充电桩散热

发布网友 发布时间：2024-06-06 14:01

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热心网友 时间：2024-07-04 13:41

直流充电桩融合了电力电子技术、嵌入式技术和IoT技术。最大的难点是电力电子技术。在充电桩领域的电力电子技术是整流器技术。整流器的功率大小，从20世纪90年代的3kW发展现在的20kW-60kW，进步很快，但是，主流的电路拓扑仍然是三相维也纳（PFC）、LLC或移相全桥（DC/DC）。整流器技术在20世纪90年代主要应用是通信电源，输出电压范围很窄，42V-56V；应用在直流充电桩上，输出电压范围很宽，200V-1000V。通过变压器副边串联或并联的方式实现宽电压范围，这些年来在这方面有一些创新。由于充电桩的使用环境非常苛刻，工业界也一直在寻求散热方式的突破。强制风冷、独立风道、液冷、自然冷却等四种散热方式都用在了不同类型的直流充电桩上。

强制风冷是指通过风扇来强制循环空气的散热方式。风扇直接对着“热源器件”（如MOS管、变压器、电感、电解电容等）吹风或者抽风，以强排风的方式将热量带走。像MOS管这种热源器件，需要将MOS紧贴散热器，将MOS管的热量分散开来，因为MOS管的体积很小，热量很集中，累积得很快。散热器大一些，风扇的转速就可以小一些。

强制风冷散热方式是室内使用的开关电源类产品最常见的散热方式，如服务器电脑、台式电脑电源。和自然冷却相比，强制风冷散热更快、效率更高。强制风冷的缺点是：防护等级低，噪音大。

在强制风冷的方式中，一种特别的设计便是利用强制风扇和热管一同进行散热，这种设计方式在大功率电子产品（比如笔记本电脑、高性能台式电脑等）中尤为常见。利用热管的原理是通过热管内部的液体蒸发和冷凝的方式来完成热量的传递。具体而言，热管内部有一个低位和一个高位，低位紧贴在热源上，高位则连接风扇较高的位置。热源上的高温使得热管内部的液体蒸发，而蒸汽则会由低位的地方流向高位，流动到高处后，由于风扇的帮助，蒸汽会快速地冷凝成液体，热量转移完成。利用热管的方式，能够在不增加太多空间的情况下解决散热问题，同时也不影响产品性能和外观的美观。但是这种散热方式并没有在充电模块领域获得应用。

强制风冷的开关电源，讲究的是风道的设计，如图1所示是能效电气的40kW充电模块的内部和整体照片。现在的充电模块多是采用两个单板对扣的方式，共用80风扇，三个80风扇将大约1600W的热量带走。仅靠仿真是无法准确得知每个发热元器件在不同环境温度下的温升。在温度控制策略确定之前，需要上百个温度采集探讨来测量各种发热元器件的温升；但是实际产品中，温度探头不可能有这么多。实际产品中可能采用4-8个温度探头。根据上百个仪器测量出来的温度来归纳到几个温度探头的温度采集结果，抽象出温度控制算法。  

图1

充电模块本身的防护等级只有IP32，但是，户外充电桩的防护等级最低要求是IP54。利用充电模块做成IP54的整桩，需要在模块外部进行结构设计。为了实现IP5X，在风道的入口和出口要有防尘棉; 为了实现IPX4，在风道的入口和出口要有45度角的百叶窗。这样一来，风道的阻力加大，就需要在模块的外结构上增加额外的风扇来增加压差。做成IP54的防护等级并不难，难的是适应户外恶劣环境的长期可靠性。本文最后一节将深入说明IP54和IP65。

独立风道可能不是一个学术名词，曾经也不是一个约定俗成的圈内用语，但是由于能效电气的使用，“独立风道”已作为一种约定俗成的散热方式，写进了车企产品的SOR中。

独立风道表示将PCBA完全密封，热源器件产生的热量以传导的方式传导到散热器的齿片上，风扇只是对散热器齿片吹风或者抽风就能将密封部分产生的热量带走。采用这种散热方式，热量被大面积的散热片均匀分散开了，常温下，风扇以很低的转速（4000转）就能将热量排走，所以噪音可以很小。常温下的噪音可以控制在45分贝以内。由于PCBA是被密封的，IP6X的“绝尘”是可以保证的。低噪音、高防护，是独立风道设计的两大优势。

基于独立风道的直流充电桩里面的充电模块PCBA、充电控制器、充电桩辅助电源、计量单元、绝缘检测单元等都可以做成板级的，高度集成化地设计为一体，也就是说压铸型散热器里面的部分不仅仅是充电模块。如图2是业内享有盛誉的能效电气20kW独立风道充电桩里面的“充电模块”。充电模块的底壳是压铸铝，底壳的四周有沟槽，沟槽里面有密封圈，上面用钣金件锁螺丝的方式实现密封。这样的密封方式和车载产品是一样的，理论上是可以做成到IP67的防护等级，但是，由于体积太大，面盖上要锁14颗螺丝，做成IP67对生产一致性要求很高。因此，我们说，这是一种基于车规级的设计。

图2 能效电气20kW、基于独立风道的一体式充电模块，内置辅助电源、计量单元、绝缘检测单元

虽然基于独立风道的一体式充电模块已集成了诸多充电桩功能单元，但是如果要做成整桩，风扇组件、灯语和急停按键这三个包括了电子电路的功能单元还是得放在一体式充电模块外面。风扇组件、灯语组件和急停按键都要选择IP65以上防护等级的元器件，结构设计上也要确保做到IP65以上，同时，充电模块和这些功能单元之间的连接线束的端接部分也要使用防水端子。如图2的右图所示，有三组带有防水端子的线束连接充电模块外部的风扇组件、灯语组件和急停按键。

