电动汽车 (EV) 的历史与汽油车一样悠久，但直到最近几年才在取代传统汽车方面取得重大进展。我们正在努力使电动汽车尽快成为道路上的主导车辆。欧盟已明确规定在 2035 年之前禁止内燃机车上路，展示了他们在这方面的至真诚意。随着电动汽车技术的重大进步和政府的大力支持，预计电动汽车的需求将会飙升。随着电动汽车成为主要的交通工具，提高电池续航里程和充电速度将对全球经济至关重要。电动汽车充电系统的发展还需要各个领域的技术进步，包括热管理。
交流与直流电动汽车充电器
随着对速度更快的充电器需求的增长，实现方法上发生了一些显著变化。一个重大的变化是转向直流充电器。虽然所有电池系统都采用直流电运行，但关键区别在于从交流电到直流电的电源整流发生的位置。传统的交流充电器通常用于住宅或商业场所，起到连接器的作用，调节和跟踪流向车辆的交流电，然后允许在电动汽车上进行整流。另一方面，直流充电器在固定充电装置外部进行整流，将高压直流电直接输送到车辆。通过将电源调节硬件重新安置到电动汽车外部，这种转变消除了许多重量和尺寸限制，因为充电电路不会移动，也不会成为车辆的组成部分。
图 1：直流充电器速度明显更快，但更复杂且产生更多热量（图片来源：CUI Devices）
消除这些限制后，直流充电器可以变得更加复杂，使用更多更大的组件，从而提高其电流吞吐量和工作电压。然而，这些充电器在处理较大功率时，会产生大量热量。虽然滤波器和电阻器会产生热量，但电动汽车充电系统中的主要散热器是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，这是一种近几十年来越来越多使用的半导体器件。IGBT 的有效冷却对于电动汽车充电系统而言是一个重大挑战。
半导体热发生器和热管理解决方案
IGBT 是场效应晶体管 (FET) 和双极结型晶体管 (BJT) 的混合体，在电动汽车充电器等大功率应用中备受青睐。IGBT 的结构使其能够承受高电压，同时仍具有低导通电阻、快速开关速度和卓越的耐热性。但是，虽然它们可以承受 170 摄氏度的高温（大多数现代计算机中央处理单元 (CPU) 只能承受 105 摄氏度），但如果没有适当的冷却处理，它们仍然很容易超过 170 摄氏度。它们在大多数充电电路中的使用涉及频繁的 IGBT 切换，这会产生相当大的热量。事实上，当前的热挑战源于 IGBT 的散热量呈指数级增长，从三十年前的 1.2 kW 增加到今天的 12.5 kW，预计还会进一步升高。正如您在此图中所看到的，每平方厘米表面的功率增加是巨大的，与现代 CPU 的相对较低的功率 .18 kW 或每平方厘米仅 7 kW 相比，这可能是最好的。
图 2：IGBT 的功率密度突飞猛进（图片来源：CUI Devices）
IGBT的有效冷却得益于两个因素：它们更大的表面积和它们在更高温度下运行的能力。这种更大的表面积使它们更适合于最可靠的热管理解决方案之一 - 散热器和强制空气的组合。散热器显著降低了IGBT与环境空气之间的热阻，而与自然对流相比，风扇提供的强制空气进一步降低了热阻。在某些情况下，可以考虑液体冷却，虽然液体冷却选项可以实现更低的热阻，但其更高的成本和复杂性使得使用散热器和风扇直接冷却成为更理想的方法。热工程师所做的大多数积极研究都集中在改进 IGBT 的空气冷却技术上。事实上，CUI Devices 已经开发出了尺寸高达 950x350x75 mm 的散热器，专为解决电动汽车充电应用的热挑战而设计。
图 3：散热器和风扇是 IGBT 的有效热管理解决方案（图片来源：CUI Devices）
组件和热监控布置
高效的冷却系统依赖于战略性地放置组件，以优化气流并最大限度地提高热量分布。组件之间的间距不足会限制气流并限制可以使用的散热器的尺寸。因此，关键发热组件应战略性地放置在系统内，以促进有效的整体冷却。虽然关注主要发热组件很重要，但分析中应包括整个系统，特别是很多支持性半导体器件无法像 IGBT 那样在极端高温下工作。
同样，热传感器的放置对于有效的热管理至关重要。在直流电动汽车充电器等大型系统中，强烈建议进行实时温度监测，因为它可以实现主动热管理。冷却机制（如风扇速度）的自动调整，甚至限制充电器的输出，都是基于优化性能、防止过热的温度读数。然而，这些调整的准确性取决于正确放置的温度传感器的输入数据的质量。
外部因素和环境注意事项
便携式电动汽车充电站通常安装在室外，因此必须设计为能够适应各种环境条件。防风雨外壳具有足够的通风，可以优化冷却效果，同时仍能抵御雨水和极端温度等因素，这对于保护充电站免受不理想的热环境的影响至关重要。另一个需要考虑的因素是阳光照射充电器外壳产生的太阳热。这是一个严重的问题，因为它会显著提高内部环境温度。幸运的是，有效的遮阳以及遮阳装置和充电装置之间可实现充足的空气流动，可以显著降低充电器的环境温度，这是一种相对简单的解决问题的方法。
图 4：保护充电器免受阳光直射是一种经济有效的温度控制方法（图片来源：CUI Devices）
未来会带来什么
近年来，电动汽车在全球范围内的普及率激增，随着技术的进步，需求也持续上升。随着电动汽车在道路上越来越普遍，随之而来的充电基础设施的激增也是不可避免的。正如过去所表明的那样，提前对基础设施进行适当的投资非常重要，因为将来对这些基础设施进行更新可能会很困难。人们的期望不仅是电动汽车和充电器数量的增长，还有其基础技术的持续改进。考虑到充电功率和容量的潜在增加、软件和硬件标准的不断发展以及无法预见的变化，热管理系统必须适应随时间不断变化的需求。通过合理设计高质量、高效、易于升级且节能的充电器，针对不断成长的电动汽车充电解决方案的解决方案不仅会在今天得到解决，未来几年也不成问题。
电动汽车充电器与其他密集、高功率电子设备一样，存在着基本的热管理问题。IGBT 的高功率密度以及对其日益增长的要求带来了独特的挑战。随着充电速度和电池容量的不断提高，对有效和安全的充电器设计的需求也随之增长，要求电气工程师和热管理工程师都进行创新。CUI Devices 的一系列热管理组件以及行业领先的热设计服务可以帮助您应对这些挑战！
