芯耀
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電動汽車（EV）與燃油汽車一樣歷史悠久，但直到近期才成為主流。隨著電動汽車技術(shù)的重大進步和政府的大力支持，電動汽車的需求也在日益激增。歐盟2035年禁止使用內(nèi)燃汽車[1]，以及2025年每60公里設置一個快速充電站的強制規(guī)定[2]，進一步凸顯了這一需求激增的趨勢。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將成為全球經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。要增強這些電動汽車充電系統(tǒng)，就需要在各個領域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)進步，特別是在熱管理方面。
交流電/直流電在電動汽車充電中的應用
隨著對更快充電器需求的不斷增長，設計方法也發(fā)生了或大或小的變化。其中一個顯著的變化是轉(zhuǎn)向直流充電器。盡管所有電池系統(tǒng)都使用直流電，然而，這些系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，電源從交流到直流的整流發(fā)生在不同的地方。傳統(tǒng)的交流充電器通常用于住宅環(huán)境，用于車輛通信、過濾并控制交流電的流動，隨后由車載直流充電樁將電能轉(zhuǎn)換為直流電并為電池充電。相比之下，直流充電器在向車輛提供高壓直流電之前，會在外部執(zhí)行整流過程。直流充電器的主要優(yōu)勢在于，通過將電源調(diào)節(jié)硬件移至電動汽車外部，消除了許多重量和尺寸限制。
通過消除重量和尺寸限制，直流充電器可集成更多元器件，以提高電流吞吐量和工作電壓。這些充電器使用先進的半導體器件進行電源整流，同時還會使用濾波器和功率電阻，所有這些過程都會產(chǎn)生大量熱量。雖然濾波器和電阻會產(chǎn)生熱量，但電動汽車充電系統(tǒng)中的主要熱源則是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），這是一種在過去幾十年中日益普及的半導體器件。雖然這種功能強大的器件為充電領域創(chuàng)造了諸多機遇，但充分冷卻它仍然是一個不可忽視的問題。
IGBT結(jié)合了場效應晶體管（FET）和雙極性結(jié)型晶體管（BJT）的特點。它能夠承受高電壓、低導通電阻、快速開關(guān)速度和出色的熱穩(wěn)定性，因此非常適合電動汽車充電器等大功率應用。IGBT在這些充電電路中用作整流器或逆變器，因此它們將頻繁地開關(guān)，并產(chǎn)生大量熱量。
當前面臨的熱管理挑戰(zhàn)是IGBT的散熱量大幅增加，從三十年前的1.2千瓦增加到現(xiàn)在的12.5千瓦，增加了十多倍，預計還會進一步增加。圖2顯示了單位表面積功率的增長情況。相比之下，當今高功率的CPU功率僅為0.18kW左右，即7kW/cm2，差異顯著。
有兩個因素有助于冷卻IGBT：一是IGBT的表面積大約為CPU的兩倍，另一個是它的工作溫度可高達170°C，而現(xiàn)代CPU的工作溫度為105°C。
不過，直接可靠的熱管理解決方案還是將散熱器與強制通風相結(jié)合（圖3）。雖然IGBT等半導體器件內(nèi)部的熱阻通常很低，但器件與周圍空氣之間的熱阻卻高得多。為球柵陣列（BGA）添加散熱器可大大增加可用的散熱表面積，從而降低熱阻。
通過在散熱器上流動空氣可進一步提升散熱效果。降低系統(tǒng)中極大的熱阻（即器件與空氣介面處的熱阻）至關(guān)重要。無源散熱器如果安裝得當，是不會出問題，而風扇作為成熟可靠的技術(shù)，可進一步提升散熱效率。Same Sky已為電動汽車充電應用設計了尺寸達950mm x 350mm x 75mm的散熱器。這些散熱器可滿足低負載需求時的被動散熱，也可以通過強制空氣流通實現(xiàn)高負載需求時的主動散熱。如需更多信息，請了解Same Sky的完整交流風扇和直流風扇產(chǎn)品系列。
液冷方案也可用于冷卻IGBT等高密度熱源。水冷系統(tǒng)可實現(xiàn)極低熱阻，因此很有吸引力。不過，水冷系統(tǒng)的成本和復雜性較高，而且仍然依賴于散熱器和風扇來帶走整個系統(tǒng)的熱量。因此，使用散熱器和風扇直接冷卻IGBT仍是首選方法。目前研究的重點是提高IGBT的空氣冷卻技術(shù)。
外部及環(huán)境因素
電動汽車充電站常安裝在戶外，暴露在各種環(huán)境條件下。設計具有適當通風和保護功能的全天候外殼，以防止雨水和極端溫度等因素的侵襲，對于保持極佳的散熱條件至關(guān)重要。必須精心設計氣流路徑和通風口，以防止進水并確保充足的氣流通過。
此外，還需考慮的一個外部因素是太陽熱輻射，它可顯著提升充電柜內(nèi)部環(huán)境溫度。雖然這是一個合理的擔憂，但非常有效的解決方案常常是采用簡單又直接的方式：通過合理設計遮陽結(jié)構(gòu)并確保遮陽層與充電單元之間有充足的氣流，可顯著降低充電設備周圍的環(huán)境溫度。
前瞻性思考
近年來，電動汽車在全球范圍內(nèi)的應用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，各類技術(shù)的需求也持續(xù)快速攀升。隨著電動汽車在道路上的普及，充電站的數(shù)量也將隨之激增。高效且功能完善的充電設備對于發(fā)展強大的充電基礎設施至關(guān)重要。此外，成本效益也將在個人和企業(yè)采用電動汽車的過程中發(fā)揮重要作用。
隨著電動汽車和充電器數(shù)量的增加，底層技術(shù)也將不斷發(fā)展和完善。這包括充電功率和容量的潛在提升、軟件和硬件標準的不斷發(fā)展，以及對不可預見創(chuàng)新的適應性。確保熱管理系統(tǒng)能夠適應這些不斷變化的需求至關(guān)重要。
電動汽車充電器面臨著與其他大功率電子設備類似的熱管理問題。然而，這些充電器中使用的IGBT具有高功率密度，加上不斷提升的性能要求，帶來了獨特的挑戰(zhàn)。隨著充電速度和電池容量的不斷提高，有效且安全的充電器設計將變得更加重要，這對熱管理工程師和設計師提出了更高的要求。為此，Same Sky提供了全面的熱管理元件和出色的熱設計服務，以滿足這些不斷演進的需求。
參考資料
[1]https://www.europarl.europa.eu/topics/en/article/20221019STO44572/eu-ban-on-sale-of-new-petrol-and-diesel-cars-from-2035-explained
[2]https://www.weforum.org/agenda/2023/07/eus-law-mandates-fast-charging-stations-every-60-kilometers-along-highways-2025/
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