【導(dǎo)讀】雖然電動汽車 (EV) 的概念與汽油車一樣早已存在，但直到最近幾年才被廣泛接受。電動汽車技術(shù)的長足進(jìn)步和政府的大力支持是電動汽車大受歡迎的原因所在。例如，歐盟決定到 2035 年禁用燃油車，并規(guī)定到 2025 年每 60 公里必須有一個快速電動汽車充電站，這充分證明了預(yù)期需求的激增。
雖然電動汽車 (EV) 的概念與汽油車一樣早已存在，但直到最近幾年才被廣泛接受。電動汽車技術(shù)的長足進(jìn)步和政府的大力支持是電動汽車大受歡迎的原因所在。例如，歐盟決定到 2035 年禁用燃油車，并規(guī)定到 2025 年每 60 公里必須有一個快速電動汽車充電站，這充分證明了預(yù)期需求的激增。
隨著電動汽車成為主要交通工具，電池續(xù)航能力和更快的充電速度等因素將在全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的改進(jìn)需要在各個領(lǐng)域都取得進(jìn)步，而熱管理則是一個需要技術(shù)革新的關(guān)鍵領(lǐng)域。
交流和直流電動汽車充電器 - 有什么區(qū)別？
隨著對快速充電解決方案的需求不斷增加，充電方法也發(fā)生了也逐漸發(fā)生了顛覆性轉(zhuǎn)變。一個值得注意的變化是，直流充電器的使用越來越多。鑒于所有電池系統(tǒng)本質(zhì)上都是在直流電源下運行，因此直流充電器這個術(shù)語最初可能會顯得模棱兩可。然而，關(guān)鍵的區(qū)別在于這些系統(tǒng)中交流到直流的轉(zhuǎn)換發(fā)生在何處。
傳統(tǒng)的交流充電器通常用于住宅環(huán)境，主要是作為一個負(fù)責(zé)通信、濾波和調(diào)節(jié)車輛的交流電流的復(fù)雜接口。隨后，車輛內(nèi)的車載直流充電器會對這些電能進(jìn)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會進(jìn)行整流，作為高壓直流電源。
直流充電器的主要優(yōu)勢在于能夠?qū)㈦娫凑{(diào)節(jié)組件從電動汽車內(nèi)移至外部結(jié)構(gòu)，從而消除了許多與重量和尺寸有關(guān)的限制。
圖 1：直流充電器的充電速度明顯加快，但復(fù)雜性高，發(fā)熱量大。（圖片來源：CUI Devices）
通過減小重量和尺寸限制，直流充電器可無縫集成其他組件，從而提高電流吞吐量和工作電壓。這些充電器利用最先進(jìn)的半導(dǎo)體器件進(jìn)行電源整流，同時使用濾波器和功率電阻器，所有這些器件在工作時都會產(chǎn)生大量熱量。雖然濾波器和電阻器的發(fā)熱占比大，但電動汽車充電系統(tǒng)中最主要的發(fā)熱器件是絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 。這種半導(dǎo)體器件近幾十年來越來越多地被采用。這種堅固耐用的部件為充電領(lǐng)域帶來了無限可能，但確保其得到充分冷卻仍是一個重大問題。
應(yīng)對高溫挑戰(zhàn)
絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 本質(zhì)上是場效應(yīng)晶體管 (FET) 和雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的混合體。IGBT 以其承受高電壓的能力、最小導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)速率和出色的熱恢復(fù)性而聞名，在電動汽車充電器等大功率應(yīng)用中發(fā)揮了極佳的作用。
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)操作會產(chǎn)生大量熱量。目前，最主要的熱挑戰(zhàn)是與 IGBT 相關(guān)的發(fā)熱量大幅增加。在過去的三十年里，發(fā)熱量從 1.2 kW 飆升到 12.5 kW，增長了十多倍，預(yù)計還會進(jìn)一步增長。下圖 2 從單位表面積功率的角度說明了這一趨勢。
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 7 kW/cm2。這種驚人的差距凸顯了 IGBT 在大功率應(yīng)用中面臨的巨大熱管理難題。
圖 2：IGBT 的功率密度有了顯著提高。（圖片來源：CUI Devices）
有兩個因素在提高 IGBT 的冷卻能力方面發(fā)揮著重要作用。首先，IGBT 的表面積約為 CPU 的兩倍。其次，IGBT 可以承受更高的工作溫度，最高可達(dá) +170°C ，而現(xiàn)代 CPU 的工作溫度通常只有 +105°C。
最有效的熱管理方法是將散熱器和強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合。IGBT 等半導(dǎo)體器件的內(nèi)部熱阻通常極低，而該器件與周圍空氣之間的熱阻則相對較高。安裝散熱器可大幅增加向環(huán)境空氣散熱的可用表面積，從而降低熱阻。此外，在散熱器上引導(dǎo)氣流可進(jìn)一步提高其能效。鑒于器件空氣界面是系統(tǒng)中最重要的熱阻，因此將其最小化至關(guān)重要。這種直接方法的優(yōu)勢在于無源散熱器的可靠性和風(fēng)扇技術(shù)的成熟性。
CUI Devices 專門為電動汽車充電應(yīng)用定制了散熱器，尺寸可達(dá) 950x350x75 mm。這些散熱器能夠以無源方式滿足冷卻要求較低的情況，或通過強(qiáng)制風(fēng)冷主動管理要求較高的情況。
