【技術(shù)干貨】電動(dòng)汽車充電的熱管理解決方案

隨著電動(dòng)汽車成為主要的交通方式，電池續(xù)航里程甚至更快的充電速度將成為世界經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)能力的重要組成部分。這些電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的改進(jìn)需要多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，其中包括熱管理技術(shù)。

隨著對(duì)更快充電器的需求不斷增長(zhǎng)，在實(shí)行方法上也發(fā)生了各種變化。其中一項(xiàng)變化是轉(zhuǎn)向直流充電器，但這可能是一個(gè)令人困惑的說(shuō)法，因?yàn)樗须姵叵到y(tǒng)都使用直流電運(yùn)行。然而，這些系統(tǒng)的重要區(qū)別在于，電源從交流到直流的整流發(fā)生在不同的地方。在住宅應(yīng)用中采用的通常是最常見(jiàn)的傳統(tǒng)交流充電器，用于通信、過(guò)濾和控制流向車輛的交流電源，然后車載直流充電器對(duì)電源進(jìn)行整流并為電池充電。相比之下，直流充電器在將電力作為高壓直流源傳輸?shù)杰囕v之前便執(zhí)行整流。直流充電器的最大好處是，通過(guò)將功率調(diào)節(jié)硬件從電動(dòng)汽車移至外部結(jié)構(gòu)中，可以消除許多重量和尺寸限制。

隨著重量和尺寸限制的消除，直流充電器可以輕松集成更多元器件，從而提高電流吞吐量和工作電壓。這些充電器利用尖端的半導(dǎo)體器件、濾波器和功率電阻器來(lái)進(jìn)行電源整流，所有這些過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。雖然濾波器和電阻器是不可忽視的熱量來(lái)源，但電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中最大的熱量來(lái)源則是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），這是一種在過(guò)去幾十年中得到廣泛使用的半導(dǎo)體器件。這種功能強(qiáng)大的器件在充電領(lǐng)域帶來(lái)了許多機(jī)會(huì)，但充分冷卻它則是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

IGBT本質(zhì)上是FET和BJT的交叉體，由于IGBT能夠承受大電壓、低導(dǎo)通電阻、快速開(kāi)關(guān)速度和驚人的高耐熱性，因此非常適合電動(dòng)汽車充電器等高功率應(yīng)用。由于IGBT在這些電動(dòng)汽車充電電路中用作整流器或逆變器，因此它們將頻繁地開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生大量熱量。今天面臨的熱挑戰(zhàn)是IGBT的散熱量已從三十年前的1.2 kW增加到如今的12.5 kW，增加了十倍多，而且預(yù)計(jì)還會(huì)繼續(xù)增加。

有兩個(gè)因素有助于IGBT冷卻，一是IGBT的表面積大約是CPU的兩倍。另一個(gè)是它們可以在更高的溫度下運(yùn)行，IGBT的運(yùn)行溫度為170℃，而現(xiàn)代CPU的運(yùn)行溫度僅為105℃。不過(guò)，最直接、最可靠的熱管理解決方案還是散熱器和強(qiáng)制通風(fēng)的組合。

IGBT等半導(dǎo)體器件內(nèi)的熱阻通常極低，而器件與周圍空氣之間的熱阻相對(duì)極高。添加散熱器極大地?cái)U(kuò)大了可以將熱量散發(fā)到周圍空氣中的表面積，降低了熱阻，并且在散熱器上流動(dòng)空氣甚至進(jìn)一步提高了散熱器的效率。這個(gè)簡(jiǎn)單的散熱系統(tǒng)的好處是，如果安裝正確，無(wú)源散熱器永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)故障，而風(fēng)扇則是一項(xiàng)成熟的、高度成熟的技術(shù)，非常可靠。

任何冷卻系統(tǒng)的有效性的一個(gè)組成部分是如何放置元器件，以優(yōu)化氣流并最大化熱量分布。元器件之間沒(méi)有足夠放置空間會(huì)限制氣流和散熱器的可用尺寸。因此，任何關(guān)鍵的發(fā)熱元器件都應(yīng)策略性地放置在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，以促進(jìn)有效的整體冷卻。

