CN113301778A - 一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置 - Google Patents

一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置 Download PDF

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Abstract

一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，包括散热壳体，在散热壳体底部设置有散热机构，该散热机构由散热片A和散热片B组成，其中散热片A分别位于散热片B的两侧；在散热壳体的第一侧边开设有第一风道入口、第二风道入口和第三风道入口，该第一风道入口、第二风道入口和第三风道入口分别与散热片A和散热片B相对设置；在散热壳体的第二侧边开设有风道出口，该风道出口与散热片B相对设置，且与第二风道入口正对设置；散热片A形成S形风道，散热片B形成直线形风道，散热片A的进入端与第一风道入口或者第三风道入口连通，出风端与所述散热片B的上部连通，散热片B的下部与第二风道入口连通，散热片B的出风端与风道出口连通。

Description

一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置
技术领域
本发明涉及电动汽车充电技术领域，具体涉及一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置。
背景技术
随着电动汽车市场和电力电网设施的日益成熟，直流充电桩的需求更加旺盛，壁挂式直流充电桩正朝着小型高效的方向蓬勃发展。这种壁挂式直流充电桩外观漂亮，体型小巧，功率密度较高，可用于停车场、小区车库等场合，安装于各个停车位，为停靠电动车辆提供快速充电服务。由于这种壁挂直流充电桩具有充电功率大和充电速度快的特点，单位时间内发热器件(功率器件、变压器和电感等)产生的热量越多，越容易发生火灾危险，所以壁挂式直流充电桩的散热装置极为重要，特别是将发热器件产生的热量快速传递到环境中，降低器件的温度。但是，这种壁挂式直流充电桩一般安装于车库或停车场，不便于水冷，以及考虑降低产品成本等因素，因此采用一种高效的风冷散热装置十分关键。
目前，市场上直流充电桩的充电模块一般将电子元器件和散热器集中安装于一个壳体内，采用风扇直接吹发热器件和散热器进行直接散热。这种充电模块散热结构存在三个不足之处：一是散热气流可携带灰尘、液态水和空气的水分直接进入壳体内腔，与电子元器件直接接触，无法做到防水防尘的功能(防护等级一般只能达到IP54)，对环境要求严格，不宜室外使用，适合使用的范围小。二是腔体内元器件体积、形状各异，发热器件的发热量不同，导致散热气流不均匀，并且流道难以布置，气流难以控制，气流的散热效率不高，导致散热效果不佳。三是采用这种充电模块制成的直流充电桩需要设置二次散热装置，即大型直流充电桩内置数个充电模块，充电模块外再增加一套散热风扇及风道散热，增加了应用成本和功耗。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种具有高效的风冷散热结构和独立的散热风道，能将发热器件产生的热量快速传递到环境中，降低充电桩及其发热器件的温度，结构紧凑，体积小巧，防尘防水的壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，具体技术方案如下：
一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，包括散热壳体(1)，在所述散热壳体(1)底部设置有散热机构(2)，该散热机构(2)由散热片A(21)和散热片B(22)组成，其中散热片A(21)分别位于所述散热片B(22)的两侧；
在所述散热壳体(1)的第一侧边开设有第一风道入口(3)、第二风道入口(4)和第三风道入口(5)，该第一风道入口(3)、第二风道入口(4)和第三风道入口(5)分别与所述散热片A(21)和散热片B(22)相对设置；
