電動汽車充電的熱管理解決方案

隨著道路上出現越來越多的電動汽車，充電站的建設正在如火如荼的進行中，更快的充電速度也成為充電站的發展重點，功能良好且高效的充電器對于積極建設中的充電基礎設施至關重要，但更快的充電速度，也將產生更高的熱量，這對充電過程的安全性帶來了挑戰。在本文中，將可了解到更多關于電動汽車充電技術的發展，以及冷卻系統對充電散熱的重要性，與適合您的設計的熱管理解決方案。

下一代電動汽車充電的熱管理技術

隨著電動汽車成為主要的交通方式，電池續航里程甚至更快的充電速度將成為世界經濟運轉能力的重要組成部分。這些電動汽車充電系統的改進需要多個領域的技術發展，其中包括熱管理技術。

隨著對更快充電器的需求不斷增長，在實行方法上也發生了各種變化。其中一項變化是轉向直流充電器，但這可能是一個令人困惑的說法，因為所有電池系統都使用直流電運行。然而，這些系統的重要區別在于，電源從交流到直流的整流發生在不同的地方。在住宅應用中采用的通常是最常見的傳統交流充電器，用于通信、過濾和控制流向車輛的交流電源，然后車載直流充電器對電源進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到車輛之前便執行整流。直流充電器的最大好處是，通過將功率調節硬件從電動汽車移至外部結構中，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體器件、濾波器和功率電阻器來進行電源整流，所有這些過程都會產生大量的熱量。雖然濾波器和電阻器是不可忽視的熱量來源，但電動汽車充電系統中最大的熱量來源則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使用的半導體器件。這種功能強大的器件在充電領域帶來了許多機會，但充分冷卻它則是一個不可忽視的問題。

IGBT本質上是FET和BJT的交叉體，由于IGBT能夠承受大電壓、低導通電阻、快速開關速度和驚人的高耐熱性，因此非常適合電動汽車充電器等高功率應用。由于IGBT在這些電動汽車充電電路中用作整流器或逆變器，因此它們將頻繁地開關，產生大量熱量。今天面臨的熱挑戰是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，而且預計還會繼續增加。

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

IGBT等半導體器件內的熱阻通常極低，而器件與周圍空氣之間的熱阻相對極高。添加散熱器極大地擴大了可以將熱量散發到周圍空氣中的表面積，降低了熱阻，并且在散熱器上流動空氣甚至進一步提高了散熱器的效率。這個簡單的散熱系統的好處是，如果安裝正確，無源散熱器永遠不會出現故障，而風扇則是一項成熟的、高度成熟的技術，非常可靠。

冷卻系統的元器件和熱監控放置技巧

任何冷卻系統的有效性的一個組成部分是如何放置元器件，以優化氣流并最大化熱量分布。元器件之間沒有足夠放置空間會限制氣流和散熱器的可用尺寸。因此，任何關鍵的發熱元器件都應策略性地放置在整個系統內，以促進有效的整體冷卻。

雖然必須小心放置各個發熱元器件，但熱傳感器的放置同樣重要。在像直流電動汽車充電器這樣的大型系統中，用于實時監控溫度水平的控制系統可以實現主動熱管理。根據溫度讀數自動調整冷卻機制可以優化性能，并通過限制電流輸出或調整風扇速度來防止過熱。然而，這些自動調整取決于輸入數據的質量。如果溫度傳感器由于放置不當，那么系統的響應也會相應不正確。

電動汽車充電站通常安裝在室外，暴露在不同的環境條件下，因此設計具有足夠通風和能夠防雨與應對極端溫度等因素的防風雨外殼，對于保持最佳熱條件至關重要，氣流路徑和通風口的設計必須能夠防止進水，同時又不限制氣流通過。

最令人擔憂的外部因素是太陽照射在充電器外殼上產生的太陽能熱量，這會顯著增加內部環境溫度。雖然這是一個合理的擔憂，但最有效的解決方案常常是采用簡單又直接的方式，通過采用精心設計的遮蔽物，以及使遮蔽物和充電設備之間擁有充足的氣流通過，將使充電器的環境溫度顯著降低。

