作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運動控制部門副總裁

　　雖然電動汽車 (EV) 的概念與汽油汽車一樣早就存在，但直到最近幾年才獲得廣泛接受。這種受歡迎程度的激增可歸因于電動汽車技術(shù)的顯著進步以及政府的大力支持。例如，歐盟決定到 2035 年禁止內(nèi)燃機汽車，并強制要求到 2025 年每 60 公里建立一個電動汽車快速充電站，這清楚地證明了預(yù)期的需求激增。

　　隨著電動汽車成為主要的交通方式，電池續(xù)航里程和更快的充電速度等因素將在維持全球經(jīng)濟方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的增強將需要各個領(lǐng)域的進步，其中熱管理是需要技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。

　　交流和直流電動汽車充電器 – 有什么區(qū)別?

　　隨著對更快充電解決方案的需求不斷增加，方法也發(fā)生了增量和變革性的轉(zhuǎn)變。一個顯著的變化是越來越多地采用直流充電器——鑒于所有電池系統(tǒng)本質(zhì)上都使用直流電運行，這一術(shù)語最初可能看起來含糊不清。然而，關(guān)鍵的區(qū)別在于這些系統(tǒng)中從交流電到直流電的轉(zhuǎn)換發(fā)生的位置。

　　通常在住宅環(huán)境中遇到的傳統(tǒng)交流充電器主要用作復(fù)雜的接口，負責(zé)通信、過濾和調(diào)節(jié)流向車輛的交流電源。隨后，車內(nèi)的車載直流充電器對該電力進行整流并為電池充電。相比之下，直流充電器在向車輛供電之前進行整流，將其作為高壓直流源傳輸。

　　直流充電器的主要優(yōu)點在于，它們能夠通過將功率調(diào)節(jié)組件從電動汽車轉(zhuǎn)移到外部結(jié)構(gòu)來消除與重量和尺寸相關(guān)的許多限制。

　　圖 1：直流充電器的充電速率顯著加快，但復(fù)雜性更高且發(fā)熱量也更大。 (圖片來源：CUI Devices)

　　通過擺脫重量和尺寸限制，直流充電器可以無縫地集成附加組件，以提高其電流吞吐量和工作電壓。這些充電器利用最先進的半導(dǎo)體器件以及濾波器和功率電阻器來整流電源，所有這些器件在運行過程中都會產(chǎn)生大量熱量。雖然濾波器和電阻器對散熱的貢獻值得注意，但電動汽車充電系統(tǒng)中的主要發(fā)熱體是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，這是一種近幾十年來越來越多采用的半導(dǎo)體器件。這種堅固的組件在充電領(lǐng)域釋放了多種可能性，但確保其充分冷卻仍然是一個重要問題。

　　應(yīng)對高溫挑戰(zhàn)

　　絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 本質(zhì)上是場效應(yīng)晶體管 (FET) 和雙極結(jié)晶體管 (BJT) 之間的混合體。 IGBT 以其承受高電壓、最小導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)速率和出色的熱彈性的能力而聞名，在電動汽車充電器等高功率場景中具有最佳效用。

　　在電動汽車充電電路中，IGBT 用作整流器或逆變器，其頻繁的開關(guān)操作會導(dǎo)致產(chǎn)生大量熱量。目前，最重要的熱挑戰(zhàn)與 IGBT 相關(guān)的散熱大幅提升有關(guān)。在過去的三十年里，散熱量猛增了十倍多，從 1.2 kW 增加到 12.5 kW，并且預(yù)計還會進一步增加。下面的圖 2 以單位表面積的功率說明了這一趨勢。

　　從這個角度來看，當(dāng)代 CPU 的功率水平約為 0.18 kW，相當(dāng)于適度的 7 kW/cm 2。這種驚人的差異凸顯了 IGBT 在高功率應(yīng)用中面臨的巨大熱管理障礙。

　　圖 2：IGBT 的功率密度取得了顯著進步。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　有兩個因素在增強 IGBT 的冷卻方面發(fā)揮著重要作用。首先，IGBT 的表面積大約是 CPU 的兩倍。其次，IGBT 可以承受更高的工作溫度，最高可達 +170°C，而現(xiàn)代 CPU 通常只能在 +105°C 下工作。

　　管理熱條件的最有效方法是結(jié)合使用散熱器和強制通風(fēng)。 IGBT等半導(dǎo)體器件通常內(nèi)部表現(xiàn)出極低的熱阻，而器件與周圍空氣之間的熱阻則相對較高。采用散熱器大大增加了將熱量散發(fā)到周圍空氣中的可用表面積，從而降低了熱阻。此外，引導(dǎo)氣流流過散熱器進一步增強了其功效。鑒于設(shè)備-空氣界面代表系統(tǒng)中最重要的熱阻，將其最小化至關(guān)重要。這種簡單方法的優(yōu)點在于無源散熱器的可靠性和成熟的技術(shù)粉絲。