在所述散热壳体(1)的第二侧边开设有风道出口(6)，该风道出口(6)与所述散热片B相对设置，且与所述第二风道入口(4)正对设置；
所述散热片A(21)形成S形风道，散热片B(22)形成l形风道，所述散热片A(21)的进入端与所述第一风道入口(3)或者第三风道入口(5)连通，出风端与所述散热片B(22)的上部连通，所述散热片B(22)的下部与所述第二风道入口(4)连通，所述散热片B(22)的出风端与所述风道出口(6)连通。
作为优化：还设置有底盖(7)和顶盖(8)，该底盖(7)和顶盖(8)分别扣设在所述散热壳体(1)的底部和顶部，形成密闭腔体；
在所述散热壳体(1)的左右两侧分别设置有磁性热源机构(9)，在两个所述磁性热源机构(9)中间设置有功率热源机构(10)，其中所述磁性热源机构(9)与所述散热片A(21)的下部接触设置，功率热源机构(10)与所述散热片B(22)接触设置。底盖(7)和顶盖(8)的设置，形成密闭空间，并且散热风道与电子元器件密封隔离，解决了壁挂式直流充电桩防水防尘的问题，可实现充电桩IP防护等级不低于IP65。
作为优化：在所述磁性热源机构(9)和功率热源机构(10)中的发热器件表面与散热壳体(1)之间填充有导热胶。采用导热胶搭建高效的散热通道，降低散热通道的热阻，提高散热效率
作为优化：所述功率热源机构(10)设置有铝基板(101)，在该铝基板(101)的一面安装有功率元件，另一面与所述散热壳体(1)接触，且在散热壳体(1)与功率元件之间涂抹有导热层(102)。
作为优化：在所述散热壳体(1)的侧边设置有导风罩(11)，在该导风罩(11)的外侧设置有散热风扇(12)，该散热风扇(12)分别与所述第一风道入口(3)、第二风道入口(4)和第三风道入口(5)对应设置。
作为优化：在所述散热片A(21)和散热片B(22)的表壁上竖直设置有扰流柱(13)。
作为优化：所述扰流柱(13)包括扰流柱a(131)、扰流柱b(132)和扰流柱c(133)，其中所述扰流柱a(131)位于所述散热片A的进风端，该扰流柱a(131)的横截面为椭圆形，并沿进风方向对称，所述扰流柱a(131)在进风方向与散热片A(21)通过圆弧R1过渡，在出风方向与散热片A(21)通过圆弧R2过渡，且圆弧R1的弧度小于所述圆弧R2；
所述扰流柱b(132)位于所述散热片A和散热片B(22)的相邻处，该扰流柱b(132)两侧风向相反，所述扰流柱b(132)表壁与散热片A的表壁均通过圆弧过渡R3和圆弧R4，且位于迎风侧的圆弧R3的弧度小于位于背风侧的圆弧R4；
所述扰流柱c(133)位于所述散热片A的端部，该扰流柱c(133)位置风向发生180度改变，扰流柱c(133)的侧壁分别通过圆弧R5和圆弧R6与散热片A过渡，且位于迎风面的圆弧R5的弧度小于圆弧R6。S型风道具有多处弯道，弯道增加了空气流的扰动，增强了空气流的内部及与散热翅片间的热量传递；散热翅片上设计的扰流柱a、扰流柱b和扰流柱c三种扰流柱，同样增加了空气流的扰动，增强了空气流的内部及与散热翅片间的热量传递；空气流从发热量小的位置流向发热量大的位置，充分利用空气流传导热量；以上方法有效增加了单位空气流每次循环所携带热量，提高散热效率。
本发明的有益效果为：
1、本发明提高了充电桩的功率密度，减小了充电桩的体积；
2、本发明有效提高器件工作效率，延长充电桩的使用寿命，提高充电的稳定性和可靠性；
3、本发明将散热风道与电子元器件密封隔离，解决了壁挂式直流充电桩防水防尘的问题，可实现充电桩IP防护等级不低于IP65；
4、本发明采用S型风道、各种扰流柱等方法提高空气流的扰流度，提高散热效率；
5、本发明采用导热胶、导热硅脂或导热凝胶来搭建高效的散热通道，降低散热通道的热阻，提高散热效率；
6、本发明采用散热风扇分组或分别控制，根据发热器件工况实时调整散热方案，准确调整风道中气流量，优化整机散热效果，降低产品噪音；
7、本发明提高了散热效率，因此在同等发热量的条件下，可以减少散热风扇的数量，或降低散热风扇的转速减少空气流量，节约了充电桩的成本，同时降低充电时的噪音。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中散热机构的结构示意图。
图3为本发明的剖视图。
图4为扰流柱a的结构示意图。
图5为扰流柱b的结构示意图。
