電動汽車（EV）與燃油汽車一樣歷史悠久，但直到近期才成為主流。隨著電動汽車技術的重大進步和政府的大力支持，電動汽車的需求也在日益激增。歐盟2035年禁止使用內燃汽車，以及2025年每60公里設置一個快速充電站的強制規定，進一步凸顯了這一需求激增的趨勢。隨著電動汽車成為主要的交通方式，電池續航里程和更快的充電速度將成為全球經濟運行的關鍵。要增強這些電動汽車充電系統，就需要在各個領域實現技術進步，特別是在熱管理方面。

PART.01交流電/直流電在電動汽車充電中的應用

隨著對更快充電器需求的不斷增長，設計方法也發生了或大或小的變化。其中一個顯著的變化是轉向直流充電器。盡管所有電池系統都使用直流電，然而，這些系統的主要區別在于，電源從交流到直流的整流發生在不同的地方。傳統的交流充電器通常用于住宅環境，用于車輛通信、過濾并控制交流電的流動，隨后由車載直流充電樁將電能轉換為直流電并為電池充電。相比之下，直流充電器在向車輛提供高壓直流電之前，會在外部執行整流過程。直流充電器的主要優勢在于，通過將電源調節硬件移至電動汽車外部，消除了許多重量和尺寸限制。

通過消除重量和尺寸限制，直流充電器可集成更多元器件，以提高電流吞吐量和工作電壓。這些充電器使用先進的半導體器件進行電源整流，同時還會使用濾波器和功率電阻，所有這些過程都會產生大量熱量。雖然濾波器和電阻會產生熱量，但電動汽車充電系統中的主要熱源則是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），這是一種在過去幾十年中日益普及的半導體器件。雖然這種功能強大的器件為充電領域創造了諸多機遇，但充分冷卻它仍然是一個不可忽視的問題。

IGBT結合了場效應晶體管（FET）和雙極性結型晶體管（BJT）的特點。它能夠承受高電壓、低導通電阻、快速開關速度和出色的熱穩定性，因此非常適合電動汽車充電器等大功率應用。IGBT在這些充電電路中用作整流器或逆變器，因此它們將頻繁地開關，并產生大量熱量。

當前面臨的熱管理挑戰是IGBT的散熱量大幅增加，從三十年前的1.2千瓦增加到現在的12.5千瓦，增加了十多倍，預計還會進一步增加。圖2顯示了單位表面積功率的增長情況。相比之下，當今高功率的CPU功率僅為0.18kW左右，即7kW/cm2，差異顯著。

有兩個因素有助于冷卻IGBT：一是IGBT的表面積大約為CPU的兩倍，另一個是它的工作溫度可高達170°C，而現代CPU的工作溫度為105°C。

不過，直接可靠的熱管理解決方案還是將散熱器與強制通風相結合。雖然IGBT等半導體器件內部的熱阻通常很低，但器件與周圍空氣之間的熱阻卻高得多。為球柵陣列（BGA）添加散熱器可大大增加可用的散熱表面積，從而降低熱阻。

通過在散熱器上流動空氣可進一步提升散熱效果。降低系統中極大的熱阻（即器件與空氣介面處的熱阻）至關重要。無源散熱器如果安裝得當，是不會出問題，而風扇作為成熟可靠的技術，可進一步提升散熱效率。Same Sky已為電動汽車充電應用設計了尺寸達950mm x 350mm x 75mm的散熱器。這些散熱器可滿足低負載需求時的被動散熱，也可以通過強制空氣流通實現高負載需求時的主動散熱。如需更多信息，請了解Same Sky的完整交流風扇和直流風扇產品系列。

液冷方案也可用于冷卻IGBT等高密度熱源。水冷系統可實現極低熱阻，因此很有吸引力。不過，水冷系統的成本和復雜性較高，而且仍然依賴于散熱器和風扇來帶走整個系統的熱量。因此，使用散熱器和風扇直接冷卻IGBT仍是首選方法。目前研究的重點是提高IGBT的空氣冷卻技術。

PART.02外部及環境因素

電動汽車充電站常安裝在戶外，暴露在各種環境條件下。設計具有適當通風和保護功能的全天候外殼，以防止雨水和極端溫度等因素的侵襲，對于保持極佳的散熱條件至關重要。必須精心設計氣流路徑和通風口，以防止進水并確保充足的氣流通過。

此外，還需考慮的一個外部因素是太陽熱輻射，它可顯著提升充電柜內部環境溫度。雖然這是一個合理的擔憂，但非常有效的解決方案常常是采用簡單又直接的方式：通過合理設計遮陽結構并確保遮陽層與充電單元之間有充足的氣流，可顯著降低充電設備周圍的環境溫度。

PART.03前瞻性思考

近年來，電動汽車在全球范圍內的應用呈現爆發式增長，各類技術的需求也持續快速攀升。隨著電動汽車在道路上的普及，充電站的數量也將隨之激增。高效且功能完善的充電設備對于發展強大的充電基礎設施至關重要。此外，成本效益也將在個人和企業采用電動汽車的過程中發揮重要作用。

隨著電動汽車和充電器數量的增加，底層技術也將不斷發展和完善。這包括充電功率和容量的潛在提升、軟件和硬件標準的不斷發展，以及對不可預見創新的適應性。確保熱管理系統能夠適應這些不斷變化的需求至關重要。

電動汽車充電器面臨著與其他大功率電子設備類似的熱管理問題。然而，這些充電器中使用的IGBT具有高功率密度，加上不斷提升的性能要求，帶來了獨特的挑戰。隨著充電速度和電池容量的不斷提高，有效且安全的充電器設計將變得更加重要，這對熱管理工程師和設計師提出了更高的要求。為此，Same Sky提供了全面的熱管理元件和出色的熱設計服務，以滿足這些不斷演進的需求。