雖然必須小心放置各個(gè)發(fā)熱元器件，但熱傳感器的放置同樣重要。在像直流電動(dòng)汽車充電器這樣的大型系統(tǒng)中，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度水平的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)熱管理。根據(jù)溫度讀數(shù)自動(dòng)調(diào)整冷卻機(jī)制可以優(yōu)化性能，并通過(guò)限制電流輸出或調(diào)整風(fēng)扇速度來(lái)防止過(guò)熱。然而，這些自動(dòng)調(diào)整取決于輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量。如果溫度傳感器由于放置不當(dāng)，那么系統(tǒng)的響應(yīng)也會(huì)相應(yīng)不正確。

電動(dòng)汽車充電站通常安裝在室外，暴露在不同的環(huán)境條件下，因此設(shè)計(jì)具有足夠通風(fēng)和能夠防雨與應(yīng)對(duì)極端溫度等因素的防風(fēng)雨外殼，對(duì)于保持最佳熱條件至關(guān)重要，氣流路徑和通風(fēng)口的設(shè)計(jì)必須能夠防止進(jìn)水，同時(shí)又不限制氣流通過(guò)。

最令人擔(dān)憂的外部因素是太陽(yáng)照射在充電器外殼上產(chǎn)生的太陽(yáng)能熱量，這會(huì)顯著增加內(nèi)部環(huán)境溫度。雖然這是一個(gè)合理的擔(dān)憂，但最有效的解決方案常常是采用簡(jiǎn)單又直接的方式，通過(guò)采用精心設(shè)計(jì)的遮蔽物，以及使遮蔽物和充電設(shè)備之間擁有充足的氣流通過(guò)，將使充電器的環(huán)境溫度顯著降低。

CUI Devices針對(duì)散熱需求提供了多樣的直流風(fēng)扇系列，包括各種軸流風(fēng)扇和離心式鼓風(fēng)機(jī)，支持的框架尺寸為20至172 mm，氣流為0.33至382 CFM。CUI Devices的直流風(fēng)扇標(biāo)配自動(dòng)重啟保護(hù)功能，并采用滾珠軸承、套筒軸承或CUI Devices先進(jìn)的omniCOOL?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并具有多種選項(xiàng)和定制功能，是消除應(yīng)用中熱量的理想強(qiáng)制風(fēng)冷解決方案。

CUI Devices的直流軸流風(fēng)扇的額定電壓為 5、12、24和48 Vdc，提供轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)、旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器和PWM控制信號(hào)選項(xiàng)，額定速度也高達(dá) 25000 RPM，還提供多種具有IP68防護(hù)等級(jí)的防水軸流風(fēng)扇型號(hào)，適用于惡劣環(huán)境。

CUI Devices的離心式鼓風(fēng)機(jī)則提供35至120 mm的框架尺寸，采用滾珠軸承、套筒軸承或omniCOOL?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，額定電壓為5、12和24 Vdc，并標(biāo)配自動(dòng)重啟保護(hù)功能，氣流范圍為0.57至44.2 CFM，具有高達(dá)20000 RPM的多種速度選項(xiàng)，是高背壓應(yīng)用的理想選擇。

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隨著電動(dòng)汽車和充電器的數(shù)量繼續(xù)增長(zhǎng)，它們所依賴的技術(shù)也將不斷發(fā)展和改進(jìn)。考慮到充電功率和容量的潛在增加，必須確保熱管理系統(tǒng)能夠適應(yīng)隨著時(shí)間推移不斷變化的需求。電動(dòng)汽車充電器中使用的IGBT功率密度的快速增長(zhǎng)，給熱管理帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，有效、安全地制造這些充電器的要求將變得越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)熱管理的要求也比以往任何時(shí)候都更高。CUI Devices提供了多樣的熱管理元器件系列，以及行業(yè)領(lǐng)先的熱設(shè)計(jì)服務(wù)，將隨時(shí)為客戶提供幫助！