具有多種選項和定制功能的

直流風扇和離心式鼓風機

CUI Devices針對散熱需求提供了多樣的直流風扇系列，包括各種軸流風扇和離心式鼓風機，支持的框架尺寸為20至172 mm，氣流為0.33至382 CFM。CUI Devices的直流風扇標配自動重啟保護功能，并采用滾珠軸承、套筒軸承或CUI Devices先進的omniCOOL系統結構，并具有多種選項和定制功能，是消除應用中熱量的理想強制風冷解決方案。

CUI Devices的直流軸流風扇的額定電壓為 5、12、24和48 Vdc，提供轉速計信號、旋轉檢測器和PWM控制信號選項，額定速度也高達 25000 RPM，還提供多種具有IP68防護等級的防水軸流風扇型號，適用于惡劣環境。

CUI Devices的離心式鼓風機則提供35至120 mm的框架尺寸，采用滾珠軸承、套筒軸承或omniCOOL系統結構，額定電壓為5、12和24 Vdc，并標配自動重啟保護功能，氣流范圍為0.57至44.2 CFM，具有高達20000 RPM的多種速度選項，是高背壓應用的理想選擇。

自然對流或強制風冷系統的最佳散熱器

CUI Devices的散熱器系列可用于板級和球柵陣列（BGA）設計。CUI Devices的鋁散熱器和銅散熱器與TO-218、TO-220、TO-252和TO-263晶體管封裝以及BGA封裝類型兼容，可在四種條件下方便地測量熱阻，使您可以更輕松地為自然對流或強制風冷系統選擇最佳散熱器。

CUI Devices的散熱器類型可分為BGA散熱器與板級散熱器。CUI Devices的BGA散熱器與BGA器件兼容，由鋁或銅制成，經過黑色陽極氧化或光面處理，并采用粘合劑或PCB安裝。CUI Devices的BGA散熱器支持從8.5 x 8.5 mm到69.7 x 69.7 mm的各種尺寸，高度從5到25 mm。在四種熱阻條件下測量，CUI Devices的BGA散熱器在75℃時的額定功耗為1.92至21.74 W。

CUI Devices的板級散熱器采用各種標準擠壓件和沖壓件，與TO-218、TO-220、TO-252和TO-263晶體管封裝類型兼容。CUI Devices的板級散熱器由鋁或銅制成，具有黑色陽極氧化、藍色陽極氧化或鍍錫材料飾面，還支持8 mm至70 mm的一系列標準形狀和尺寸，以及4 mm至45 mm的型材。

CUI Devices的板級散熱器類型又可分成擠壓散熱器與沖壓散熱器。CUI Devices的擠壓散熱器提供鋁翅片結構和更大的表面積，可在高功率應用中增強散熱，在四種熱阻條件下進行測量時，在75℃時的額定功耗為1.93至16.7 W。CUI Devices的擠壓散熱器由鋁制成，表面經過黑色或藍色陽極氧化處理，與TO-218和TO-220晶體管封裝兼容。

CUI Devices的沖壓散熱器則由鋁或銅制成，并采用黑色陽極氧化或鍍錫材料飾面，是低功率PCB冷卻的理想選擇。CUI Devices的沖壓件支持各種晶體管封裝，尺寸為8至50.8 mm，高度為4至25.4 mm，在四種熱阻條件下進行測量時，在75℃時的額定功耗為2.1至10.29 W。

結語

隨著電動汽車和充電器的數量繼續增長，它們所依賴的技術也將不斷發展和改進。考慮到充電功率和容量的潛在增加，必須確保熱管理系統能夠適應隨著時間推移不斷變化的需求。電動汽車充電器中使用的IGBT功率密度的快速增長，給熱管理帶來了獨特的挑戰，有效、安全地制造這些充電器的要求將變得越來越嚴格，對熱管理的要求也比以往任何時候都更高。