芯耀
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電動(dòng)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(dòng)汽車技術(shù)的重大進(jìn)步和政府的大力支持，電動(dòng)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(shè)置一個(gè)快速充電站的強(qiáng)制規(guī)定[2]，進(jìn)一步凸顯了這一需求激增的趨勢(shì)。隨著電動(dòng)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(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。要增強(qiáng)這些電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，就需要在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)進(jìn)步，特別是在熱管理方面。
交流電/直流電在電動(dòng)汽車充電中的應(yīng)用
隨著對(duì)更快充電器需求的不斷增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)方法也發(fā)生了或大或小的變化。其中一個(gè)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(guò)濾并控制交流電的流動(dòng)，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(huì)在外部執(zhí)行整流過(guò)程。直流充電器的主要優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)將電源調(diào)節(jié)硬件移至電動(dòng)汽車外部，消除了許多重量和尺寸限制。
通過(guò)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(jìn)的半導(dǎo)體器件進(jìn)行電源整流，同時(shí)還會(huì)使用濾波器和功率電阻，所有這些過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量熱量。雖然濾波器和電阻會(huì)產(chǎn)生熱量，但電動(dòng)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(guò)去幾十年中日益普及的半導(dǎo)體器件。雖然這種功能強(qiáng)大的器件為充電領(lǐng)域創(chuàng)造了諸多機(jī)遇，但充分冷卻它仍然是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。
IGBT結(jié)合了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和雙極性結(jié)型晶體管（BJT）的特點(diǎn)。它能夠承受高電壓、低導(dǎo)通電阻、快速開(kāi)關(guān)速度和出色的熱穩(wěn)定性，因此非常適合電動(dòng)汽車充電器等大功率應(yīng)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(kāi)關(guān)，并產(chǎn)生大量熱量。
當(dāng)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(yù)計(jì)還會(huì)進(jìn)一步增加。圖2顯示了單位表面積功率的增長(zhǎng)情況。相比之下，當(dāng)今高功率的CPU功率僅為0.18kW左右，即7kW/cm2，差異顯著。
有兩個(gè)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(gè)是它的工作溫度可高達(dá)170°C，而現(xiàn)代CPU的工作溫度為105°C。
不過(guò)，直接可靠的熱管理解決方案還是將散熱器與強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合（圖3）。雖然IGBT等半導(dǎo)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(guò)在散熱器上流動(dòng)空氣可進(jìn)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(wú)源散熱器如果安裝得當(dāng)，是不會(huì)出問(wèn)題，而風(fēng)扇作為成熟可靠的技術(shù)，可進(jìn)一步提升散熱效率。Same Sky已為電動(dòng)汽車充電應(yīng)用設(shè)計(jì)了尺寸達(dá)950mm x 350mm x 75mm的散熱器。這些散熱器可滿足低負(fù)載需求時(shí)的被動(dòng)散熱，也可以通過(guò)強(qiáng)制空氣流通實(shí)現(xiàn)高負(fù)載需求時(shí)的主動(dòng)散熱。如需更多信息，請(qǐng)了解Same Sky的完整交流風(fēng)扇和直流風(fēng)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(shí)現(xiàn)極低熱阻，因此很有吸引力。不過(guò)，水冷系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性較高，而且仍然依賴于散熱器和風(fēng)扇來(lái)帶走整個(gè)系統(tǒng)的熱量。因此，使用散熱器和風(fēng)扇直接冷卻IGBT仍是首選方法。目前研究的重點(diǎn)是提高IGBT的空氣冷卻技術(shù)。
外部及環(huán)境因素
電動(dòng)汽車充電站常安裝在戶外，暴露在各種環(huán)境條件下。設(shè)計(jì)具有適當(dāng)通風(fēng)和保護(hù)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(duì)于保持極佳的散熱條件至關(guān)重要。必須精心設(shè)計(jì)氣流路徑和通風(fēng)口，以防止進(jìn)水并確保充足的氣流通過(guò)。
此外，還需考慮的一個(gè)外部因素是太陽(yáng)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(gè)合理的擔(dān)憂，但非常有效的解決方案常常是采用簡(jiǎn)單又直接的方式：通過(guò)合理設(shè)計(jì)遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)并確保遮陽(yáng)層與充電單元之間有充足的氣流，可顯著降低充電設(shè)備周圍的環(huán)境溫度。
前瞻性思考
近年來(lái)，電動(dòng)汽車在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，各類技術(shù)的需求也持續(xù)快速攀升。隨著電動(dòng)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(shè)備對(duì)于發(fā)展強(qiáng)大的充電基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。此外，成本效益也將在個(gè)人和企業(yè)采用電動(dòng)汽車的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
隨著電動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，以及對(duì)不可預(yù)見(jiàn)創(chuàng)新的適應(yīng)性。確保熱管理系統(tǒng)能夠適應(yīng)這些不斷變化的需求至關(guān)重要。
電動(dòng)汽車充電器面臨著與其他大功率電子設(shè)備類似的熱管理問(wèn)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(lái)了獨(dú)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(shè)計(jì)將變得更加重要，這對(duì)熱管理工程師和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)服務(wù)，以滿足這些不斷演進(jìn)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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