直流充電樁融合了電力電子技術、嵌入式技術和IoT技術。最大的難點是電力電子技術。在充電樁領域的電力電子技術是整流器技術。整流器的功率大小，從20世紀90年代的3kW發展現在的20kW-60kW，進步很快，但是，主流的電路拓撲仍然是三相維也納（PFC）、LLC或移相全橋（DC/DC）。整流器技術在20世紀90年代主要應用是通信電源，輸出電壓范圍很窄，42V-56V；應用在直流充電樁上，輸出電壓范圍很寬，200V-1000V。通過變壓器副邊串聯或并聯的方式實現寬電壓范圍，這些年來在這方面有一些創新。由于充電樁的使用環境非常苛刻，工業界也一直在尋求散熱方式的突破。強制風冷、獨立風道、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。
強制風冷
強制風冷是指通過風扇來強制循環空氣的散熱方式。風扇直接對著“熱源器件”（如MOS管、變壓器、電感、電解電容等）吹風或者抽風，以強排風的方式將熱量帶走。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，風扇的轉速就可以小一些。
強制風冷散熱方式是室內使用的開關電源類產品最常見的散熱方式，如服務器電腦、臺式電腦電源。和自然冷卻相比，強制風冷散熱更快、效率更高。強制風冷的缺點是：防護等級低，噪音大。
在強制風冷的方式中，一種特別的設計便是利用強制風扇和熱管一同進行散熱，這種設計方式在大功率電子產品（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部的液體蒸發和冷凝的方式來完成熱量的傳遞。具體而言，熱管內部有一個低位和一個高位，低位緊貼在熱源上，高位則連接風扇較高的位置。熱源上的高溫使得熱管內部的液體蒸發，而蒸汽則會由低位的地方流向高位，流動到高處后，由于風扇的幫助，蒸汽會快速地冷凝成液體，熱量轉移完成。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域獲得應用。
強制風冷的開關電源，講究的是風道的設計，如圖1所示是能效電氣的40kW充電模塊的內部和整體照片。現在的充電模塊多是采用兩個單板對扣的方式，共用80風扇，三個80風扇將大約1600W的熱量帶走。僅靠仿真是無法準確得知每個發熱元器件在不同環境溫度下的溫升。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熱元器件的溫升；但是實際產品中，溫度探頭不可能有這么多。實際產品中可能采用4-8個溫度探頭。根據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構設計。為了實現IP5X，在風道的入口和出口要有防塵棉; 為了實現IPX4，在風道的入口和出口要有45度角的百葉窗。這樣一來，風道的阻力加大，就需要在模塊的外結構上增加額外的風扇來增加壓差。做成IP54的防護等級并不難，難的是適應戶外惡劣環境的長期可靠性。本文最后一節將深入說明IP54和IP65。
獨立風道
獨立風道可能不是一個學術名詞，曾經也不是一個約定俗成的圈內用語，但是由于能效電氣的使用，“獨立風道”已作為一種約定俗成的散熱方式，寫進了車企產品的SOR中。獨立風道表示將PCBA完全密封，熱源器件產生的熱量以傳導的方式傳導到散熱器的齒片上，風扇只是對散熱器齒片吹風或者抽風就能將密封部分產生的熱量帶走。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，風扇以很低的轉速（4000轉）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。由于PCBA是被密封的，IP6X的“絕塵”是可以保證的。低噪音、高防護，是獨立風道設計的兩大優勢。基于獨立風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是業內享有盛譽的能效電氣20kW獨立風道充電樁里面的“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密封。這樣的密封方式和車載產品是一樣的，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對生產一致性要求很高。因此，我們說，這是一種基于車規級的設計。
圖2 能效電氣20kW、基于獨立風道的一體式充電模塊，內置輔助電源、計量單元、絕緣檢測單元雖然基于獨立風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，結構設計上也要確保做到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道技術的小功率直流產品。獨立風道技術已成為高端直流充電產品的標志。
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？電動汽車里面的車載充電機，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道的充電模塊的散熱齒片，風扇。完整的液冷系統除了圖示的組件，還包括水泵、水箱、液體、散熱器、風扇等。我們認為，對于小功率直流產品，20kW采用獨立風道的方案更佳。
自然冷卻
自然冷卻是利用金屬材料的高導熱性帶走熱量，并將熱量散發到空氣中的冷卻方式，利用出風口、入風口之間的自然對流來完成。在沒有特定風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品設計中提前規劃好，否則會導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后跟隨兩個數字來表述，數字用來明確防護的等級。IP（INGRESS PROTECTION）防護等級系統是由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字所組成，第1個數字表示電器防塵、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帶電部分，以免觸電)，第2個數字表示電器防濕氣、防水浸入的密閉程度，數字越大表示其防護等級越高。采用強制風冷散熱方式的充電樁，其防護等級是IP54或IP55，采用獨立風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備內部，但是進入的塵埃不會引起設備內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是有本質差別的。但是，標準的描述是模糊的。具體到第三方機構是怎么認證這個防護等級呢？驗證的方法是：IP5X表示直徑1mm的金屬線不得侵入設備外殼。IP6X表示“塵密、絕塵”，直徑1mm的金屬線不得侵入設備外殼，并且可完全防止塵埃進入設備內部。檢測IP6X時必須抽負壓，使殼體內外部形成負壓差。
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。具體的儀器設備要設計一錐形漏斗，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風機，將抽起來的粉塵送到內箱頂部，粉塵再由頂部垂直自然向下吹塵，當粉塵落在漏斗的側壁上，再通過震動裝置將粉塵回收到吸塵口，從而開始循環周而復始。
圖5 國營五四零廠生產的用于篩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1米的水中防30分鐘的浸泡影響。IPX7和IPX5、IPX4是有本質區別的。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
據了解，第三方的IPX4檢測如圖7所示：將待測物放置在圓臺上，頂部的擺管來回搖擺，同時朝下方淋水。
圖7 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，風道堵塞了，開機也會工作一陣子之后才會過溫保護。只要設計了45度角的百葉窗，水是淋不到機器內部的。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“斜風急雨”的長期侵蝕。斜風急雨裹挾著潮濕的絮狀物，粘在風道入口的防塵棉上，很容易堵死風道。潮氣長期存在，高壓強電的安規距離下降。如果不能做到在每次斜風急雨之后立即清理風道，IP54等級充電樁的使用壽命大大下降。采用IP54的戶外充電樁，內部的充電模塊在半年后往往就是下面這個樣子了，如圖8所示。內部的灰塵，看上去已不堪入目。實物看上去后常有不適感。
圖8 使用了一段時間之后的充電模塊