　　CUI Devices 擁有專門針對電動汽車充電應(yīng)用的定制散熱器，尺寸高達 950x350x75 毫米。這些散熱器能夠被動處理要求較低的要求，或通過強制通風(fēng)主動管理要求更高的場景。

　　圖 3：利用散熱器和風(fēng)扇是一種高效的 IGBT 熱管理解決方案。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　除了空氣冷卻方法之外，液體冷卻還提供了一種用于散熱 IGBT 等高功率組件熱量的替代方案。水冷系統(tǒng)因其能夠?qū)崿F(xiàn)最低熱阻而頗具吸引力。然而，與空氣冷卻解決方案相比，它們的成本更高，復(fù)雜性也更高。還值得注意的是，即使在水冷設(shè)置中，散熱器和風(fēng)扇仍然是系統(tǒng)有效散熱的重要組件。

　　考慮到相關(guān)成本和復(fù)雜性，使用散熱器和風(fēng)扇直接冷卻 IGBT 仍然是首選方法。持續(xù)的研究工作重點是增強專為 IGBT 應(yīng)用量身定制的空氣冷卻技術(shù)。這項積極的研究旨在優(yōu)化散熱，同時最大限度地降低與液體冷卻方法相關(guān)的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。

　　熱系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

　　任何冷卻系統(tǒng)的有效性在很大程度上取決于組件的戰(zhàn)略布局，以優(yōu)化氣流并增強熱量分布。組件之間的間距不足會阻礙氣流并限制可使用的散熱器的尺寸。因此，在整個系統(tǒng)中戰(zhàn)略性地放置關(guān)鍵發(fā)熱組件以促進高效冷卻至關(guān)重要。

　　除了元件放置之外，熱傳感器的放置也同樣重要。在直流電動汽車充電器等大型系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)促進的實時溫度監(jiān)測在主動熱管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。根據(jù)溫度讀數(shù)自動調(diào)節(jié)冷卻機制可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并通過調(diào)節(jié)電流輸出或調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度來防止過熱。然而，這些自動調(diào)整的準(zhǔn)確性取決于溫度傳感器的質(zhì)量和精度。傳感器放置不當(dāng)可能會導(dǎo)致溫度讀數(shù)不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)無效。因此，必須仔細考慮熱傳感器的放置位置，以確保溫度監(jiān)測和控制的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　環(huán)境因素

　　電動汽車充電站經(jīng)常部署在室外環(huán)境中，受不同天氣條件的影響。因此，設(shè)計具有適當(dāng)通風(fēng)和防雨和極端溫度等因素的耐候外殼對于保持最佳熱性能至關(guān)重要。確保氣流路徑和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計能夠防止進水，同時保持氣流暢通，這一點至關(guān)重要。

　　在外部因素中，陽光直射產(chǎn)生的太陽能加熱構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致充電器外殼內(nèi)部環(huán)境溫度大幅升高。雖然這是一個合理的擔(dān)憂，但最有效的解決方案相對簡單。采用精心設(shè)計的遮陽結(jié)構(gòu)，在遮陽和充電單元之間提供足夠的氣流，可有效減輕太陽加熱，從而在充電器外殼內(nèi)保持較低的環(huán)境溫度。

　　圖 4：保護充電器免受陽光直射是一種經(jīng)濟高效的熱條件管理策略。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　下一步是什么?

　　近年來，全球范圍內(nèi)電動汽車的采用量顯著激增，各個技術(shù)領(lǐng)域的需求均呈現(xiàn)出持續(xù)且顯著的增長。隨著道路上的電動汽車數(shù)量持續(xù)增加，充電基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)計將同步擴大。充電器的有效運行和效率對于這一新興充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展至關(guān)重要。成本效率也是一個關(guān)鍵因素，因為個人和企業(yè)將這些充電器集成到他們的家庭和機構(gòu)中的速度取決于負擔(dān)能力。

　　預(yù)計電動汽車和充電器的持續(xù)增長，我們必須承認(rèn)基礎(chǔ)技術(shù)不斷發(fā)展的性質(zhì)。這需要考慮充電功率和容量方面的潛在進步、不斷發(fā)展的軟件和硬件標(biāo)準(zhǔn)，并為不可預(yù)見的創(chuàng)新留出空間。這種主動的方法確保熱管理系統(tǒng)能夠適應(yīng)隨著時間的推移不斷變化的需求。

　　從本質(zhì)上講，電動汽車充電器與其他密集、高功率電子設(shè)備有著相似的熱管理問題。然而，電動汽車充電器中使用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的功率密度，加上對其不斷升級的要求，提出了獨特的挑戰(zhàn)。隨著充電速度和電池容量的不斷提高，有效、安全地開發(fā)充電器的必要性變得越來越嚴(yán)格，對熱管理設(shè)計師和工程師的要求比以往任何時候都更高。

　　CUI Devices 提供全面的熱管理組件以及業(yè)界領(lǐng)先的熱設(shè)計服務(wù)，以支持電動汽車充電生態(tài)系統(tǒng)不斷變化的需求。