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EV電動車充電樁散熱分析與對策
EV charger station CFD simulation and thermal simulation
EV電動車充電樁散熱分析與對策摘要
此影片分析了有和沒有液冷冷卻回路的連接器的 Simcenter FloEFD熱流分析結果
精選本文目錄:
- 充電樁的原理與種類:交流慢充 與 直流快充
- 充電樁的結構: 交流充電樁 與 交直流充電樁
- 交流充電樁的散熱對策 與 交直流充電樁的散熱對策
- 交直流充電樁的散熱實際案例
- 充電槍的結構與散熱對策
- 90 kW fast chargers液冷充電槍- Simcenter FloEFD熱流分析案例
1.充電樁的原理與種類
充電樁主要分為交流慢充（ Level 1、 Level 2）與直流快充（ Level 3）兩種類型：
交流慢充
其原理是將交流電充入車內的車載充電器（On-Board Charger, OBC），利用 OBC 將充電樁提供的交流電轉成直流電（Direct current, DC）為電池充電（電動車是吃直流電），但 OBC 因受限於體積及重量限制（不能太大，因需安裝在車內），因此無法提供高功率快充服務（充電功率決定電動車充電時長，功率高則充電快）。
Source：Wallbox
其中 Level 1 交流慢充主要建置在家中車庫或社區停車場進行充電，其定位為車主夜間返家充電使用；Level 2 交流慢充為目前公共充電站最普遍的充電樁類型，提供車主利用閒置時間（例如購物、用餐等）進行充電。
直流快充（DCFC，Direct Current Fast Charging）
而直流快充則是將交流電直接在充電樁進行轉換，不需透過 OBC 充電，而因充電樁較無體積限制，因此，可用多組充電模組加大充電功率達成快充，目前 DCFC 約可在一小時內完成充電。
Source：富果研究部整理
註：SAE （國際汽車工程師學會）定義四種充電等級：AC Level 1、AC Level 2、DC Level 1及 DC Level 2，但現今 DC 快充規格已和當時定義的規格不同，同時目前普遍稱 DC 快充為 Level 3 充電樁，故採用現今主流規格和稱謂。
2.充電樁的結構圖：交流充電樁 與 交直流充電樁
於充電功能不同，交流樁與直流樁在設計上有諸多差異，如下示例供大家參考：
▶交流充電樁
▶交直流充電樁
其充電樁主要涵蓋了交直流絕緣檢測系統、輔助電源、外殼、功率模組和進線開關等等，實物圖如下圖所示，充電器外殼、內部擋板、功率模組外殼等結構均採用隔熱性能良好的鍍鋁鋅板等作為原材料
3.交流充電樁的散熱對策 與 交直流充電樁的散熱對策
交流充電樁輸入端與交流電網相連接，裝置內部不經過整流變換，輸出也是交流電。因此，在電動汽車充電過程中，只起到控制供電電源導通與斷開的作用，提供電能輸出。交流樁一般由一塊主控制板組成，其中集成了發熱源較大的主控模組和通信模組。考慮到交流樁功率相對較低，其散熱方式主要為自然散熱。
交直流充電樁把電網輸入的交流電轉化成電壓、電流可調節的直流電，然後對電動車內的電池組進行充電。大功率帶來的充電時間飛速縮短的同時是設備的功率密度急劇增加，我們以400KW充電樁為例：目前行業內主流模組效率為95%，按照400KW計算，僅模組散熱量就達到400*0.05=20KW，假設充電櫃大小1450mm×1100mm×1830mm，功率密度將達到0.159W/cm2，已接近強迫冷卻的極限！！
交直流充電樁散熱對策思考流程
1．充電樁為櫃式結構，設計過程需考慮將各個模組安裝到合適的位置，需要考慮功能，性能，美觀和可靠性和用戶體驗，在滿足功能實現的基礎上需按照散熱最優來佈局。
2，滿足整機IP要求，故進風口需要安裝過濾棉，門的四周必須打密封膠。
3，風道設計的目標與原則：
降低系統的壓力損失，保證有足夠的空氣流量通過發熱源（充電模組）；並保證流過關鍵熱源的風速；防止風道中產生空氣回流；防止空氣短路；防止系統中發熱部件（插箱）的相互影響；
4，風扇選型:
