虽然电动汽车与燃油汽车一样均早已存在多年，但它们只是在过去几年才成为主流。随着电动汽车成为主要的交通工具，电池续航里程和更快的充电速度将成为世界经济正常运转的关键要素。这些电动汽车充电系统的改进需要多个领域的技术进步，其中便包括热管理解决方案。本文将为您介绍电动汽车的热管理需求与发展，以及由Same Sky推出的热管理解决方案。
交流和直流电动汽车充电器的区别
随着电动汽车技术的显着进步和政府的大力支持，电动汽车的需求增长一直呈直线上升趋势。不过，想要增进消费者对电动汽车的接受度，电动车的续航里程与充电速度，将成为消费者选购电动汽车的重要考虑因素。
随着人们对更快充电器的需求日益增长，充电方式也发生了一些或大或小的改变。其中一个变化是转向直流充电器，由于所有电池系统都使用直流电，因此直流充电器可能是一个令人困惑的术语。然而，这些系统的重要区别在于，交流电到直流电的整流发生在不同的位置。典型的交流充电器，通常用于住宅应用，它就像一个多功能的连接器，负责通信、滤波和控制流向车辆的交流电，然后由车载直流充电器对电能进行整流并为电池充电。相比之下，直流充电器则是在将电能作为高压直流电源传输到车辆之前进行整流。直流充电器最大的优势在于，通过将电源调节硬件从电动汽车移到外部结构中，可以消除许多重量和尺寸限制。
由于重量和尺寸限制的消除，直流充电器可以轻松集成更多元器件，从而提高其电流吞吐量和工作电压。这些充电器采用尖端半导体器件进行整流，并采用滤波器和功率电阻器，所有这些元器件都会产生大量热量。虽然滤波器和电阻器是不可忽略的热量来源，但电动汽车充电系统中最大的散热元器件是绝缘栅双极晶体管（IGBT），这是一种在过去几十年中得到广泛应用的半导体器件。这种强大的器件为充电领域带来了许多机遇，但如何充分冷却它也是一个不容忽视的问题。
发热源和散热系统的设计挑战
IGBT本质上是场效应晶体管（FET）和双极结型晶体管（BJT）的结合体。由于IGBT耐高压、导通电阻低、开关速度快以及优异的热稳定性，它非常适合电动汽车充电器等大功率应用。由于IGBT在这些电动汽车充电电路中用作整流器或逆变器，它们频繁开关，产生大量热量。
如今面临的散热挑战是IGBT的散热量增加了十倍以上，从三十年前的1.2 kW增加到今天的12.5 kW，并且预计还会继续增加。相比之下，当今最高功率CPU的散热量约为0.18 kW，或仅为7 kW/cm2。这真是天壤之别！有两个因素有助于IGBT的冷却，一是其表面积大约是CPU的两倍，二是它们可以在高达170℃的温度下工作，而现代CPU的工作温度仅为105℃。
最直接可靠的热管理解决方案是采用散热器和强制风冷的组合。IGBT等半导体器件内部的热阻通常极低，而器件与周围空气之间的热阻则相对较高。添加散热器可以大大增加散热面积，从而降低热阻；而使空气在散热器上方流动，则可以进一步提高散热器的效率。由于器件与空气之间的界面是系统中最大的热阻，因此尽可能降低热阻至关重要。这种简单系统的优势在于，如果安装得当，被动散热器永远不会出现故障；而风扇作为一种成熟且高度精炼的技术，也非常可靠。
对于IGBT等高密度热源，也有液体冷却选项。水冷系统可能更具吸引力，因为它们的热阻最低。然而，水冷系统更昂贵、更复杂，而且尽管如此，它仍然使用散热器和风扇作为整个系统散热的主要方式。因此，使用散热器和风扇直接冷却IGBT是更理想的方法，目前人们正在积极研究改进IGBT的风冷技术。
元器件、热监控布局与环境考虑要素
任何冷却系统有效性的关键在于元器件的布局，以优化气流并最大程度地分配热量，元器件之间空间不足会限制气流和可用的散热器尺寸。因此，任何关键的发热元器件都应在整个系统中进行合理的布局，以促进整体高效冷却。
虽然在放置单个发热元器件时必须格外小心，但热传感器的放置也同样重要。在像直流电动汽车充电器这样大型的系统中，实时监控温度的控制系统可以实现主动热管理。基于温度读数的冷却机制自动调整可以通过限制电流输出或调整风扇转速来优化性能并防止过热。然而，这些自动调整取决于输入数据的质量。如果温度传感器由于放置不当而导致测量不准确，那么系统的响应也会相应不准确。
另一方面，由于电动汽车充电站通常安装在室外，暴露在各种不同的环境条件下，因此设计需要具有良好通风条件，并能抵御雨水和极端温度等因素的防风雨外壳，对于保持最佳热环境至关重要。此外，气流路径和通风口的设计必须能够防止水渗入，同时又不影响气流。
最令人担忧的外部因素是阳光照射充电器外壳产生的热量，这会显着升高内部环境温度。虽然这是一个合理的担忧，但最有效的解决方案却很简单，只要采用精心设计的遮阳装置，并在遮阳装置和充电装置之间保持充足的气流，这将显着降低充电器的环境温度。
