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來(lái)源：DigiKey 作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動(dòng)控制部門(mén)副總裁 雖然電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的概念與汽油車(chē)一樣早已存在，但直到最近幾年才被廣泛接受。電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的長(cháng)足進(jìn)步和政府的大力支持是電動(dòng)汽車(chē)大受歡迎的原因所在。例如，歐盟決定到 2035 年禁用燃油車(chē)，并規定到 2025 年每 60 公里必須有一個(gè)快速電動(dòng)汽車(chē)充電站，這充分證明了預期需求的激增。 隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)成為主要交通工具，電池續航能力和更快的充電速度等因素將在全球經(jīng)濟的持續發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施的改進(jìn)需要在各個(gè)領(lǐng)域都取得進(jìn)步，而熱管理則是一個(gè)需要技術(shù)革新的關(guān)鍵領(lǐng)域。 交流和直流電動(dòng)汽車(chē)充電器 - 有什么區別？ 隨著(zhù)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)生了顛覆性轉變。一個(gè)值得注意的變化是，直流充電器的使用越來(lái)越多。鑒于所有電池系統本質(zhì)上都是在直流電源下運行，因此直流充電器這個(gè)術(shù)語(yǔ)最初可能會(huì )顯得模棱兩可。然而，關(guān)鍵的區別在于這些系統中交流到直流的轉換發(fā)生在何處。 傳統的交流充電器通常用于住宅環(huán)境，主要是作為一個(gè)負責通信、濾波和調節車(chē)輛的交流電流的復雜接口。隨后，車(chē)輛內的車(chē)載直流充電器會(huì )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(chē)輛供電之前會(huì )進(jìn)行整流，作為高壓直流電源。 直流充電器的主要優(yōu)勢在于能夠將電源調節組件從電動(dòng)汽車(chē)內移至外部結構，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，但復雜性高，發(fā)熱量大。（圖片來(lái)源：CUI Devices） 通過(guò)減小重量和尺寸限制，直流充電器可無(wú)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)的半導體器件進(jìn)行電源整流，同時(shí)使用濾波器和功率電阻器，所有這些器件在工作時(shí)都會(huì )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(dòng)汽車(chē)充電系統中最主要的發(fā)熱器件是絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 。這種半導體器件近幾十年來(lái)越來(lái)越多地被采用。這種堅固耐用的部件為充電領(lǐng)域帶來(lái)了無(wú)限可能，但確保其得到充分冷卻仍是一個(gè)重大問(wèn)題。 應對高溫挑戰 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 本質(zhì)上是場(chǎng)效應晶體管 (FET) 和雙極結型晶體管 (BJT) 的混合體。IGBT 以其承受高電壓的能力、最小導通電阻、快速開(kāi)關(guān)速率和出色的熱恢復性而聞名，在電動(dòng)汽車(chē)充電器等大功率應用中發(fā)揮了極佳的作用。 在電動(dòng)汽車(chē)充電電路中，IGBT 用作整流器或逆變器，其頻繁的開(kāi)關(guān)操作會(huì )產(chǎn)生大量熱量。目前，最主要的熱挑戰是與 IGBT 相關(guān)的發(fā)熱量大幅增加。在過(guò)去的三十年里，發(fā)熱量從 1.2 kW 飆升到 12.5 kW，增長(cháng)了十多倍，預計還會(huì )進(jìn)一步增長(cháng)。下圖 2 從單位表面積功率的角度說(shuō)明了這一趨勢。 從這個(gè)角度來(lái)看，當代 CPU 的功率水平約為 0.18 kW，相當于 7 kW/cm2。這種驚人的差距凸顯了 IGBT 在大功率應用中面臨的巨大熱管理難題。
