【技術(shù)干貨】下一代電動汽車充電的熱管理解決方案

隨著電動汽車技術(shù)的顯著進步和政府的大力支持，電動汽車的需求增長一直呈直線上升趨勢。不過，想要增進消費者對電動汽車的接受度，電動車的續(xù)航里程與充電速度，將成為消費者選購電動汽車的重要考慮因素。

隨著人們對更快充電器的需求日益增長，充電方式也發(fā)生了一些或大或小的改變。其中一個變化是轉(zhuǎn)向直流充電器，由于所有電池系統(tǒng)都使用直流電，因此直流充電器可能是一個令人困惑的術(shù)語。然而，這些系統(tǒng)的重要區(qū)別在于，交流電到直流電的整流發(fā)生在不同的位置。典型的交流充電器，通常用于住宅應(yīng)用，它就像一個多功能的連接器，負責通信、濾波和控制流向車輛的交流電，然后由車載直流充電器對電能進行整流并為電池充電。相比之下，直流充電器則是在將電能作為高壓直流電源傳輸?shù)杰囕v之前進行整流。直流充電器最大的優(yōu)勢在于，通過將電源調(diào)節(jié)硬件從電動汽車移到外部結(jié)構(gòu)中，可以消除許多重量和尺寸限制。

由于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，從而提高其電流吞吐量和工作電壓。這些充電器采用尖端半導體器件進行整流，并采用濾波器和功率電阻器，所有這些元器件都會產(chǎn)生大量熱量。雖然濾波器和電阻器是不可忽略的熱量來源，但電動汽車充電系統(tǒng)中最大的散熱元器件是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），這是一種在過去幾十年中得到廣泛應(yīng)用的半導體器件。這種強大的器件為充電領(lǐng)域帶來了許多機遇，但如何充分冷卻它也是一個不容忽視的問題。

IGBT本質(zhì)上是場效應(yīng)晶體管（FET）和雙極結(jié)型晶體管（BJT）的結(jié)合體。由于IGBT耐高壓、導通電阻低、開關(guān)速度快以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，它非常適合電動汽車充電器等大功率應(yīng)用。由于IGBT在這些電動汽車充電電路中用作整流器或逆變器，它們頻繁開關(guān)，產(chǎn)生大量熱量。

如今面臨的散熱挑戰(zhàn)是IGBT的散熱量增加了十倍以上，從三十年前的1.2 kW增加到今天的12.5 kW，并且預計還會繼續(xù)增加。相比之下，當今最高功率CPU的散熱量約為0.18 kW，或僅為7 kW/cm²。這真是天壤之別！有兩個因素有助于IGBT的冷卻，一是其表面積大約是CPU的兩倍，二是它們可以在高達 170℃ 的溫度下工作，而現(xiàn)代CPU的工作溫度僅為 105℃。

最直接可靠的熱管理解決方案是采用散熱器和強制風冷的組合。IGBT等半導體器件內(nèi)部的熱阻通常極低，而器件與周圍空氣之間的熱阻則相對較高。添加散熱器可以大大增加散熱面積，從而降低熱阻；而使空氣在散熱器上方流動，則可以進一步提高散熱器的效率。由于器件與空氣之間的界面是系統(tǒng)中最大的熱阻，因此盡可能降低熱阻至關(guān)重要。這種簡單系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，如果安裝得當，被動散熱器永遠不會出現(xiàn)故障；而風扇作為一種成熟且高度精煉的技術(shù)，也非常可靠。

對于IGBT等高密度熱源，也有液體冷卻選項。水冷系統(tǒng)可能更具吸引力，因為它們的熱阻最低。然而，水冷系統(tǒng)更昂貴、更復雜，而且盡管如此，它仍然使用散熱器和風扇作為整個系統(tǒng)散熱的主要方式。因此，使用散熱器和風扇直接冷卻IGBT是更理想的方法，目前人們正在積極研究改進IGBT的風冷技術(shù)。

任何冷卻系統(tǒng)有效性的關(guān)鍵在于元器件的布局，以優(yōu)化氣流并最大程度地分配熱量，元器件之間空間不足會限制氣流和可用的散熱器尺寸。因此，任何關(guān)鍵的發(fā)熱元器件都應(yīng)在整個系統(tǒng)中進行合理的布局，以促進整體高效冷卻。

