摘要：充电桩作为新能源车的“加油站”，为满足“快充”需求，输出功率持续增加；伴随小型化，集成化演进趋势，充电系统热流密度大幅增加，系统安全面临重大挑战。本文着重介绍充电桩及充电模块的类型，工作原理，以及功率管升级换代带来的散热设计挑战，详细阐述了界面材料选型的关键要素，为达成最佳性价比设计提供参照。

充电桩作为新基建战略重要组成部分，近年来得到快速发展。根据充电联盟数据，截至2022年1月，全国充电基础设施达到273.1万台，车桩比达到2.7:1。

图1：资料来源-充电桩视界

有机构预测，2025年充电桩市场规模将达到2045亿元。在这千亿级的市场背后，层出不穷的着火，爆炸事故也昭显着充电行业持续健康发展所面临的挑战：

下面，让我们一起从充电系统热设计的维度，系统的探寻事故的根由，为行业的健康快速发展保驾护航。

●充电桩定义：

充电桩是一种为电动车充电的电源装置，安装于公共建筑和居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电，一般可提供常规充电和快速充电。

●充电桩的分类：

充电桩的分类方法多种多样，按照不同的充电技术分类，充电桩可分为直流充电，交流充电，无线充电等，当前主流充电模式为交流充电和直流充电。

   ▶交流充电又称“慢充”，交流充电桩的技术成熟，结构较为简单，易于安装且成本较低，采用常规电压，充电功率小，充电慢，大多安装在居民小区停车场。

   ▶直流充电又称“快充”，直流充电桩的技术和设备较交流充电桩复杂，制造成本和安装成本均较高，采用高电压，充电功率大，充电快，更适用于对充电时长要求较高的场景，如出租车，公交车等，一般安装在集中式的充电站。

图2：资料来源-充电桩视界

图3：充电桩分类

●充电桩的结构图：

由于充电功能不同，交流桩与直流桩在设计上有诸多差异，如下示例供大家参考：

   ▶交流充电桩

图4：交流桩爆炸图

   ▶交直流充电桩

图5: 60KW 交直流一体桩爆炸图

两种充电桩主要参数对照表：

图6: 交直流充电桩参数对照表

●交流充电桩的散热

交流输入端与交流电网相连接，装置内部不经过整流变换，输出也是交流电。因此，在电动汽车充电过程中，只起到控制供电电源导通与断开的作用，提供电能输出。交流桩一般由一块主控制板组成，其中集成了发热源较大的主控模块和通信模块。考虑到交流桩功率相对较低，其散热方式主要为自然散热。

●直流充电桩的散热：

直流充电桩把电网输入的交流电转化成电压、电流可调节的直流电，然后对电动车内的电池组进行充电。

大功率带来的充电时间飞速缩短的同时是设备的功率密度急剧增加，我们以400KW充电桩为例：

图7：直流终端&直流桩

图8：400KW直流终端技术参数

目前行业内主流模块效率为95%，按照400KW计算，仅模块散热量就达到400*0.05=20KW，假设充电柜大小1450mm×1100mm×1830mm，功率密度将达到0.159W/cm2，已接近强迫冷却的极限！！

图9：冷却方法选择

结论：风冷暂是主流，液冷势在必行

以400KW直流充电桩为例，解析充电桩的散热方案：

1．充电桩为柜式结构，设计过程需考量将各个模组安装到合适的位置，需要考虑功能，性能，美观和可靠性和用户体验，在满足功能实现的基础上需按照散热最优来布局。

2，满足整机IP要求，故进风口需要安装过滤棉，门的四周必须打密封胶。

3，风道设计的目标与原则：降低系统的压力损失，保证有足够的空气流量通过发热源（充电模块）；并保证流过关键热源的风速；防止风道中产生空气回流；防止空气短路；防止系统中发热部件（插箱）的相互影响；

4，风扇选型

根据发热量和内部空气温升计算所需风量并合理进行风扇的串并联设计并在此基础上充分考虑过滤棉的终阻力，保证散热系统的可靠性；户外设备，需同步考虑风扇的寿命和噪音。

基于上述的设计标准，畅通的热传递通道和可靠的环境密封设计，是保证系统可靠运行的核心要素。

在高电压、大电流下，桩体内部功率器件会产生大量热量，引起桩内温度急剧升高。局部温度过高会导致器件功能降低甚至失效，同时可能引起易燃物着火。另外，如果污染物入内，会导致电气间隙降低，引起电气击穿，打火等风险。

图10：汉高密封、灌封、导热管理解决方案

针对这些挑战，汉高开发了一系列优质可靠的密封、灌封和导热解决方案，这些解决方案具备量产及安装所需的自动化友好型功能，并且具有提升消费者信心所需的耐用、安全和可靠等设施特性。汉高电动汽车充电材料解决方案包括：  

确保安全可靠运行的导热界面材料——有效散热（无论是220伏还是1000伏产生的热量）可以确保电动汽车充电设备的安全和长期性能。汉高Bergquist®品牌的相变材料、GAP PAD导热垫片和Gap filler液态填隙导热界面材料（TIM），可以确保电动汽车充电器电源模块和高密度组件的稳定运行。 

防御有害污染物的密封垫片材料——暴露在变化的环境、湿气和灰尘中，有可能损坏敏感组件并缩短其使用寿命。汉高密封剂和Sonderhoff现场发泡成型垫片（FIPFG）技术可以提供定制的大规模生产解决方案，以保护内部系统免受有害污染物的影响。

