作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

　　虽然电动汽车 (EV) 的概念与汽油汽车一样早就存在，但直到最近几年才获得广泛接受。这种受欢迎程度的激增可归因于电动汽车技术的显着进步以及政府的大力支持。例如，欧盟决定到 2035 年禁止内燃机汽车，并强制要求到 2025 年每 60 公里建立一个电动汽车快速充电站，这清楚地证明了预期的需求激增。

　　随着电动汽车成为主要的交通方式，电池续航里程和更快的充电速度等因素将在维持全球经济方面发挥关键作用。电动汽车充电基础设施的增强将需要各个领域的进步，其中热管理是需要技术发展的关键领域。

　　交流和直流电动汽车充电器 – 有什么区别?

　　随着对更快充电解决方案的需求不断增加，方法也发生了增量和变革性的转变。一个显着的变化是越来越多地采用直流充电器——鉴于所有电池系统本质上都使用直流电运行，这一术语最初可能看起来含糊不清。然而，关键的区别在于这些系统中从交流电到直流电的转换发生的位置。

　　通常在住宅环境中遇到的传统交流充电器主要用作复杂的接口，负责通信、过滤和调节流向车辆的交流电源。随后，车内的车载直流充电器对该电力进行整流并为电池充电。相比之下，直流充电器在向车辆供电之前进行整流，将其作为高压直流源传输。

　　直流充电器的主要优点在于，它们能够通过将功率调节组件从电动汽车转移到外部结构来消除与重量和尺寸相关的许多限制。

　　图 1：直流充电器的充电速率显着加快，但复杂性更高且发热量也更大。 (图片来源：CUI Devices)

　　通过摆脱重量和尺寸限制，直流充电器可以无缝地集成附加组件，以提高其电流吞吐量和工作电压。这些充电器利用最先进的半导体器件以及滤波器和功率电阻器来整流电源，所有这些器件在运行过程中都会产生大量热量。虽然滤波器和电阻器对散热的贡献值得注意，但电动汽车充电系统中的主要发热体是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，这是一种近几十年来越来越多采用的半导体器件。这种坚固的组件在充电领域释放了多种可能性，但确保其充分冷却仍然是一个重要问题。

　　应对高温挑战

　　绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 本质上是场效应晶体管 (FET) 和双极结晶体管 (BJT) 之间的混合体。 IGBT 以其承受高电压、最小导通电阻、快速开关速率和出色的热弹性的能力而闻名，在电动汽车充电器等高功率场景中具有最佳效用。

　　在电动汽车充电电路中，IGBT 用作整流器或逆变器，其频繁的开关操作会导致产生大量热量。目前，最重要的热挑战与 IGBT 相关的散热大幅提升有关。在过去的三十年里，散热量猛增了十倍多，从 1.2 kW 增加到 12.5 kW，并且预计还会进一步增加。下面的图 2 以单位表面积的功率说明了这一趋势。

　　从这个角度来看，当代 CPU 的功率水平约为 0.18 kW，相当于适度的 7 kW/cm 2。这种惊人的差异凸显了 IGBT 在高功率应用中面临的巨大热管理障碍。

　　图 2：IGBT 的功率密度取得了显着进步。 (图片来源：CUI 设备)

　　有两个因素在增强 IGBT 的冷却方面发挥着重要作用。首先，IGBT 的表面积大约是 CPU 的两倍。其次，IGBT 可以承受更高的工作温度，最高可达 +170°C，而现代 CPU 通常只能在 +105°C 下工作。

　　管理热条件的最有效方法是结合使用散热器和强制通风。 IGBT等半导体器件通常内部表现出极低的热阻，而器件与周围空气之间的热阻则相对较高。采用散热器大大增加了将热量散发到周围空气中的可用表面积，从而降低了热阻。此外，引导气流流过散热器进一步增强了其功效。鉴于设备-空气界面代表系统中最重要的热阻，将其最小化至关重要。这种简单方法的优点在于无源散热器的可靠性和成熟的技术粉丝。

