电动汽车充电热管理解决方案

随着道路上电动车数量的不断增加，充电站的建设正在迅速推进。更快的充电速度已成为充电站开发的关键重点。

运行良好且高效的充电器对于充电基础设施的有效构建至关重要。然而，更快的充电速度也会产生更高的热量，对充电过程的安全性构成挑战。在本文中，深入了解电动汽车充电技术的发展以及在充电过程中冷却系统排热的重要性，同时探讨为您的设计提供的热管理解决方案。

电动车充电的下一代热管理技术

随着电动车成为主要的交通工具，电池续航里程和更快速的充电速度将成为全球经济可持续发展的重要组成部分。这些电动车充电系统的改进需要多个技术领域的突破，其中包括热管理技术。   随着对更快速充电器的需求不断增长，实施方式也出现了多种变化。其中一个显著的变化是向直流（DC）充电器的转变，这可能会令人困惑，因为所有电池系统都运行在直流电。然而，关键区别在于交流电（AC）转直流电（DC）的电力转换发生的地点。在典型的住宅应用中，最常见的方法是使用传统的交流电充电器，用于通信、滤波以及控制交流电流到车辆的流动，随后车载直流充电器将电力整流后给电池充电。而相反的是，直流充电器在传输高压直流电到车辆之前就将电力整流。直流充电器的一大优势是能够通过将电力调节硬件从电动车移至外部结构来消除许多重量和体积的限制。   通过消除重量和体积限制，直流充电器可以轻松集成更多组件，从而提高电流通过率和运行电压。这些充电器采用尖端的半导体器件、滤波器和功率电阻进行电力整流，这些组件都会产生大量热量。虽然滤波器和电阻会贡献显著的热量，但电动车充电系统中热量的主要来源是绝缘栅双极晶体管（IGBT），这是一种在过去几十年中被广泛使用的半导体器件。尽管这种强大的器件为充电领域带来了许多机遇，但对其进行有效冷却仍然是一个重要挑战。   IGBT基本上是场效应晶体管（FET）和双极晶体管（BJT）的结合体，具有耐高压、低导通电阻、快速开关速度和出色的耐热能力，非常适合像电动车充电器这样的高功率应用。由于IGBT在充电线路中用作整流器或逆变器，它们频繁地进行开关操作，从而产生大量热量。目前的热挑战在于IGBT的散热需求在过去三十年间从1.2kW增加到超过12.5kW，增长了十倍以上，并且预计这一需求还将继续上升。   影响IGBT冷却能力有两个因素。首先，IGBT的表面积大约是CPU的两倍。其次，它们可以在更高的温度下运行，其运行温度可达到170°C，而现代CPU通常的运行温度约为105°C。然而，最直接和可靠的热管理解决方案是结合使用散热器和强制通风。   半导体器件（如IGBT）内部的热阻通常非常低，而器件与周围空气之间的热阻则相对较高。增加一个散热器能大幅提高可用于将热量散发到周围空气的表面积，从而降低热阻。此外，通过在散热器表面进行空气流动，还可以进一步提高其效率。该简单冷却系统的优点在于，当正确安装时，被动散热器永远不会失效，而风扇是一种成熟且高度完善的技术，因其可靠性而著称。

冷却系统组件和热监测布置技术

任何冷却系统的核心组成部分之一是通过优化气流及最大限度地散热来合理布置组件。组件之间的间距不足可能会限制气流并限制可用散热器的尺寸。因此，应将关键的发热组件战略性地布置于系统中，以实现有效的整体冷却。   虽然合理布置发热组件非常重要，但温度传感器的放置同样至关重要。在大型系统中，例如直流电动汽车充电器，一个用于实时监控温度水平的控制系统可以实现主动的热管理。根据温度读数自动调整冷却机制，可以优化性能并通过限制电流输出或调整风扇转速来防止过热。然而，这些自动调整依赖于输入数据的质量。如果温度传感器放置不正确，系统的响应也会相应失准。   电动汽车充电站通常安装在室外，暴露于各种环境条件下。设计具备防风雨功能的外壳并提供足够的通风以承受雨水和极端温度，对于保持最佳的热条件至关重要。气流路径和通风口的设计必须能够防止水的渗入，同时不限制气流的流通。   最令人担忧的外部因素之一是阳光照射充电器外壳所产生的太阳热量，这会显著增加内部温度。尽管这是一个值得关注的问题，但最有效的解决方案通常涉及简单而直接的方法。使用精心设计的遮阳装置，并确保遮阳装置与充电设备之间有足够的气流，可以显著降低充电器周围的环境温度。