采用高性能灌封配方的严密保护材料——作为充电电源与电动汽车电池系统之间的接口，充电连接器的可靠性至关重要。反复插拔、粗暴操作和车辆侧翻的可能性促使连接器保护解决方案能够耐受各种恶劣的条件。汉高极具成本竞争力的高性能灌封材料可以将电缆和电线完全封装在充电连接器内部，从而为高压部件提供持久的耐用性和防潮保护。

充电模块是直流桩内最关键的部件，好比充电桩的“心脏”，不仅提供能源电力，还可以对电路进行控制，转换，保证供电电路的稳定性，充电模块的性能不仅直接影响充电桩整体性能，同样也关联着安全问题。

充电模块一般由2块主板组成，分为前级PFC和后级DC/DC，市面上主流的拓扑方式比较多种，但主要构成依旧是由散热器、控制部分、整流元件以及滤波元件组成：

图11:充电模块内部结构图

充电模组无论哪种拓扑组合，根据其功能需求，其主要工作原理下图所示：

图12：充电模块的工作原理图

充电模块作为充电桩的核心模块，功率较高，目前常见功率规格有15/20/30/40KW。充电模块在工作时，内部元件会产生大量热量。为方便元件热量导出，从散热的角度常采用以下策略：

结合充电模块使用场景，选用导热界面材料需要考虑的因素：

1.热阻低、导热系数高；

2.耐高温，在高温下保持性能稳定；

3.模块工作场景较多，需要界面材料能耐冲击，可吸振；

4.成本低

如下图为核心模块中分离式IGBT/MOSFET架构，必须使用高绝缘，高导热的导热绝缘垫片填充在散热器和功率管之间，功率管在工作过程中，电压可能高达上千伏特，热功耗达到40W以上，界面绝缘层的抗电压击穿能力，低热阻是系统能力的关键决定因素。汉高贝格斯SIL PAD TSP 3500恰恰是这样一款高性能的绝缘导热垫片，它拥有高导热，低热阻、耐高温等特点，能承受较大的机械应力，非常适合发热半导体功率器件的可靠性应用。

图13：导热界面材料在直流桩转换模块使用

Sil PAD TSP 3500【原SP2000】产品特点：

• 高导热系数达3.5w/mK

• 更低的热阻：0.33℃-in2/W

• 玻璃纤维增强的硅胶绝缘片，抗剪切和撕裂

• 介电强度4000V，耐击穿电压

• 在200℃高温环境，可长期稳定存放

• 能够满足或超过高可靠性电子的热和电要求

• 根据发热功率器件的大小及形状任意裁切

图14：汉高贝格斯Sil PAD TSP-3500

充电枪是充电桩给电动汽车输送电能的“桥梁”，也是充电桩和电动汽车建立通信联系的“纽带”，充电枪主要通过内部的端子与汽车端连接，完成充电和通信任务。充电枪触头内端子主要有电源正、电源负、保护接地、充电通信 CAN-H、充电通信 CAN 屏蔽、充电连接确认、低压辅助电源正、低压辅助电源负等端子[1]。

下图为某公司生产的标准9芯充电枪：

图15：充电枪触头及界面图

▶依据充电枪的使用环境，充电枪的热设计需满足如下3点：

1. 工作温度：-30~50℃

2. 保护盖连接后，供电插头/插座、车辆插头/插座的防护等级IP54

3. 供电插头和供电插座、车辆插头和车辆插座插合后，其防护等级需达到IP55

▶充电枪的散热设计：

充电枪工作时，通过端子的电压较高、电流较大，端子位置会产生大量热量；在外壳材料的选择上通常会考虑导热塑料，以利于端子热量导出。同时，为解决充电枪端子散热问题，常采用以下策略：

1. 端子外表面电镀高导热系数的材料，常采用银质材料；

2. 利用铜材质卡槽或插孔（接触件）创建端子与导线连接；

3. 由于充电枪插枪过程涉及机械碰撞，为固定端子和连接导线，保证枪头的防尘、防水性能，部分枪头内部还会填充高导热系数的灌封胶。

常规直流充电枪通过电流一般在250A以下，超级快充充电枪通过电流一般可达500A左右，充电触头位置会产生大量热量。为降低端子周围温度，解决大电流下充电枪散热问题，通常会在端子周围添加液冷管，液冷管内循环流动硅油、水或乙二醇等高比热容液体，以此降低端子温度，保证充电枪正常工作。液冷充电枪内部结构如下图所示：

图 16.大功率液冷充电枪[2]

随着充电功率不断加大，充电模块从7.5KW发展到目前的40KW模块，未来将进一步会提高60KW。目前各大车厂都已经开始做超充的规划。由于超充功率越来越大（400KW以上），散热平台将由目前的风冷逐步转向液冷。行业的快速发展，对散热及可靠性保护提出了更加苛刻的要求，而功率管的散热和可靠性又将是重中之重。目前主流功率管单管工作温度已经高达150°，碳化硅IGBT的工作温度已到达200°左右，对界面绝缘材料提出了更高的要求。可喜的是，我们看到汉高贝格斯已经清晰感受到了行业的呼唤，即将推出SIL PAD TSP 3500的升级版本，我们期待汉高贝格斯持续助力电源电力行业再创辉煌。