雖然在放置單個發(fā)熱元器件時必須格外小心，但熱傳感器的放置也同樣重要。在像直流電動汽車充電器這樣大型的系統(tǒng)中，實時監(jiān)控溫度的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)主動熱管理。基于溫度讀數(shù)的冷卻機制自動調(diào)整可以通過限制電流輸出或調(diào)整風扇轉(zhuǎn)速來優(yōu)化性能并防止過熱。然而，這些自動調(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而導致測量不準確，那么系統(tǒng)的響應(yīng)也會相應(yīng)不準確。

另一方面，由于電動汽車充電站通常安裝在室外，暴露在各種不同的環(huán)境條件下，因此設(shè)計需要具有良好通風條件，并能抵御雨水和極端溫度等因素的防風雨外殼，對于保持最佳熱環(huán)境至關(guān)重要。此外，氣流路徑和通風口的設(shè)計必須能夠防止水滲入，同時又不影響氣流。

最令人擔憂的外部因素是陽光照射充電器外殼產(chǎn)生的熱量，這會顯著升高內(nèi)部環(huán)境溫度。雖然這是一個合理的擔憂，但最有效的解決方案卻很簡單，只要采用精心設(shè)計的遮陽裝置，并在遮陽裝置和充電裝置之間保持充足的氣流，這將顯著降低充電器的環(huán)境溫度。

過去幾年，全球電動汽車的普及率令人矚目，需求持續(xù)飛速增長，隨著越來越多的電動汽車上路，這些充電樁的部署也將隨之激增，功能完善、高效的充電樁對于正在積極構(gòu)建的充電基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。此外，它們也需要具備成本效益，因為成本是個人和企業(yè)將這些充電樁融入家庭和企業(yè)的速度中不可忽視的一個因素。

人們不僅期待電動汽車和充電樁的數(shù)量持續(xù)增長，還期待它們所依賴的技術(shù)也不斷發(fā)展和改進。考慮到充電功率和容量的潛在增長、軟件和硬件標準的不斷變化，以及為全新的、意料之外的變化留出足夠的空間，熱管理系統(tǒng)能夠適應(yīng)不斷變化的需求。

從最根本的層面來說，電動汽車充電器與其他高密度、高功率電子設(shè)備一樣，都面臨著相同的熱管理問題。然而，其中使用的IGBT的功率密度以及對其快速增長的需求，使這一挑戰(zhàn)變得更加復雜。隨著充電速度和電池容量的飛速增長，高效安全地制造這些充電器的要求將變得越來越嚴格，對熱管理設(shè)計師和工程師的要求也比以往任何時候都更高。

為提升電動汽車的熱管理效率，Same Sky為電動汽車充電應(yīng)用設(shè)計了客制尺寸最大可達950 x 350 x 75 mm的散熱器，這些散熱器足夠大，可以被動地處理要求較低的充電需求，也可以主動地通過強制風冷處理要求更高的充電需求。

Same Sky還提供一系列的直流風扇，包括各種軸流風扇和離心式鼓風機，其機座尺寸從20 mm到172 mm，風量從0.33到382立方英尺／分鐘（CFM）。Same Sky的直流風扇標配自動重啟保護功能，并采用滾珠軸承、滑動軸承或Same Sky先進的 omniCOOL? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。憑借豐富的選配和定制方案，Same Sky的直流風扇是電動汽車應(yīng)用中散熱的理想強制風冷解決方案。此外，Same Sky還提供多款I(lǐng)P68防護等級的防水軸流風扇型號，適用于惡劣環(huán)境。

Same Sky 的直流軸流風扇的額定電壓為 5、12、24 和 48 Vdc，提供轉(zhuǎn)速表信號、轉(zhuǎn)速檢測器和PWM控制選項，額定轉(zhuǎn)速高達 25000 RPM。另一方面，Same Sky 的離心式鼓風機機架尺寸則從35 mm 到 120 mm，額定電壓為 5、12 和 24 Vdc，風量范圍為 0.57 至 44.2 CFM，并提供多種轉(zhuǎn)速選擇，最高可達 20,000 RPM，這些鼓風機是高背壓應(yīng)用的理想之選。您可到以下的網(wǎng)址：www.arrow.com/zh-cn/manufacturers/cui-devices/thermal-management/fans/blowers-and-fans，來選購  Same Sky 全系列交流風扇和直流風扇。