直流充電樁融合了電力電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)和IoT技術(shù)。最大的難點是電力電子技術(shù)。在充電樁領(lǐng)域的電力電子技術(shù)是整流器技術(shù)。整流器的功率大小，從20世紀(jì)90年代的3kW發(fā)展現(xiàn)在的20kW-60kW，進步很快，但是，主流的電路拓?fù)淙匀皇侨嗑S也納（PFC）、LLC或移相全橋（DC/DC）。整流器技術(shù)在20世紀(jì)90年代主要應(yīng)用是通信電源，輸出電壓范圍很窄，42V-56V；應(yīng)用在直流充電樁上，輸出電壓范圍很寬，200V-1000V。通過變壓器副邊串聯(lián)或并聯(lián)的方式實現(xiàn)寬電壓范圍，這些年來在這方面有一些創(chuàng)新。由于充電樁的使用環(huán)境非常苛刻，工業(yè)界也一直在尋求散熱方式的突破。強制風(fēng)冷、獨立風(fēng)道、液冷、自然冷卻等四種散熱方式都用在了不同類型的直流充電樁上。

強制風(fēng)冷

強制風(fēng)冷是指通過風(fēng)扇來強制循環(huán)空氣的散熱方式。風(fēng)扇直接對著“熱源器件”（如MOS管、變壓器、電感、電解電容等）吹風(fēng)或者抽風(fēng)，以強排風(fēng)的方式將熱量帶走。像MOS管這種熱源器件，需要將MOS緊貼散熱器，將MOS管的熱量分散開來，因為MOS管的體積很小，熱量很集中，累積得很快。散熱器大一些，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速就可以小一些。

強制風(fēng)冷散熱方式是室內(nèi)使用的開關(guān)電源類產(chǎn)品最常見的散熱方式，如服務(wù)器電腦、臺式電腦電源。和自然冷卻相比，強制風(fēng)冷散熱更快、效率更高。強制風(fēng)冷的缺點是：防護等級低，噪音大。

在強制風(fēng)冷的方式中，一種特別的設(shè)計便是利用強制風(fēng)扇和熱管一同進行散熱，這種設(shè)計方式在大功率電子產(chǎn)品（比如筆記本電腦、高性能臺式電腦等）中尤為常見。利用熱管的原理是通過熱管內(nèi)部的液體蒸發(fā)和冷凝的方式來完成熱量的傳遞。具體而言，熱管內(nèi)部有一個低位和一個高位，低位緊貼在熱源上，高位則連接風(fēng)扇較高的位置。熱源上的高溫使得熱管內(nèi)部的液體蒸發(fā)，而蒸汽則會由低位的地方流向高位，流動到高處后，由于風(fēng)扇的幫助，蒸汽會快速地冷凝成液體，熱量轉(zhuǎn)移完成。利用熱管的方式，能夠在不增加太多空間的情況下解決散熱問題，同時也不影響產(chǎn)品性能和外觀的美觀。但是這種散熱方式并沒有在充電模塊領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

強制風(fēng)冷的開關(guān)電源，講究的是風(fēng)道的設(shè)計，如圖1所示是能效電氣的40kW充電模塊的內(nèi)部和整體照片。現(xiàn)在的充電模塊多是采用兩個單板對扣的方式，共用80風(fēng)扇，三個80風(fēng)扇將大約1600W的熱量帶走。僅靠仿真是無法準(zhǔn)確得知每個發(fā)熱元器件在不同環(huán)境溫度下的溫升。在溫度控制策略確定之前，需要上百個溫度采集探討來測量各種發(fā)熱元器件的溫升；但是實際產(chǎn)品中，溫度探頭不可能有這么多。實際產(chǎn)品中可能采用4-8個溫度探頭。根據(jù)上百個儀器測量出來的溫度來歸納到幾個溫度探頭的溫度采集結(jié)果，抽象出溫度控制算法。??

圖1

充電模塊本身的防護等級只有IP32，但是，戶外充電樁的防護等級最低要求是IP54。利用充電模塊做成IP54的整樁，需要在模塊外部進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了實現(xiàn)IP5X，在風(fēng)道的入口和出口要有防塵棉; 為了實現(xiàn)IPX4，在風(fēng)道的入口和出口要有45度角的百葉窗。這樣一來，風(fēng)道的阻力加大，就需要在模塊的外結(jié)構(gòu)上增加額外的風(fēng)扇來增加壓差。做成IP54的防護等級并不難，難的是適應(yīng)戶外惡劣環(huán)境的長期可靠性。本文最后一節(jié)將深入說明IP54和IP65。

