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) 的概念與汽油汽車一樣早就存在，但直到最近幾年才獲得廣泛接受。這種受歡迎程度的激增可歸因于電動汽車技術的顯著進步以及政府的大力支持。例如，歐盟決定到 2035 年禁止內燃機汽車，并強制要求到 2025 年每 60 公里建立一個電動汽車快速充電站，這清楚地證明了預期的需求激增。

　　隨著電動汽車成為主要的交通方式，電池續航里程和更快的充電速度等因素將在維持全球經濟方面發揮關鍵作用。電動汽車充電基礎設施的增強將需要各個領域的進步，其中熱管理是需要技術發展的關鍵領域。

　　交流和直流電動汽車充電器 – 有什么區別?

　　隨著對更快充電解決方案的需求不斷增加，方法也發生了增量和變革性的轉變。一個顯著的變化是越來越多地采用直流充電器——鑒于所有電池系統本質上都使用直流電運行，這一術語最初可能看起來含糊不清。然而，關鍵的區別在于這些系統中從交流電到直流電的轉換發生的位置。

　　通常在住宅環境中遇到的傳統交流充電器主要用作復雜的接口，負責通信、過濾和調節流向車輛的交流電源。隨后，車內的車載直流充電器對該電力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進行整流，將其作為高壓直流源傳輸。

　　直流充電器的主要優點在于，它們能夠通過將功率調節組件從電動汽車轉移到外部結構來消除與重量和尺寸相關的許多限制。

　　圖 1：直流充電器的充電速率顯著加快，但復雜性更高且發熱量也更大。 (圖片來源：CUI Devices)

　　通過擺脫重量和尺寸限制，直流充電器可以無縫地集成附加組件，以提高其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以及濾波器和功率電阻器來整流電源，所有這些器件在運行過程中都會產生大量熱量。雖然濾波器和電阻器對散熱的貢獻值得注意，但電動汽車充電系統中的主要發熱體是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，這是一種近幾十年來越來越多采用的半導體器件。這種堅固的組件在充電領域釋放了多種可能性，但確保其充分冷卻仍然是一個重要問題。

　　應對高溫挑戰

　　絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 本質上是場效應晶體管 (FET) 和雙極結晶體管 (BJT) 之間的混合體。 IGBT 以其承受高電壓、最小導通電阻、快速開關速率和出色的熱彈性的能力而聞名，在電動汽車充電器等高功率場景中具有最佳效用。

　　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導致產生大量熱量。目前，最重要的熱挑戰與 IGBT 相關的散熱大幅提升有關。在過去的三十年里，散熱量猛增了十倍多，從 1.2 kW 增加到 12.5 kW，并且預計還會進一步增加。下面的圖 2 以單位表面積的功率說明了這一趨勢。

　　從這個角度來看，當代 CPU 的功率水平約為 0.18 kW，相當于適度的 7 kW/cm 2。這種驚人的差異凸顯了 IGBT 在高功率應用中面臨的巨大熱管理障礙。

　　圖 2：IGBT 的功率密度取得了顯著進步。 (圖片來源：CUI 設備)

　　有兩個因素在增強 IGBT 的冷卻方面發揮著重要作用。首先，IGBT 的表面積大約是 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 通常只能在 +105°C 下工作。

　　管理熱條件的最有效方法是結合使用散熱器和強制通風。 IGBT等半導體器件通常內部表現出極低的熱阻，而器件與周圍空氣之間的熱阻則相對較高。采用散熱器大大增加了將熱量散發到周圍空氣中的可用表面積，從而降低了熱阻。此外，引導氣流流過散熱器進一步增強了其功效。鑒于設備-空氣界面代表系統中最重要的熱阻，將其最小化至關重要。這種簡單方法的優點在于無源散熱器的可靠性和成熟的技術粉絲。

　　CUI Devices 擁有專門針對電動汽車充電應用的定制散熱器，尺寸高達 950x350x75 毫米。這些散熱器能夠被動處理要求較低的要求，或通過強制通風主動管理要求更高的場景。