圖 2：IGBT 的功率密度有了顯著(zhù)提高。（圖片來(lái)源：CUI Devices） 有兩個(gè)因素在提高 IGBT 的冷卻能力方面發(fā)揮著(zhù)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 +170°C ，而現代 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制通風(fēng)相結合。IGBT 等半導體器件的內部熱阻通常極低，而該器件與周?chē)諝庵g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，在散熱器上引導氣流可進(jìn)一步提高其能效。鑒于器件空氣界面是系統中最重要的熱阻，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(wú)源散熱器的可靠性和風(fēng)扇技術(shù)的成熟性。 CUI Devices 專(zhuān)門(mén)為電動(dòng)汽車(chē)充電應用定制了散熱器，尺寸可達 950x350x75 mm。這些散熱器能夠以無(wú)源方式滿(mǎn)足冷卻要求較低的情況，或通過(guò)強制風(fēng)冷主動(dòng)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(lái)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。水冷系統能夠實(shí)現最低的熱阻，因此極具吸引力。不過(guò)，與風(fēng)冷方案相比，水冷系統成本更高，也更復雜。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(shí)現系統有效散熱的重要部件。 考慮到相關(guān)成本和復雜性，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(diǎn)是加強專(zhuān)門(mén)針對 IGBT 應用的風(fēng)冷技術(shù)。這項積極的研究旨在優(yōu)化散熱，同時(shí)最大限度地降低與液冷方法相關(guān)的成本和系統復雜性。 熱系統設計考慮因素 冷卻系統是否有效在很大程度上依賴(lài)于有策略地放置組件，以?xún)?yōu)化氣流并增強熱量分布。各個(gè)部件之間的間距不足會(huì )阻礙氣流，并限制可使用的散熱器尺寸。因此，在整個(gè)系統中有策略地放置關(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(dòng)汽車(chē)充電器等大型系統中，控制系統提供的實(shí)時(shí)溫度監控在主動(dòng)熱管理過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)極其重要的作用。根據溫度讀數自動(dòng)調節冷卻機制，可優(yōu)化系統性能，并通過(guò)調節電流輸出或風(fēng)扇轉速防止過(guò)熱。不過(guò)，這些自動(dòng)調節的準確性取決于溫度傳感器的質(zhì)量和精度。傳感器位置不當會(huì )導致溫度讀數不準確，從而使系統反應無(wú)效。因此，必須仔細考慮熱傳感器的位置，以確保溫度監控的準確性和可靠性。 環(huán)境因素 電動(dòng)汽車(chē)充電站通常位于室外環(huán)境中，會(huì )受到各種天氣條件的影響。因此，要保持最佳的散熱性能，就必須設計具有適當通風(fēng)且防雨、防極端溫度等因素影響的耐候性機柜。確保氣流路徑和通風(fēng)系統的設計既能防止進(jìn)水，又能保持氣流暢通無(wú)阻，這一點(diǎn)至關(guān)重要。 在各種外部因素中，陽(yáng)光直射造成的太陽(yáng)輻射加熱是一項重大挑戰，會(huì )導致充電器外殼內的溫度大幅升高。雖然這是個(gè)合理關(guān)切，但最有效的解決方案卻相對簡(jiǎn)單。采用精心設計的遮陽(yáng)結構，并在遮陽(yáng)板和充電裝置之間提供充足的氣流，可有效緩解太陽(yáng)輻射加熱，從而保持充電器外殼內具有較低的環(huán)境溫度。
圖 4：遮擋陽(yáng)光直射充電器是一種經(jīng)濟高效的熱管理策略。（圖片來(lái)源：CUI Devices） 接下來(lái)是什么？ 近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)在全球范圍內的普及率顯著(zhù)提高，各種技術(shù)領(lǐng)域的需求都呈現出持續大幅增長(cháng)的態(tài)勢。隨著(zhù)道路上行駛的電動(dòng)汽車(chē)數量不斷增加，充電基礎設施的普及預計也將同步擴大。充電器的有效運行和效率對這一新興充電基礎設施的發(fā)展至關(guān)重要。成本效益也是一個(gè)關(guān)鍵因素，因為個(gè)人和企業(yè)將這些充電器集成到其家庭和機構中的速度取決于經(jīng)濟承受能力。 預計電動(dòng)汽車(chē)和充電器將持續增長(cháng)，我們必須認識到基礎技術(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、軟件和硬件標準的發(fā)展，并為不可預見(jiàn)的創(chuàng )新留出空間。這種積極主動(dòng)的方法可確保熱管理系統能夠適應不斷變化的需求。 就其核心而言，電動(dòng)汽車(chē)充電器與其他高密度、大功率電子設備有著(zhù)類(lèi)似的熱管理問(wèn)題。然而，電動(dòng)汽車(chē)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(lái)了獨特的挑戰。隨著(zhù)充電速度和電池容量的不斷增加，安全有效地開(kāi)發(fā)充電器的要求也越來(lái)越嚴格，對熱管理設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)先的熱設計服務(wù)，以支持電動(dòng)汽車(chē)充電生態(tài)系統不斷發(fā)展的需求。 |
