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來源：DigiKey 作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應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。電動汽車技術的長足進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濟的持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。電動汽車充電基礎設施的改進需要在各個領域都取得進步，而熱管理則是一個需要技術革新的關鍵領域。 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)本質上都是在直流電源下運行，因此直流充電器這個術語最初可能會顯得模棱兩可。然而，關鍵的區(qū)別在于這些系統(tǒng)中交流到直流的轉換發(fā)生在何處。 傳統(tǒng)的交流充電器通常用于住宅環(huán)境，主要是作為一個負責通信、濾波和調節(jié)車輛的交流電流的復雜接口。隨后，車輛內的車載直流充電器會對這些電能進行整流，并為電池充電。相比之下，直流充電器在向車輛供電之前會進行整流，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(jié)組件從電動汽車內移至外部結構，從而消除了許多與重量和尺寸有關的限制。 
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的半導體器件進行電源整流，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。 應對高溫挑戰(zhàn) 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 本質上是場效應晶體管 (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、快速開關速率和出色的熱恢復性而聞名，在電動汽車充電器等大功率應用中發(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，其頻繁的開關操作會產生大量熱量。目前，最主要的熱挑戰(zhàn)是與 IGBT 相關的發(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，預計還會進一步增長。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 +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制通風相結合。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，在散熱器上引導氣流可進一步提高其能效。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扇技術的成熟性。 CUI Devices 專門為電動汽車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源方式滿足冷卻要求較低的情況，或通過強制風冷主動管理要求較高的情況。
圖 3：散熱器和風扇方案能夠高效地冷卻 IGBT。（圖片來源：CUI Devices） 除風冷外，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)能夠實現(xiàn)最低的熱阻，因此極具吸引力。不過，與風冷方案相比，水冷系統(tǒng)成本更高，也更復雜。值得注意的是，即使在水冷裝置中，散熱器和風扇仍然是實現(xiàn)系統(tǒng)有效散熱的重要部件。 考慮到相關成本和復雜性，使用散熱器和風扇直接冷卻 IGBT 仍是首選。正在進行的研究工作的重點是加強專門針對 IGBT 應用的風冷技術。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的成本和系統(tǒng)復雜性。 熱系統(tǒng)設計考慮因素 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)中有策略地放置關鍵的發(fā)熱部件以促進高效冷卻是至關重要的。 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)自動調節(jié)冷卻機制，可優(yōu)化系統(tǒng)性能，并通過調節(jié)電流輸出或風扇轉速防止過熱。不過，這些自動調節(jié)的準確性取決于溫度傳感器的質量和精度。傳感器位置不當會導致溫度讀數(shù)不準確，從而使系統(tǒng)反應無效。因此，必須仔細考慮熱傳感器的位置，以確保溫度監(jiān)控的準確性和可靠性。 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，就必須設計具有適當通風且防雨、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系統(tǒng)的設計既能防止進水，又能保持氣流暢通無阻，這一點至關重要。 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)，會導致充電器外殼內的溫度大幅升高。雖然這是個合理關切，但最有效的解決方案卻相對簡單。采用精心設計的遮陽結構，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濟高效的熱管理策略。（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的普及率顯著提高，各種技術領域的需求都呈現(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)展至關重要。成本效益也是一個關鍵因素，因為個人和企業(yè)將這些充電器集成到其家庭和機構中的速度取決于經濟承受能力。 預計電動汽車和充電器將持續(xù)增長，我們必須認識到基礎技術不斷發(fā)展的本質。這就需要考慮充電功率和容量的潛在進步、軟件和硬件標準的發(fā)展，并為不可預見的創(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)領先的熱設計服務，以支持電動汽車充電生態(tài)系統(tǒng)不斷發(fā)展的需求。 |