根據發熱量和內部空氣溫升計算所需風量並合理進行風扇的串並聯設計並在此基礎上充分考慮過濾棉的終阻力，保證散熱系統的可靠性；戶外設備，需同步考慮風扇的壽命和噪音。
透過Simcenter FloEFD熱流模擬軟體，可針對不同櫃體結構，選擇最適合的風扇(成本最且可達成足夠的風量)，找出最佳化的櫃體開孔設計，保證散熱系統的可靠性
4.交直流充電樁的散熱實際案例
用以下某交直流充電樁的國外實際產品為範例，粗重的電纜可能會對使用便利性構成挑戰，由於連接器溫度升高而導致充電功率降低及充電槍電纜表面高溫風險
充電樁散熱系統的冷卻類型與一般電子產品系統級散熱思考方向一致，分類成自然散熱方式冷卻、強迫液體方式冷卻、蒸發方式冷卻及熱電製冷等等。以上幾種不同的方法措施當中，相關人員需要優先定義電動汽車直流充電樁內部功率模組及散熱風道系統所必需的冷卻模式，冷卻方法的科學化篩選對於直流充電樁的整體安裝規劃、設計運行及充電穩定性、安全性、成本費用等存在較大的關聯性。科學掌控電子器件及充電樁內部溫度變化趨勢，最重要的是需要定位義不同模組的熱損耗及對散熱系統存在影響因素的風道結構、尺寸規格及環境需求。
5.充電槍的結構與散熱對策
充電槍是充電樁給電動汽車輸送電能的“橋樑”，也是充電樁和電動汽車建立通信聯繫的“紐帶”，充電槍主要通過內部的端子與汽車端連接，完成充電和通信任務。充電槍觸頭內端子主要有電源正、電源負、保護接地、充電通信 CAN-H、充電通信 CAN 遮罩、充電連接確認、低壓輔助電源正、低壓輔助電源負等端子。
下圖為某公司生產的標準9芯充電槍：
依據充電槍的使用環境，充電槍的熱設計需滿足如下3點：
- 工作溫度：-30~50℃
- 保護蓋連接後，供電插頭/插座、車輛插頭/插座的防護等級IP54
- 供電插頭和供電插座、車輛插頭和車輛插座插合後，其防護等級需達到IP55
▶充電槍的散熱設計：
充電槍工作時，通過端子的電壓較高、電流較大，端子位置會產生大量熱量；在外殼材料的選擇上通常會考慮導熱塑膠，以利於端子熱量匯出。同時，為解決充電槍端子散熱問題，常採用以下策略：
- 端子外表面電鍍高導熱係數的材料，常採用銀質材料；
- 利用銅材質卡槽或插孔（接觸件）創建端子與導線連接；
- 由於充電槍插槍過程涉及機械碰撞，為固定端子和連接導線，保證槍頭的防塵、防水性能，部分槍頭內部還會填充高導熱係數的灌封膠。
常規直流充電槍通過電流一般在250A以下，超級快充充電槍通過電流一般可達500A左右，充電觸頭位置會產生大量熱量。為降低端子周圍溫度，解決大電流下充電槍散熱問題，通常會在端子周圍添加液冷管，液冷管內迴圈流動矽油、水或乙二醇等高比熱容液體，以此降低端子溫度，保證充電槍正常工作。
隨著充電功率不斷加大，充電模組從7.5KW發展到目前的40KW模組，未來將進一步會提高60KW。目前各大車廠都已經開始做超充的規劃。由於超充功率越來越大（400KW以上），散熱平臺將由目前的風冷逐步轉向液冷。行業的快速發展，對散熱及可靠性保護提出了更加苛刻的要求，而功率管的散熱和可靠性又將是重中之重。目前主流功率管單管工作溫度已經高達150°，碳化矽IGBT的工作溫度已到達200°左右，對介面絕緣材料提出了更高的要求。
6.90 kW fast chargers液冷充電槍熱流分析案例
以下為國外某90 kW fast chargers液冷充電槍內部結構如下圖所示：
連接器接合點的高溫可能會迫使降低充電功率，促使企業追求主動冷卻的快速充電器，以下為Simcenter FloEFD針對快充槍的連結器散熱 有冷卻液V.S 無冷卻液之分析結果
有冷卻液:最高溫27度C V.S 無冷卻液:最高溫77度C
對於功率超過90 kW的快速充電器（在30分鐘內充至80%），冷卻快速充電器可以確保充電器電纜和連接器的溫度不會對皮膚造成灼傷風險。 較高的溫度可能會迫使充電控制器降低可用的充電功率，因此對於高質量的快速充電，需要對充電硬件和電池組進行主動冷卻將至關重要。
skin burn risk with fast charging power & charging station thermal management
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