图6为扰流柱c的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1、图2和图3所示：一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，包括散热壳体1，在散热壳体1底部设置有散热机构2，该散热机构2由散热片A21和散热片B22组成，其中散热片A21分别位于所述散热片B22的两侧；
还设置有底盖7和顶盖8，该底盖7和顶盖8分别扣设在所述散热壳体1的底部和顶部，形成密闭腔体；在散热壳体1的左右两侧分别设置有磁性热源机构9，在两个所述磁性热源机构9中间设置有功率热源机构10，其中磁性热源机构9与散热片A21的下部接触设置，功率热源机构10与散热片B22接触设置，在磁性热源机构9和功率热源机构10上的发热器件表面与散热壳体1之间填充有导热胶。
在散热壳体1的第一侧边开设有第一风道入口3、第二风道入口4和第三风道入口5，该第一风道入口3、第二风道入口4和第三风道入口5分别与散热片A21和散热片B22相对设置；
在散热壳体1的第二侧边开设有风道出口6，该风道出口6与散热片B相对设置，且与所述第二风道入口4正对设置；
在散热壳体1的侧边设置有导风罩11，在该导风罩11的外侧设置有散热风扇12，该散热风扇12分别与第一风道入口3、第二风道入口4和第三风道入口5对应设置。
所述散热片A21形成S形风道，散热片B22形成直线形风道，两个散热片A21的进入端分别与第一风道入口3和第三风道入口5连通，出风端与散热片B22的上部连通，散热片B22的下部与第二风道入口4连通，散热片B22的出风端与风道出口6连通。
功率热源机构10设置有铝基板101，在该铝基板101的一面焊接有功率器件，另一面与散热壳体1接触，并在上散热壳体1之间涂抹有导热层102。
如图2、图4、图5和图6所示：在散热片A21和散热片B22的表壁上竖直设置有扰流柱13，所述扰流柱13包括扰流柱a131、扰流柱b132和扰流柱c133，其中所述扰流柱a131位于所述散热片A21的进风端，该扰流柱a131的横截面为椭圆形，并沿进风方向对称，所述扰流柱a131在进风方向与散热片A21通过圆弧R1过渡，在出风方向与散热片A21通过圆弧R2过渡，且圆弧R1的弧度小于所述圆弧R2；扰流柱b132位于散热片A21和散热片B22的相邻处，该扰流柱b132两侧风向相反，扰流柱b132表壁与散热片A21的表壁均通过圆弧过渡R3和圆弧R4，且位于迎风侧的圆弧R3的弧度小于位于背风侧的圆弧R4；所述扰流柱c133位于所述散热片A的端部，该扰流柱c133位置风向发生180度改变，扰流柱c133的侧壁分别通过圆弧R5和圆弧R6与散热片A21过渡，且位于迎风面的圆弧R5的弧度小于圆弧R6。
散热壳体1是散热装置的核心部件，一般采用铝合金材质，压铸工艺制造。散热壳体1上设计三个风道入口，第二风道入口4位于散热壳体1中间，与散热壳体1中部的散热风扇12、散热片B22和功率器件导热胶一起组成中路直线型散热通道，主要为功率器件散热；第一风道入口3位于散热壳体1右侧，与散热壳体1右侧的散热风扇12、散热片A21、电感导热胶和右侧变压器导热胶一起组成右路散热通道，主要为电感和右侧变压器散热；第三风道入口5位于散热壳体左侧，与散热壳体1左侧的散热风扇12、散热片A21、电感导热胶和左侧变压器导热胶一起组成左路散热通道，主要为电感和左侧变压器散热；扰流柱13位于散热机构2上，主要用于增加气流内部的扰动，强化气流内部的热量传递，以及阻碍气流形成稳定边界层，从而提高热传递效率，达到增强散热效果的目的。扰流柱有三种形式，其中，扰流柱a它是从散热片A21上凸起的不规则柱体，扰流柱a沿空气流方向左右对称，但迎风面圆角R1小于R2，R1和R2的值会根据流道尺寸参数和空气流速参数来进一步确定；扰流柱b它是从散热片A21上凸起的不规则柱体，扰流柱b沿空气流方向180°旋转对称，扰流柱b两侧空气流方向相反，但迎风面圆角R3小于R4，R3和R4的值会根据流道尺寸参数和空气流速参数来进一步确定；扰流柱c，它是从散热片A21上凸起的不规则柱体，扰流柱C位于空气流方向改变的位置，但迎风面圆角R5小于R6，R5、R6和圆弧的值会根据流道尺寸参数和空气流速参数来进一步确定。