具有多功能选项和自定义功能的直流风扇和离心风机

Same Sky 提供多种多样的直流风扇和离心风机，以满足各种散热需求。他们的产品系列包括轴流风扇和离心风机，框架尺寸范围为20至172毫米，气流从0.33到382 CFM。这些 Same Sky 的直流风扇标配自动重启保护功能，并采用滚珠轴承、含油轴承或 Same Sky 先进的 omniCOOL™ 系统结构。此外，它们还提供多种选项和定制功能，是应用中理想的强制空气冷却散热解决方案。   Same Sky 的直流轴流风扇额定电压为5、12、24 和48 Vdc，并提供转速监测信号、旋转检测器和PWM控制信号等选项。其转速可高达25000 RPM，并有IP68防护等级的型号，适用于严苛环境。   Same Sky 提供的离心风机框架尺寸范围为35至120毫米。这些风机采用滚珠轴承、含油轴承或 omniCOOL™ 系统结构，额定电压为5、12 和24 Vdc。它们配备自动重启保护功能，气流范围为0.57至44.2 CFM，具有高达20000 RPM 的多种转速选项，适用于高背压应用。

适用于自然对流或强制空气冷却系统的最佳散热器

同空（Same Sky）提供多种适用于板级和球栅阵列（BGA）设计的散热器产品。他们的铝制和铜制散热器兼容TO-218、TO-220、TO-252和TO-263晶体管封装类型，以及BGA封装类型。这些散热器在四种条件下测量热阻，方便用户轻松选择适用于自然对流或强制风冷系统的最佳散热器。   同空的散热器类型包括BGA散热器和板级散热器。他们的BGA散热器与BGA设备兼容，由铝或者铜制成，可选黑色阳极氧化处理或洁净外观，并提供粘合式或PCB安装选项。同空的BGA散热器支持从8.5 x 8.5 mm到69.7 x 69.7 mm的多种尺寸，高度范围为5到25 mm。在四种热阻条件下测量，同空的BGA散热器功率耗散范围为75°C时的1.92到21.74 W。   同空的板级散热器采用多种标准挤压和冲压工艺设计，兼容TO-218、TO-220、TO-252和TO-263晶体管封装类型。这些散热器由铝或铜制成，可选黑色阳极氧化、蓝色阳极氧化或镀锡外观材料处理。它们支持从8 mm到70 mm的多种标准形状和尺寸，以及从4 mm到45 mm的型材。   同空的板级散热器进一步分类为挤压散热器和冲压散热器。同空的挤压散热器采用铝制翅片结构，具有较大的表面积以提高高功率应用中的散热性能。在四种热阻条件下测量，这些挤压散热器功率耗散范围为75°C时的1.93到16.7 W。同空的挤压散热器由铝制成，具有黑色或蓝色阳极氧化处理，兼容TO-218和TO-220晶体管封装类型。   同空的冲压散热器由铝或铜制成，具有黑色阳极氧化或镀锡材料处理，非常适合低功率PCB冷却应用。这些冲压散热器支持多种晶体管封装，尺寸范围为宽度8到50.8 mm，高度为4到25.4 mm。在四种热阻条件下测量时，这些散热器功率耗散范围为75°C时的2.1到10.29 W。

结论

随着电动汽车和充电器数量的不断增加，其所依赖的技术也将持续发展和改进。考虑到充电功率和容量可能的增长，确保热管理系统能够随着时间的推移适应不断变化的需求至关重要。电动汽车充电器中IGBT功率密度的快速增长为热管理带来了独特的挑战。为了有效且安全地制造这些充电器，其要求将变得越来越严格，对热管理的需求也会比以往更加苛刻。同天公司（Same Sky）提供多样化的热管理组件以及业界领先的热设计服务，可随时协助客户满足其需求！