獨立風(fēng)道

獨立風(fēng)道可能不是一個學(xué)術(shù)名詞，曾經(jīng)也不是一個約定俗成的圈內(nèi)用語，但是由于能效電氣的使用，“獨立風(fēng)道”已作為一種約定俗成的散熱方式，寫進了車企產(chǎn)品的SOR中。獨立風(fēng)道表示將PCBA完全密封，熱源器件產(chǎn)生的熱量以傳導(dǎo)的方式傳導(dǎo)到散熱器的齒片上，風(fēng)扇只是對散熱器齒片吹風(fēng)或者抽風(fēng)就能將密封部分產(chǎn)生的熱量帶走。采用這種散熱方式，熱量被大面積的散熱片均勻分散開了，常溫下，風(fēng)扇以很低的轉(zhuǎn)速（4000轉(zhuǎn)）就能將熱量排走，所以噪音可以很小。常溫下的噪音可以控制在45分貝以內(nèi)。由于PCBA是被密封的，IP6X的“絕塵”是可以保證的。低噪音、高防護，是獨立風(fēng)道設(shè)計的兩大優(yōu)勢。基于獨立風(fēng)道的直流充電樁里面的充電模塊PCBA、充電控制器、充電樁輔助電源、計量單元、絕緣檢測單元等都可以做成板級的，高度集成化地設(shè)計為一體，也就是說壓鑄型散熱器里面的部分不僅僅是充電模塊。如圖2是業(yè)內(nèi)享有盛譽的能效電氣20kW獨立風(fēng)道充電樁里面的“充電模塊”。充電模塊的底殼是壓鑄鋁，底殼的四周有溝槽，溝槽里面有密封圈，上面用鈑金件鎖螺絲的方式實現(xiàn)密封。這樣的密封方式和車載產(chǎn)品是一樣的，理論上是可以做成到IP67的防護等級，但是，由于體積太大，面蓋上要鎖14顆螺絲，做成IP67對生產(chǎn)一致性要求很高。因此，我們說，這是一種基于車規(guī)級的設(shè)計。

圖2? 能效電氣20kW、基于獨立風(fēng)道的一體式充電模塊，內(nèi)置輔助電源、計量單元、絕緣檢測單元雖然基于獨立風(fēng)道的一體式充電模塊已集成了諸多充電樁功能單元，但是如果要做成整樁，風(fēng)扇組件、燈語和急停按鍵這三個包括了電子電路的功能單元還是得放在一體式充電模塊外面。風(fēng)扇組件、燈語組件和急停按鍵都要選擇IP65以上防護等級的元器件，結(jié)構(gòu)設(shè)計上也要確保做到IP65以上，同時，充電模塊和這些功能單元之間的連接線束的端接部分也要使用防水端子。如圖2的右圖所示，有三組帶有防水端子的線束連接充電模塊外部的風(fēng)扇組件、燈語組件和急停按鍵。能效電氣出品了一系列基于獨立風(fēng)道技術(shù)的小功率直流產(chǎn)品。獨立風(fēng)道技術(shù)已成為高端直流充電產(chǎn)品的標(biāo)志。

圖3 蔚來汽車7/11/20kW，小鵬汽車20kW直流樁

液冷

液冷散熱方式的PCBA工藝和獨立風(fēng)道類似，也是將PCBA完全密封，也是通過溝槽和密封圈的方式密封整個壓鑄體，不同的是，液冷散熱方式的熱量傳導(dǎo)給壓鑄體下面后，通過水管里面液體的流動將熱量帶走。PCBA的下方埋了水道，有進水口和出水口。熱量被液體的流動帶走，但是最終是怎么散出去的呢？電動汽車?yán)锩娴能囕d充電機，電機控制器等組件多是液冷散熱方式，這些組件做得很小，熱處理部分和車上的其它部分共用了。熱量最終還是要靠散熱器分散，要靠風(fēng)扇的壓差帶走。

圖4? 液冷散熱方式的6.6kW OBC組件圖4所示為液冷散熱方式的6.6kW OBC組件。和相同功率的基于獨立風(fēng)道的直流充電樁相比較，體積顯得小很多。如前所述，這個OBC組件沒有包括熱處理部分，就是說沒有完整的基于獨立風(fēng)道的充電模塊的散熱齒片，風(fēng)扇。完整的液冷系統(tǒng)除了圖示的組件，還包括水泵、水箱、液體、散熱器、風(fēng)扇等。我們認(rèn)為，對于小功率直流產(chǎn)品，20kW采用獨立風(fēng)道的方案更佳。

自然冷卻

自然冷卻是利用金屬材料的高導(dǎo)熱性帶走熱量，并將熱量散發(fā)到空氣中的冷卻方式，利用出風(fēng)口、入風(fēng)口之間的自然對流來完成。在沒有特定風(fēng)速要求的情況下自然對流，使用的散熱片是銅鋁板材、鋁擠壓件、熱管、機加工或合金鑄件。由于自然散熱主要利用的是自然氣流，因此散熱的面積和布局就需要在產(chǎn)品設(shè)計中提前規(guī)劃好，否則會導(dǎo)致散熱不夠或者不均勻的問題。自然冷卻方式能帶走的熱量是有限的。為了能帶走更多的熱量，散熱器的體積就要更大，相應(yīng)地，重量也更重。對于家用的7kW小功率直流充電樁來說，在去OBC之后，終極方案就是自然冷卻。? ? ??　　

