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摘要：新能源电动汽车为绿色交通工具，逐渐替换传动的燃油汽车，未来的市场会井喷式增长，特别是在不可再生资源石油危机及二氧化碳排放污染日益严重，新能源电动汽车的必不可少，充电桩作为新能源电动汽车所必须的重要配套基础设施，按照国家枪及车配比1：1，充电桩的需求非常巨大，散热又是充电桩的关键技术难点之一，本人对大功率充电桩进行散热分析。
关键词：充电桩模块；充电桩整机；散热分析；功率密度
1.充电桩概述
充电桩功能是给电动汽车充电，同传统的燃油汽车不同，传统的汽车燃烧汽油或柴油，存在诸多问题，例如尾气排放、石油不可再生资源枯竭等；而充电桩可以利用天然能源，例如风力、水力、太阳能发电等，这些电网输送到大电网，在经过各级配电管理，最后通过充电桩给汽车充电。但国家对充电桩的发展比较晚，在2006年，比亚迪在深圳总部建成首个电动汽车充电站；在2009年，南方电网在深圳首批投放，建成2个充电站、134个充电桩；2012年，充电桩达到2万台；2013年2.3万台；2014年2.85万台；2015年达到10万台，2017年达到45万台。截至2020年，充电桩总投资规模预计125亿元。在未来几年内，充电桩数量还会出现爆发式增长，但目前桩的建设还是远远滞后于新能源产业的发展，到2020年，新能源汽车至少超过500万辆，按照充电接口与车配比1：1，可以预见，未来需求巨大。
2.充电桩的分类
充电桩可分为直流充电桩，交流充电桩和交直流一体充电桩。直流充电桩又分一体式及分体式，一体式直流桩功率一般40～320kw之间，枪数一般小于4枪；分体式直流桩功率一般200kw以上，充电枪由于是在分桩上，所以枪数不限，分体式直流桩特点就是为了缩短枪与车之间的距离，即枪线不能过长，一般不超过7.5米。直流桩功率大，充电速度快，所以一般用于路边电站、商场等需要快充电场合。交流充电桩功率一般在42kw以下，其结构比较简单，功率小，充电速度慢，一般用于住宅停车场等场合。交直流一体充电桩兼容了交直流桩的特点，但其结构复杂，成本高，只有特定场合才会使用，所以一般比较少。
综上，市场上主要还是以直流充电桩为主，直流充电桩功率大，体积也大，占地大，尤其在土地日益紧张的一二线城市更突出，所以如何把直流充电桩体积做小功率密度增大，难点是散热需要解决，以下就重点对直流充电桩的散热器及功率密度分析。
3.直流充电桩功率密度分析
3.1充电桩功率模块的功率密度
直流充电桩都是模块化的，即不同大功率充电桩都是不同数量充电模块组合而成，所以充电桩的功率密度主要是功率模块的功率密度，单个功率模块功率发展经历7.5kw、15kw、20kw、30kw四个阶段，功率密度逐渐成增大趋势，最早期的7.5kw，体积为深*宽*厚：440*225*80mm，随着市场需求及技术的提升，逐渐过渡到单模块功率15kw，体积约为550*300*100mm，再后期15kw模块体积压缩为440*225*80mm，功率密度大大提升，目前市场主流的还是15kw（440*225*80）类型的功率模块，但也逐渐出现20kw功率模块，体积也15kw一样为440*225*80mm，功率密度进一步增大，甚至目前出现了少量的单功率模块30kw，体积比20kw大约20%，30kw是目前最高水平，功率密度越大，那么平均每瓦的成本就越低，未来市场成本会更严酷，所以未来单功率模块功率还会逐渐增大趋势。
3.2充电桩整桩系统的功率密度
根据上文，充电桩整桩由不同数量的功率模块组成，例如，180kw充电整装，可以用12个15kw模块组成，也可以用9个20kw功率模块组成，显然功率模块功率越大，需要的数量就越少，那么整装的体积就越小，整桩功率密度就越大。
当然，充电桩整装除了功率模块之外，还有其它器件，所以整体器件结构布局非常重要，随着技术的提升，器件结构布局也越来越紧凑，对应充电桩体积就越来越来小，即整桩功率密度就越大，目前市场上，240kw的一体直流充电桩体积可以达到宽*深*高为700*550*1950mm。
4.直流充电桩散热分析
直流充电桩的散热分析分三部分，一是充电模块散热分析，二是整桩的散热分析，三是充电枪电缆的散热分析
4.1充电模块散热分析
上文有分析，充电模块功率有早期7.5kw发展到最新30kw，但体积基本上没有变化，其中难点就是散热，功率密度越大，体积越小，热量就越集中，散热就越恶劣，这是制约功率模块功率不能无限做大的根本原因，目前市场上的充电模块都是强迫风冷散热，强迫风冷理论上最大热流密度可以达到0.43w/cm2，但对于充电模块远低于此值，例如20kw的功率模块，由于体积高度压缩，内部结构非常紧凑，风阻非常大，其热流密度大概为为0.10w/cm2，其散热效率非常低。所以若需要需要大幅度提高散热能力，则采用液冷，液冷热流密度可达0.6w/cm2，对于20kw模块，如果用液冷，则其体积为风冷的1/6，当然用液冷还有还多技术难点需要克服，例如漏液、绝缘等都需要解决，并且很多器件还不能在液体环境中运行，所以利用液冷也有很长的路需要走，但这是技术发展趋势。
4.2充电桩整桩的散热分析
上文有分析，充电桩整桩是有不同数量的充电模块组成，但整桩的散热与模块的散热是独立分开的，例如20kw功率模块，其内部有独立的风扇散热，有独立的进出风口，其出风及热量直接排放到充电桩整装内部，所以整桩又需要一套散热系统把模块排出的热量排到机柜外部，整桩也有独立发风扇及进出风口，这种散热效率是比较地低，导致功率模块不能放置太密集，或进出风口过滤棉不能太密，导致沙尘特别恶劣的环境还无法使用，这是目前充电桩整桩的散热方式。
如果充电模块采用液冷，则整装与充电模块可以共用一套液冷散热系统，高温端在模块内部，散热器端在模块内部外部，内外做好密封，外部的散热器可以适应超恶劣环境，这样散热效率不但大大提高，防护等级也大大提高，整机的体积也会大大缩小。
4.3充电枪电缆散热分析
目前国家标准充电枪有125A、200A、250A三种，目前最大只能做到250A，其中主要是枪的散热问题，电流热量为电流平方*电阻，为了降低电流发热，电流是固定值，只能降低电阻，那就增加电缆直径，大家都知道，充电枪是用户经常要去插拔的，250A的枪线电缆直接已经达到40mm，如果按7.5米计算，重量约为20公斤，操作已经不是很方便了，如果直径再加大，则常人无法拿动，所以限制了枪电流大小。枪电缆直径比较大，主要是还是散热问题，电缆绝缘层材料是pvc，pvc材料的热导率只有0.1W/m.k，散热效果非常差，如果能大幅度提高电缆的散热效率，则通过相同电流所需要的电缆直径就越小，重量就小。解决办法还是液冷，液冷换热系数可以高达3000以上，即如果采用液冷，枪电缆重量是普通的1/5，同样，枪电缆液冷系统可以共用上文提到的散热器模块的液冷系统。
结束语：为了要缩短充电时间及减小充电桩土地占用，必须开发更大功率充电桩且体积要更小，核心难点之一就是散热，按照目前强迫风冷散热系统，很难有大幅度提升，只有突破新的技术，采用液冷充电桩，则充电桩的体积会显著缩小，功率密度显著增大，这也是市场发展趋势。