技术解析｜高功率密度车载充电器如何散热设计难点？

芝能汽车

2024-12-02 08:11发布于上海电动汽车三电工程师

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划重点

01随着新能源汽车的快速发展，车载充电系统（OBC）面临高功率密度和系统复杂性不断提升的挑战。

02OBC的设计难点包括热管理、机械完整性和电磁兼容性。

03为此，技术革新如先进的拓扑结构、模拟和仿真技术、以及液冷系统逐渐成为高效OBC设计的关键。

04同时，精确管理电源分配和转换、具备良好的电源动态响应能力以及低功耗模式实现节能也是芯片设计的重要方面。

05通过多维度技术路径的探讨，为行业提供了创新思路，助力新能源汽车的发展。

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芝能智芯出品

在新能源汽车快速发展的背景下，车载充电系统(OBC)正面临高功率密度和系统复杂性不断提升的挑战。

我们将深度解析高功率密度OBC设计中的难点与应对方法，涵盖热管理、机械完整性以及电热协同仿真技术在系统优化中的作用。通过探讨设计革新，尝试为未来的高效车载充电系统提供技术思路和方向。

Part 1

汽车行业的应用挑战与设计难点

在 Tiny Power Box 项目中，目标是实现超越现有技术水平的功率密度，如从初始的 3.1kW/L 向更高目标迈进（如 5kW/L 及以上），这对芯片的性能和散热能力提出了巨大挑战。

高功率密度意味着芯片需要在更小的体积内处理更高的功率，容易导致过热问题，影响芯片的稳定性和寿命。

OBC（车载充电器）在能量转换效率、系统可靠性和体积优化方面提出了更高的要求，实现高功率密度与紧凑结构的集成化设计，依然面临以下核心挑战：

● 热管理与散热效率：OBC的高功率密度不可避免地增加了系统的热流密度。

功率半导体如SiC MOSFET的散热依赖于热界面材料（TIM）的均匀压缩。然而，PCB翘曲、冷却板变形和TIM不均匀压缩可能导致局部过热，最终影响系统性能和寿命。

● 机械完整性与结构设计：OBC中不同组件的机械组装需确保系统的抗震能力和热连接稳定性。

TIM厚度的精确控制以及冷却液路的设计至关重要。例如，若冷却液分布不均，将导致热热点和效率下降。此外，铝制冷却板及其配套支撑结构需要在机械负载和热传导间取得平衡。

● 电磁兼容性与电气隔离：现代OBC集成了单相和三相AC-DC转换功能，其复杂电路拓扑容易引发EMI（电磁干扰）问题。

同时，在提供电气隔离的同时，还需优化热界面的散热性能，尤其是在高压应用中需保证器件的安全性。

● 系统集成与仿真难度：OBC、DCDC 转换器等。

芯片需要与其他组件高度集成，在有限的空间内实现最优布局。然而，不同组件的尺寸、形状和功能需求各异，如何合理安排它们的位置，确保电气连接可靠、信号传输稳定、散热通道畅通，同时满足电磁兼容性（EMC）要求，是一个极具挑战性的任务。

传统的机械和电子设计方法无法满足高功率密度设计对热、电、机械三者的高度协同需求。当前需依赖电热协同仿真和高保真模型，以评估散热路径、电流密度分布和机械强度的相互作用。

为满足电动车辆多样化的功能需求，芯片架构需要具备高度的灵活性和可扩展性。例如，在支持不同功率等级（如 7kW、11kW 等）的 OBC 应用中，芯片架构要能够适应单相和三相操作模式，同时兼顾不同电压等级（如 250V - 460V HV 输出、12V LV 输出等）的转换需求，这对芯片的内部架构设计、模块划分和通信机制提出了很高的要求。

需要精确管理电源分配和转换。要实现高效的电能转换，如在 OBC 中将交流电转换为直流电，同时满足不同电压和功率的输出要求；

要具备良好的电源动态响应能力，以应对车辆启动、加速、充电等过程中的电源波动，确保系统稳定运行，芯片还需要在低功耗模式下实现节能。