　　CUI Devices 拥有专门针对电动汽车充电应用的定制散热器，尺寸高达 950x350x75 毫米。这些散热器能够被动处理要求较低的要求，或通过强制通风主动管理要求更高的场景。

　　图 3：利用散热器和风扇是一种高效的 IGBT 热管理解决方案。 (图片来源：CUI 设备)

　　除了空气冷却方法之外，液体冷却还提供了一种用于散热 IGBT 等高功率组件热量的替代方案。水冷系统因其能够实现最低热阻而颇具吸引力。然而，与空气冷却解决方案相比，它们的成本更高，复杂性也更高。还值得注意的是，即使在水冷设置中，散热器和风扇仍然是系统有效散热的重要组件。

　　考虑到相关成本和复杂性，使用散热器和风扇直接冷却 IGBT 仍然是首选方法。持续的研究工作重点是增强专为 IGBT 应用量身定制的空气冷却技术。这项积极的研究旨在优化散热，同时最大限度地降低与液体冷却方法相关的成本和系统复杂性。

　　热系统设计考虑因素

　　任何冷却系统的有效性在很大程度上取决于组件的战略布局，以优化气流并增强热量分布。组件之间的间距不足会阻碍气流并限制可使用的散热器的尺寸。因此，在整个系统中战略性地放置关键发热组件以促进高效冷却至关重要。

　　除了元件放置之外，热传感器的放置也同样重要。在直流电动汽车充电器等大型系统中，控制系统促进的实时温度监测在主动热管理中发挥着至关重要的作用。根据温度读数自动调节冷却机制可以优化系统性能，并通过调节电流输出或调节风扇速度来防止过热。然而，这些自动调整的准确性取决于温度传感器的质量和精度。传感器放置不当可能会导致温度读数不准确，从而导致系统响应无效。因此，必须仔细考虑热传感器的放置位置，以确保温度监测和控制的准确性和可靠性。

　　环境因素

　　电动汽车充电站经常部署在室外环境中，受不同天气条件的影响。因此，设计具有适当通风和防雨和极端温度等因素的耐候外壳对于保持最佳热性能至关重要。确保气流路径和通风系统的设计能够防止进水，同时保持气流畅通，这一点至关重要。

　　在外部因素中，阳光直射产生的太阳能加热构成了重大挑战，导致充电器外壳内部环境温度大幅升高。虽然这是一个合理的担忧，但最有效的解决方案相对简单。采用精心设计的遮阳结构，在遮阳和充电单元之间提供足够的气流，可有效减轻太阳加热，从而在充电器外壳内保持较低的环境温度。

　　图 4：保护充电器免受阳光直射是一种经济高效的热条件管理策略。 (图片来源：CUI 设备)

　　下一步是什么?

　　近年来，全球范围内电动汽车的采用量显着激增，各个技术领域的需求均呈现出持续且显着的增长。随着道路上的电动汽车数量持续增加，充电基础设施预计将同步扩大。充电器的有效运行和效率对于这一新兴充电基础设施的发展至关重要。成本效率也是一个关键因素，因为个人和企业将这些充电器集成到他们的家庭和机构中的速度取决于负担能力。

　　预计电动汽车和充电器的持续增长，我们必须承认基础技术不断发展的性质。这需要考虑充电功率和容量方面的潜在进步、不断发展的软件和硬件标准，并为不可预见的创新留出空间。这种主动的方法确保热管理系统能够适应随着时间的推移不断变化的需求。

　　从本质上讲，电动汽车充电器与其他密集、高功率电子设备有着相似的热管理问题。然而，电动汽车充电器中使用的绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的功率密度，加上对其不断升级的要求，提出了独特的挑战。随着充电速度和电池容量的不断提高，有效、安全地开发充电器的必要性变得越来越严格，对热管理设计师和工程师的要求比以往任何时候都更高。

　　CUI Devices 提供全面的热管理组件以及业界领先的热设计服务，以支持电动汽车充电生态系统不断变化的需求。