　　圖 3：利用散熱器和風扇是一種高效的 IGBT 熱管理解決方案。 (圖片來源：CUI 設備)

　　除了空氣冷卻方法之外，液體冷卻還提供了一種用于散熱 IGBT 等高功率組件熱量的替代方案。水冷系統因其能夠實現最低熱阻而頗具吸引力。然而，與空氣冷卻解決方案相比，它們的成本更高，復雜性也更高。還值得注意的是，即使在水冷設置中，散熱器和風扇仍然是系統有效散熱的重要組件。

　　考慮到相關成本和復雜性，使用散熱器和風扇直接冷卻 IGBT 仍然是首選方法。持續的研究工作重點是增強專為 IGBT 應用量身定制的空氣冷卻技術。這項積極的研究旨在優化散熱，同時最大限度地降低與液體冷卻方法相關的成本和系統復雜性。

　　熱系統設計考慮因素

　　任何冷卻系統的有效性在很大程度上取決于組件的戰略布局，以優化氣流并增強熱量分布。組件之間的間距不足會阻礙氣流并限制可使用的散熱器的尺寸。因此，在整個系統中戰略性地放置關鍵發熱組件以促進高效冷卻至關重要。

　　除了元件放置之外，熱傳感器的放置也同樣重要。在直流電動汽車充電器等大型系統中，控制系統促進的實時溫度監測在主動熱管理中發揮著至關重要的作用。根據溫度讀數自動調節冷卻機制可以優化系統性能，并通過調節電流輸出或調節風扇速度來防止過熱。然而，這些自動調整的準確性取決于溫度傳感器的質量和精度。傳感器放置不當可能會導致溫度讀數不準確，從而導致系統響應無效。因此，必須仔細考慮熱傳感器的放置位置，以確保溫度監測和控制的準確性和可靠性。

　　環境因素

　　電動汽車充電站經常部署在室外環境中，受不同天氣條件的影響。因此，設計具有適當通風和防雨和極端溫度等因素的耐候外殼對于保持最佳熱性能至關重要。確保氣流路徑和通風系統的設計能夠防止進水，同時保持氣流暢通，這一點至關重要。

　　在外部因素中，陽光直射產生的太陽能加熱構成了重大挑戰，導致充電器外殼內部環境溫度大幅升高。雖然這是一個合理的擔憂，但最有效的解決方案相對簡單。采用精心設計的遮陽結構，在遮陽和充電單元之間提供足夠的氣流，可有效減輕太陽加熱，從而在充電器外殼內保持較低的環境溫度。

　　圖 4：保護充電器免受陽光直射是一種經濟高效的熱條件管理策略。 (圖片來源：CUI 設備)

　　下一步是什么?

　　近年來，全球范圍內電動汽車的采用量顯著激增，各個技術領域的需求均呈現出持續且顯著的增長。隨著道路上的電動汽車數量持續增加，充電基礎設施預計將同步擴大。充電器的有效運行和效率對于這一新興充電基礎設施的發展至關重要。成本效率也是一個關鍵因素，因為個人和企業將這些充電器集成到他們的家庭和機構中的速度取決于負擔能力。

　　預計電動汽車和充電器的持續增長，我們必須承認基礎技術不斷發展的性質。這需要考慮充電功率和容量方面的潛在進步、不斷發展的軟件和硬件標準，并為不可預見的創新留出空間。這種主動的方法確保熱管理系統能夠適應隨著時間的推移不斷變化的需求。

　　從本質上講，電動汽車充電器與其他密集、高功率電子設備有著相似的熱管理問題。然而，電動汽車充電器中使用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的功率密度，加上對其不斷升級的要求，提出了獨特的挑戰。隨著充電速度和電池容量的不斷提高，有效、安全地開發充電器的必要性變得越來越嚴格，對熱管理設計師和工程師的要求比以往任何時候都更高。

　　CUI Devices 提供全面的熱管理組件以及業界領先的熱設計服務，以支持電動汽車充電生態系統不斷變化的需求。