风道出口位于第二风道入口4的对面，与散热片B22相连，所有散热空气流从该处流出并进入大气环境。散热片B22位于散热壳体中部，底部与底盖相接触，前端是第二风道入口4，后端是风道出口。第二风道入口4的高度大，其上设置扰流柱a和扰流柱b，其形成的中路风道前段是来自第二风道入口4的空气流，后段可汇第一风道入口3、第二风道入口4和第三风道入口5的空气流，具有良好的散热功能，主要为功率器件散热。散热片A21位于散热壳体1两侧，底部与底盖8相接触，前端分别是第一风道入口3和第三风道入口5，后端与散热片B22相连接，汇集于风道出口散热片A21的高度小于散热片B22，其上设置扰流柱a131、扰流柱b132和扰流柱c133，其形成的左路风道和右路风道均呈S型，为S型风道。S型风道前端与第一风道入口3和第三风道入口5相连，后端与中路第二风道入口4相通。S型风道前段主要为电感、电感和变压器等发热器件散热，后段汇集于中路风道，再为发热量集中的功率器件散热。这种散热方式将散热空气流从发热量小的位置导向发热量大的位置，充分利于空气流的散热功效，扩大了单位空气流的散热量，提高了散热效率。
导风罩11是连接所有风道入口和散热风扇的桥梁，安装于散热壳体的风道入口处，导风罩上安装散热风扇。导风罩将散热风扇分为三组，分别对应于第一风道入口3、第二风道入口4和第三风道入口5，将空气流导入左路风道、中路风道和右路风道。导风罩内设挡板，可将来自散热风扇的空气流导向并送入各风道的作用。
散热风扇12是散热空气流的动力装置，安装于导风罩之上。风扇具有PWM调速和转速反馈功能，可以分组或独立实时控制转速与风量，根据发热器件工况实时调整散热方案，准确调整风道中气流量，优化整机散热效果，降低产品噪音。散热风扇分为三组，风扇数量和规格可根据散热需求进行调整，本案例三组风扇数量为5个，也可为3个、4个、6个或7个。
导热胶包括功率器件导热胶、变压器导热胶、电感导热胶等，填充时导热胶具有液体流动性，填充后干燥凝固，具有导热性、绝缘性和柔韧性的特点。功率器件导热胶填充于各功率器件与散热壳体1之间，作为功率器件与散热壳体间热量传递的桥梁；变压器导热胶填充于各变压器与散热壳体之间，作为变压器与散热壳体间热量传递的桥梁；电感导热胶填充于电感与散热壳体之间，作为电感与散热壳体间热量传递的桥梁。导热胶的导热系数高，且与发热元器件和散热壳体紧密接触，热阻低，能快速将发热元器件的热量传导给散热壳体，散热壳体和翅片再将热量传递给气流到大气环境中。
发热器件包括功率器件、变压器、电感等，功率器件数量多，发热量大，热量集中，热量密度大，其它发热器件相对分散，热量密度小。功率器件焊接于铝基板上，使用螺钉将铝基板安装于散热壳体上，铝基板与散热壳体之间采用导热凝胶或导热硅脂填充，使两者间紧密接触，降低热阻，形成一条从功率器件-铝基板-导热凝胶或导热硅脂-散热壳体的热传递通道。功率器件和铝基板覆盖于导热胶内，并填充于散热壳体之间，形成另一条从功率器件-导热胶-散热壳体的热传递通道。两条热传递通道能快速将功率器件的热量传导给散热壳体，提高散热效率。变压器焊接于PCB板上，使用螺钉安装于散热壳体上，变压器与散热壳体1间填充导热胶，形成一条从变压器-导热胶-散热壳体的热传递通道。电电感焊接于PCB板上，使用螺钉安装于散热壳体上，电感与散热壳体1间填充导热胶，形成一条从电感A-导热胶-散热壳体的热传递通道。这些热传递通道降低了热阻，有利于将发热器件的热量传导给散热壳体，提高散热效率。
顶盖8安装于散热壳体1腔体顶部，用于密封腔体，起到防水防尘的作用。顶盖8与散热壳体1间可采用密封圈或密封胶进行密封，采用螺钉锁紧固定。顶盖为金属材质，兼具热传导功能，具有散热效果。
本发明充分考虑空气流体的特性，根据流体动力学和热传导有限元分析数据，采用散热风扇作为空气流动力源，为主动风冷；风扇安装于风道入口，为吹风散热方式；散热风道采用S型风道，增加空气流与散热翅片的接触行程，因此延长了接触时间，使空气流与散热翅片间热量传递更充分；S型风道具有多处弯道，这些弯道增加了空气流的扰动，增强了空气流的内部及与散热翅片间的热量传递；散热翅片上设计的扰流柱a131、扰流柱b132和扰流柱c133三种扰流柱，同样增加了空气流的扰动，增强了空气流的内部及与散热翅片间的热量传递；空气流从发热量小的位置流向发热量大的位置，充分利用空气流传导热量。

