交流电和直流电在电动汽车充电中的应用

电动汽车（EV）与燃油汽车一样历史悠久，但直到近期才成为主流。随着电动汽车技术的重大进步和政府的大力支持，电动汽车的需求也在日益激增。欧盟2035年禁止使用内燃汽车，以及2025年每60公里设置一个快速充电站的强制规定，进一步凸显了这一需求激增的趋势。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将成为全球经济运行的关键。要增强这些电动汽车充电系统，就需要在各个领域实现技术进步，特别是在热管理方面。

PART.01交流电/直流电在电动汽车充电中的应用

随着对更快充电器需求的不断增长，设计方法也发生了或大或小的变化。其中一个显著的变化是转向直流充电器。尽管所有电池系统都使用直流电，然而，这些系统的主要区别在于，电源从交流到直流的整流发生在不同的地方。传统的交流充电器通常用于住宅环境，用于车辆通信、过滤并控制交流电的流动，随后由车载直流充电桩将电能转换为直流电并为电池充电。相比之下，直流充电器在向车辆提供高压直流电之前，会在外部执行整流过程。直流充电器的主要优势在于，通过将电源调节硬件移至电动汽车外部，消除了许多重量和尺寸限制。

通过消除重量和尺寸限制，直流充电器可集成更多元器件，以提高电流吞吐量和工作电压。这些充电器使用先进的半导体器件进行电源整流，同时还会使用滤波器和功率电阻，所有这些过程都会产生大量热量。虽然滤波器和电阻会产生热量，但电动汽车充电系统中的主要热源则是绝缘栅双极晶体管（IGBT），这是一种在过去几十年中日益普及的半导体器件。虽然这种功能强大的器件为充电领域创造了诸多机遇，但充分冷却它仍然是一个不可忽视的问题。

IGBT结合了场效应晶体管（FET）和双极性结型晶体管（BJT）的特点。它能够承受高电压、低导通电阻、快速开关速度和出色的热稳定性，因此非常适合电动汽车充电器等大功率应用。IGBT在这些充电电路中用作整流器或逆变器，因此它们将频繁地开关，并产生大量热量。

当前面临的热管理挑战是IGBT的散热量大幅增加，从三十年前的1.2千瓦增加到现在的12.5千瓦，增加了十多倍，预计还会进一步增加。图2显示了单位表面积功率的增长情况。相比之下，当今高功率的CPU功率仅为0.18kW左右，即7kW/cm2，差异显著。

有两个因素有助于冷却IGBT：一是IGBT的表面积大约为CPU的两倍，另一个是它的工作温度可高达170°C，而现代CPU的工作温度为105°C。

不过，直接可靠的热管理解决方案还是将散热器与强制通风相结合。虽然IGBT等半导体器件内部的热阻通常很低，但器件与周围空气之间的热阻却高得多。为球栅阵列（BGA）添加散热器可大大增加可用的散热表面积，从而降低热阻。

通过在散热器上流动空气可进一步提升散热效果。降低系统中极大的热阻（即器件与空气介面处的热阻）至关重要。无源散热器如果安装得当，是不会出问题，而风扇作为成熟可靠的技术，可进一步提升散热效率。Same Sky已为电动汽车充电应用设计了尺寸达950mm x 350mm x 75mm的散热器。这些散热器可满足低负载需求时的被动散热，也可以通过强制空气流通实现高负载需求时的主动散热。如需更多信息，请了解Same Sky的完整交流风扇和直流风扇产品系列。

液冷方案也可用于冷却IGBT等高密度热源。水冷系统可实现极低热阻，因此很有吸引力。不过，水冷系统的成本和复杂性较高，而且仍然依赖于散热器和风扇来带走整个系统的热量。因此，使用散热器和风扇直接冷却IGBT仍是首选方法。目前研究的重点是提高IGBT的空气冷却技术。

PART.02外部及环境因素

电动汽车充电站常安装在户外，暴露在各种环境条件下。设计具有适当通风和保护功能的全天候外壳，以防止雨水和极端温度等因素的侵袭，对于保持极佳的散热条件至关重要。必须精心设计气流路径和通风口，以防止进水并确保充足的气流通过。

此外，还需考虑的一个外部因素是太阳热辐射，它可显著提升充电柜内部环境温度。虽然这是一个合理的担忧，但非常有效的解决方案常常是采用简单又直接的方式：通过合理设计遮阳结构并确保遮阳层与充电单元之间有充足的气流，可显著降低充电设备周围的环境温度。

PART.03前瞻性思考

近年来，电动汽车在全球范围内的应用呈现爆发式增长，各类技术的需求也持续快速攀升。随着电动汽车在道路上的普及，充电站的数量也将随之激增。高效且功能完善的充电设备对于发展强大的充电基础设施至关重要。此外，成本效益也将在个人和企业采用电动汽车的过程中发挥重要作用。

随着电动汽车和充电器数量的增加，底层技术也将不断发展和完善。这包括充电功率和容量的潜在提升、软件和硬件标准的不断发展，以及对不可预见创新的适应性。确保热管理系统能够适应这些不断变化的需求至关重要。

电动汽车充电器面临着与其他大功率电子设备类似的热管理问题。然而，这些充电器中使用的IGBT具有高功率密度，加上不断提升的性能要求，带来了独特的挑战。随着充电速度和电池容量的不断提高，有效且安全的充电器设计将变得更加重要，这对热管理工程师和设计师提出了更高的要求。为此，Same Sky提供了全面的热管理元件和出色的热设计服务，以满足这些不断演进的需求。