普及。有效且高效的充电器对构建中的充电基础设施至关重要。同时，成本也是一个不可忽视的方面，影响了个人和公司将这些充电器集成到家庭和企业中的速度。

预计未来电动汽车和充电器的数量将继续增长，支撑它们的技术也将不断演变和改进。考虑到充电功率和容量的潜在增加、软件和硬件标准的变化，以及为全新的、不可预见的变革留出空间，确保热管理系统能够适应不断变化的需求。

从最根本上讲，电动汽车充电器的热管理问题与其他高密度、高功率的电子设备相同。然而，IGBT的功率密度以及它们所承受的快速增长的需求，给这个挑战带来了独特的变数。随着充电速度和电池容量的急速增长，如何有效、安全地设计这些充电器的需求将变得更加严格，这将对热管理设计师和工程师提出更高的要求。Same Sky的全系列热管理组件以及我们行业领先的热设计服务，将为您提供帮助！