电动汽车和充电桩对热管理的要求日渐增高
过去几年，全球电动汽车的普及率令人瞩目，需求持续飞速增长，随着越来越多的电动汽车上路，这些充电桩的部署也将随之激增，功能完善、高效的充电桩对于正在积极构建的充电基础设施至关重要。此外，它们也需要具备成本效益，因为成本是个人和企业将这些充电桩融入家庭和企业的速度中不可忽视的一个因素。
人们不仅期待电动汽车和充电桩的数量持续增长，还期待它们所依赖的技术也不断发展和改进。考虑到充电功率和容量的潜在增长、软件和硬件标准的不断变化，以及为全新的、意料之外的变化留出足够的空间，热管理系统能够适应不断变化的需求。
从最根本的层面来说，电动汽车充电器与其他高密度、高功率电子设备一样，都面临着相同的热管理问题。然而，其中使用的IGBT的功率密度以及对其快速增长的需求，使这一挑战变得更加复杂。随着充电速度和电池容量的飞速增长，高效安全地制造这些充电器的要求将变得越来越严格，对热管理设计师和工程师的要求也比以往任何时候都更高。
高质量的散热器与风扇提升电动汽车的热管理效率
为提升电动汽车的热管理效率，Same Sky为电动汽车充电应用设计了客制尺寸最大可达950 x 350 x 75 mm的散热器，这些散热器足够大，可以被动地处理要求较低的充电需求，也可以主动地通过强制风冷处理要求更高的充电需求。
Same Sky还提供一系列的直流风扇，包括各种轴流风扇和离心式鼓风机，其机座尺寸从20 mm到172 mm，风量从0.33到382立方英尺／分钟（CFM）。Same Sky的直流风扇标配自动重启保护功能，并采用滚珠轴承、滑动轴承或Same Sky先进的omniCOOL™系统结构。凭借丰富的选配和定制方案，Same Sky的直流风扇是电动汽车应用中散热的理想强制风冷解决方案。此外，Same Sky还提供多款IP68防护等级的防水轴流风扇型号，适用于恶劣环境。
Same Sky的直流轴流风扇的额定电压为5、12、24和48 Vdc，提供转速表信号、转速检测器和PWM控制选项，额定转速高达25000 RPM。另一方面，Same Sky的离心式鼓风机机架尺寸则从35 mm到120 mm，额定电压为5、12和24 Vdc，风量范围为0.57至44.2 CFM，并提供多种转速选择，最高可达20,000 RPM，这些鼓风机是高背压应用的理想之选。您可到以下的网址：https://www.arrow.com/zh-cn/manufacturers/cui-devices/thermal-management/fans/blowers-and-fans，来选购Same Sky全系列交流风扇和直流风扇。
热设计服务将散热难题转化为卓越性能
Same Sky除了提供丰富的热管理元器件之外，还提供行业领先的热设计服务，借助Same Sky专业的热管理团队，将散热难题转化为卓越性能。当今的电子设备因其日益紧凑的设计、高功率密度，以及对性能提升的需求而面临着严峻的散热挑战。Same Sky业界领先的热设计服务，采用先进的仿真工具和数十年的专业知识，能够识别潜在的热点、优化气流并根据客户的特定需求设计高效的冷却系统。
在热模拟方面，Same Sky提供先进的计算流体力学（CFD）建模和分析服务，释放热模拟的强大功能，可以准确预测和优化您系统中的气流、温度分布和传热。此外，由于每种设计都有独特的散热需求，因此，除了标准的热管理产品外，Same Sky还具备制造能力，可以设计定制的热管理解决方案，包括产品定制和集成，并将其无缝集成到您的设备中。
另一方面，Same Sky也提供热管理咨询服务，可最大程度地提升您的热管理策略的有效性。从PCB建模和优化，到提供系统、外壳和底盘设计方面的专业知识，Same Sky始终致力于帮助您的设备发挥最佳性能。此外，Same Sky还可协助提供热测试与验证服务，可确保您的热设计的准确性和可靠性。通过实际测试验证模拟结果，Same Sky可以帮助您对设备的热性能充满信心，并识别和解决任何潜在的差异。
结语
随着电动汽车快速普及与充电技术的不断升级，热管理已成为影响充电效率、安全性与电池寿命的关键因素。未来的充电热管理解决方案将不仅限于单一散热方式，而是结合散热器、智能温控系统与AI预测分析等多元技术，以应对高功率快充所带来的热挑战。唯有建立高效、智能且可持续的热管理机制，才能真正释放下一代电动汽车充电系统的潜能，加速绿色出行的全面实现。Same Sky可同时提供热管理元器件与热设计服务，将能够协助客户快速开发电动汽车热管理解决方案，抢占电动汽车相关产业的发展机遇。