Claims (7)

1.一种壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，包括散热壳体(1)，其特征在于：在所述散热壳体(1)底部设置有散热机构(2)，该散热机构(2)由散热片A(21)和散热片B(22)组成，其中散热片A(21)分别位于所述散热片B(22)的两侧；
在所述散热壳体(1)的第一侧边开设有第一风道入口(3)、第二风道入口(4)和第三风道入口(5)，该第一风道入口(3)、第二风道入口(4)和第三风道入口(5)分别与所述散热片A(21)和散热片B(22)相对设置；
在所述散热壳体(1)的第二侧边开设有风道出口(6)，该风道出口(6)与所述散热片B相对设置，且与所述第二风道入口(4)正对设置；
所述散热片A(21)形成S形风道，散热片B(22)形成直线形风道，所述散热片A(21)的进入端与所述第一风道入口(3)或者第三风道入口(5)连通，出风端与所述散热片B(22)的上部连通，所述散热片B(22)的下部与所述第二风道入口(4)连通，所述散热片B(22)的出风端与所述风道出口(6)连通。
2.根据权利要求1所述壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，其特征在于：还设置有底盖(7)和顶盖(8)，该底盖(7)和顶盖(8)分别扣设在所述散热壳体(1)的底部和顶部，形成密闭腔体；
在所述散热壳体(1)的左右两侧分别设置有磁性热源机构(9)，在两个所述磁性热源机构(9)中间设置有功率热源机构(10)，其中所述磁性热源机构(9)与所述散热片A(21)的下部接触设置，功率热源机构(10)与所述散热片B(22)接触设置。
3.根据权利要求2所述壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，其特征在于：在所述磁性热源机构(9)和功率热源机构(10)中的发热器件表面与散热壳体(1)之间填充有导热胶。
4.根据权利要求2所述壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，其特征在于：所述功率热源机构(10)设置有铝基板(101)，在该铝基板(101)的一面安装有功率元件，另一面与所述散热壳体(1)接触，且在散热壳体(1)与功率元件之间涂抹有导热层(102)。
5.根据权利要求1所述壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，其特征在于：在所述散热壳体(1)的侧边设置有导风罩(11)，在该导风罩(11)的外侧设置有散热风扇(12)，该散热风扇(12)分别与所述第一风道入口(3)、第二风道入口(4)和第三风道入口(5)对应设置。
6.根据权利要求1所述壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，其特征在于：在所述散热片A(21)和散热片B(22)的表壁上竖直设置有扰流柱(13)。
7.根据权利要求6所述壁挂式直流充电桩的风冷散热装置，其特征在于：所述扰流柱(13)包括扰流柱a(131)、扰流柱b(132)和扰流柱c(133)，其中所述扰流柱a(131)位于所述散热片A的进风端，该扰流柱a(131)的横截面为椭圆形，并沿进风方向对称，所述扰流柱a(131)在进风方向与散热片A(21)通过圆弧R1过渡，在出风方向与散热片A(21)通过圆弧R2过渡，且圆弧R1的弧度小于所述圆弧R2；
所述扰流柱b(132)位于所述散热片A和散热片B(22)的相邻处，该扰流柱b(132)两侧风向相反，所述扰流柱b(132)表壁与散热片A的表壁均通过圆弧过渡R3和圆弧R4，且位于迎风侧的圆弧R3的弧度小于位于背风侧的圆弧R4；
所述扰流柱c(133)位于所述散热片A的端部，该扰流柱c(133)位置风向发生180度改变，扰流柱c(133)的侧壁分别通过圆弧R5和圆弧R6与散热片A过渡，且位于迎风面的圆弧R5的弧度小于圆弧R6。
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