圖 3：散熱器和風(fēng)扇方案能夠高效地冷卻 IGBT。（圖片來源：CUI Devices）
除風(fēng)冷外，液冷為 IGBT 等大功率器件的散熱提供了另一種選擇。水冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最低的熱阻，因此極具吸引力。不過，與風(fēng)冷方案相比，水冷系統(tǒng)成本更高，也更復(fù)雜。值得注意的是，即使在水冷裝置中，散熱器和風(fēng)扇仍然是實現(xiàn)系統(tǒng)有效散熱的重要部件。
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 仍是首選。正在進(jìn)行的研究工作的重點是加強(qiáng)專門針對 IGBT 應(yīng)用的風(fēng)冷技術(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冷方法相關(guān)的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。
熱系統(tǒng)設(shè)計考慮因素
冷卻系統(tǒng)是否有效在很大程度上依賴于有策略地放置組件，以優(yōu)化氣流并增強(qiáng)熱量分布。各個部件之間的間距不足會阻礙氣流，并限制可使用的散熱器尺寸。因此，在整個系統(tǒng)中有策略地放置關(guān)鍵的發(fā)熱部件以促進(jìn)高效冷卻是至關(guān)重要的。
除了部件的放置，熱傳感器的放置位置也同樣重要。在直流電動汽車充電器等大型系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)提供的實時溫度監(jiān)控在主動熱管理過程中發(fā)揮著極其重要的作用。根據(jù)溫度讀數(shù)自動調(diào)節(jié)冷卻機(jī)制，可優(yōu)化系統(tǒng)性能，并通過調(diào)節(jié)電流輸出或風(fēng)扇轉(zhuǎn)速防止過熱。不過，這些自動調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性取決于溫度傳感器的質(zhì)量和精度。傳感器位置不當(dāng)會導(dǎo)致溫度讀數(shù)不準(zhǔn)確，從而使系統(tǒng)反應(yīng)無效。因此，必須仔細(xì)考慮熱傳感器的位置，以確保溫度監(jiān)控的準(zhǔn)確性和可靠性。
環(huán)境因素
電動汽車充電站通常位于室外環(huán)境中，會受到各種天氣條件的影響。因此，要保持最佳的散熱性能，就必須設(shè)計具有適當(dāng)通風(fēng)且防雨、防極端溫度等因素影響的耐候性機(jī)柜。確保氣流路徑和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計既能防止進(jìn)水，又能保持氣流暢通無阻，這一點至關(guān)重要。
在各種外部因素中，陽光直射造成的太陽輻射加熱是一項重大挑戰(zhàn)，會導(dǎo)致充電器外殼內(nèi)的溫度大幅升高。雖然這是個合理關(guān)切，但最有效的解決方案卻相對簡單。采用精心設(shè)計的遮陽結(jié)構(gòu)，并在遮陽板和充電裝置之間提供充足的氣流，可有效緩解太陽輻射加熱，從而保持充電器外殼內(nèi)具有較低的環(huán)境溫度。
圖 4：遮擋陽光直射充電器是一種經(jīng)濟(jì)高效的熱管理策略。（圖片來源：CUI Devices）
接下來是什么？
近年來，電動汽車在全球范圍內(nèi)的普及率顯著提高，各種技術(shù)領(lǐng)域的需求都呈現(xiàn)出持續(xù)大幅增長的態(tài)勢。隨著道路上行駛的電動汽車數(shù)量不斷增加，充電基礎(chǔ)設(shè)施的普及預(yù)計也將同步擴(kuò)大。充電器的有效運行和效率對這一新興充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展至關(guān)重要。成本效益也是一個關(guān)鍵因素，因為個人和企業(yè)將這些充電器集成到其家庭和機(jī)構(gòu)中的速度取決于經(jīng)濟(jì)承受能力。
預(yù)計電動汽車和充電器將持續(xù)增長，我們必須認(rèn)識到基礎(chǔ)技術(shù)不斷發(fā)展的本質(zhì)。這就需要考慮充電功率和容量的潛在進(jìn)步、軟件和硬件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，并為不可預(yù)見的創(chuàng)新留出空間。這種積極主動的方法可確保熱管理系統(tǒng)能夠適應(yīng)不斷變化的需求。
就其核心而言，電動汽車充電器與其他高密度、大功率電子設(shè)備有著類似的熱管理問題。然而，電動汽車充電器中使用的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 的功率密度，以及對其不斷升級的要求，給我們帶來了獨特的挑戰(zhàn)。隨著充電速度和電池容量的不斷增加，安全有效地開發(fā)充電器的要求也越來越嚴(yán)格，對熱管理設(shè)計人員和工程師的要求也比以往更高。
CUI Devices 提供全面的熱管理組件以及行業(yè)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)不斷發(fā)展的需求。
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