防護等級

防護等級以IP后跟隨兩個數(shù)字來表述，數(shù)字用來明確防護的等級。IP（INGRESS PROTECTION）防護等級系統(tǒng)是由IEC（INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION）所起草，將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級。IP防護等級是由兩個數(shù)字所組成，第1個數(shù)字表示電器防塵、防止外物侵入的等級(這里所指的外物含工具，人的手指等均不可接觸到電器之內(nèi)帶電部分，以免觸電)，第2個數(shù)字表示電器防濕氣、防水浸入的密閉程度，數(shù)字越大表示其防護等級越高。采用強制風(fēng)冷散熱方式的充電樁，其防護等級是IP54或IP55，采用獨立風(fēng)道散熱方式的充電樁，其防護等級是IP65或IP66。最常見的是IP54和IP65。

IP5X和IP6X

IP5X表示防止外物侵入，不能完全防止塵埃進入設(shè)備內(nèi)部，但是進入的塵埃不會引起設(shè)備內(nèi)部的正常運行和安全。IP6X表示完全防止外物及灰塵侵入。IP6X和IP5X是有本質(zhì)差別的。但是，標(biāo)準(zhǔn)的描述是模糊的。具體到第三方機構(gòu)是怎么認(rèn)證這個防護等級呢？驗證的方法是：IP5X表示直徑1mm的金屬線不得侵入設(shè)備外殼。IP6X表示“塵密、絕塵”，直徑1mm的金屬線不得侵入設(shè)備外殼，并且可完全防止塵埃進入設(shè)備內(nèi)部。檢測IP6X時必須抽負(fù)壓，使殼體內(nèi)外部形成負(fù)壓差。IP5X的第三方檢驗方法是用下面這種75um直徑的篩子篩出滑石粉（如圖5所示），然后在一個密閉空間里放置著充電樁，75um的滑石粉“漫天飛舞” 8個小時，靜置后，充電樁開機仍然能工作。具體的儀器設(shè)備要設(shè)計一錐形漏斗，底部有粉塵收集口和抽塵口，在抽塵口處安裝高壓渦輪循環(huán)風(fēng)機，將抽起來的粉塵送到內(nèi)箱頂部，粉塵再由頂部垂直自然向下吹塵，當(dāng)粉塵落在漏斗的側(cè)壁上，再通過震動裝置將粉塵回收到吸塵口，從而開始循環(huán)周而復(fù)始。

圖5 國營五四零廠生產(chǎn)的用于篩75um滑石粉的篩子

IP X4、IPX5和IPX7

IPX4表示防濺水，IPX5表示防噴水。具體來說，IPX4表示防止飛濺的水浸入，防止各個方向飛濺而來的水侵入電器而造成損壞。IPX5表示防止噴射的水浸入，防持續(xù)至少3分鐘的低壓噴水。IPX7表示防止浸水時水的浸入，在深達(dá)1米的水中防30分鐘的浸泡影響。IPX7和IPX5、IPX4是有本質(zhì)區(qū)別的。IPX4采用各噴水孔以0.07 升/分鐘的水量從垂直方向至兩側(cè)180度角淋水10分鐘; IPX5使用直徑 6.3mm 的噴水管，以12.5 升/分鐘的水量在 2.5 ? 3m處噴水 3 分鐘以上，如圖6示意。

圖6? IPX4和IPX5的檢測據(jù)了解，第三方的IPX4檢測如圖6所示：將待測物放置在圓臺上，頂部的擺管來回?fù)u擺，同時朝下方淋水。

圖6 ?IPX4第三方檢測

IP54, Then So What？

在一個沒有防護的充電樁里面灑滿75um的滑石粉，開機也能工作; 即使防塵棉上布滿灰塵，風(fēng)道堵塞了，開機也會工作一陣子之后才會過溫保護。只要設(shè)計了45度角的百葉窗，水是淋不到機器內(nèi)部的。IP54的第三方檢測是容易通過的，但是，通過了IP54檢驗的充電樁其實根本無法忍受“斜風(fēng)急雨”的長期侵蝕。斜風(fēng)急雨裹挾著潮濕的絮狀物，粘在風(fēng)道入口的防塵棉上，很容易堵死風(fēng)道。潮氣長期存在，高壓強電的安規(guī)距離下降。如果不能做到在每次斜風(fēng)急雨之后立即清理風(fēng)道，IP54等級充電樁的使用壽命大大下降。采用IP54的戶外充電樁，內(nèi)部的充電模塊在半年后往往就是下面這個樣子了，如圖7所示。內(nèi)部的灰塵，看上去已不堪入目。實物看上去后常有不適感。

圖7 ? ?使用了一段時間之后的充電模塊