能效电气出品了一系列基于独立风道技术的小功率直流产品。独立风道技术已成为高端直流充电产品的标志。

图3 蔚来汽车7/11/20kW，小鹏汽车20kW直流桩

液冷散热方式的PCBA工艺和独立风道类似，也是将PCBA完全密封，也是通过沟槽和密封圈的方式密封整个压铸体，不同的是，液冷散热方式的热量传导给压铸体下面后，通过水管里面液体的流动将热量带走。PCBA的下方埋了水道，有进水口和出水口。热量被液体的流动带走，但是最终是怎么散出去的呢？电动汽车里面的车载充电机，电机控制器等组件多是液冷散热方式，这些组件做得很小，热处理部分和车上的其它部分共用了。热量最终还是要靠散热器分散，要靠风扇的压差带走。

图4 液冷散热方式的6.6kW OBC组件

图4所示为液冷散热方式的6.6kW OBC组件。和相同功率的基于独立风道的直流充电桩相比较，体积显得小很多。如前所述，这个OBC组件没有包括热处理部分，就是说没有完整的基于独立风道的充电模块的散热齿片，风扇。完整的液冷系统除了图示的组件，还包括水泵、水箱、液体、散热器、风扇等。我们认为，对于小功率直流产品，20kW采用独立风道的方案更佳。

自然冷却是利用金属材料的高导热性带走热量，并将热量散发到空气中的冷却方式，利用出风口、入风口之间的自然对流来完成。在没有特定风速要求的情况下自然对流，使用的散热片是铜铝板材、铝挤压件、热管、机加工或合金铸件。由于自然散热主要利用的是自然气流，因此散热的面积和布局就需要在产品设计中提前规划好，否则会导致散热不够或者不均匀的问题。

自然冷却方式能带走的热量是有限的。为了能带走更多的热量，散热器的体积就要更大，相应地，重量也更重。对于家用的7kW小功率直流充电桩来说，在去OBC之后，终极方案就是自然冷却。    

防护等级以IP后跟随两个数字来表述，数字用来明确防护的等级。IP（INGRESS PROTECTION）防护等级系统是由IEC（INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION）所起草，将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级(这里所指的外物含工具，人的手指等均不可接触到电器之内带电部分，以免触电)，第2个数字表示电器防湿气、防水浸入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。采用强制风冷散热方式的充电桩，其防护等级是IP54或IP55，采用独立风道散热方式的充电桩，其防护等级是IP65或IP66。最常见的是IP54和IP65。

IP5X表示防止外物侵入，不能完全防止尘埃进入设备内部，但是进入的尘埃不会引起设备内部的正常运行和安全。IP6X表示完全防止外物及灰尘侵入。IP6X和IP5X是有本质差别的。

但是，标准的描述是模糊的。具体到第三方机构是怎么认证这个防护等级呢？验证的方法是：IP5X表示直径1mm的金属线不得侵入设备外壳。IP6X表示“尘密、绝尘”，直径1mm的金属线不得侵入设备外壳，并且可完全防止尘埃进入设备内部。检测IP6X时必须抽负压，使壳体内外部形成负压差。

IP5X的第三方检验方法是用下面这种75um直径的筛子筛出滑石粉（如图5所示），然后在一个密闭空间里放置着充电桩，75um的滑石粉“漫天飞舞” 8个小时，静置后，充电桩开机仍然能工作。具体的仪器设备要设计一锥形漏斗，底部有粉尘收集口和抽尘口，在抽尘口处安装高压涡轮循环风机，将抽起来的粉尘送到内箱顶部，粉尘再由顶部垂直自然向下吹尘，当粉尘落在漏斗的侧壁上，再通过震动装置将粉尘回收到吸尘口，从而开始循环周而复始。

图5 国营五四零厂生产的用于筛75um滑石粉的筛子

IPX4表示防溅水，IPX5表示防喷水。具体来说，IPX4表示防止飞溅的水浸入，防止各个方向飞溅而来的水侵入电器而造成损坏。IPX5表示防止喷射的水浸入，防持续至少3分钟的低压喷水。IPX7表示防止浸水时水的浸入，在深达1米的水中防30分钟的浸泡影响。IPX7和IPX5、IPX4是有本质区别的。

IPX4采用各喷水孔以0.07 升/分钟的水量从垂直方向至两侧180度角淋水10分钟; IPX5使用直径 6.3mm 的喷水管，以12.5 升/分钟的水量在 2.5 〜 3m处喷水 3 分钟以上，如图6示意。

图6 IPX4和IPX5的检测

据了解，第三方的IPX4检测如图6所示：将待测物放置在圆台上，顶部的摆管来回摇摆，同时朝下方淋水。

图6 IPX4第三方检测

在一个没有防护的充电桩里面洒满75um的滑石粉，开机也能工作; 即使防尘棉上布满灰尘，风道堵塞了，开机也会工作一阵子之后才会过温保护。只要设计了45度角的百叶窗，水是淋不到机器内部的。IP54的第三方检测是容易通过的，但是，通过了IP54检验的充电桩其实根本无法忍受“斜风急雨”的长期侵蚀。斜风急雨裹挟着潮湿的絮状物，粘在风道入口的防尘棉上，很容易堵死风道。潮气长期存在，高压强电的安规距离下降。如果不能做到在每次斜风急雨之后立即清理风道，IP54等级充电桩的使用寿命大大下降。采用IP54的户外充电桩，内部的充电模块在半年后往往就是下面这个样子了，如图7所示。内部的灰尘，看上去已不堪入目。实物看上去后常有不适感。

图7  使用了一段时间之后的充电模块

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