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基于Icepak的直流充电机水冷散热研究

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0 引言

随着电动汽车的不断普及,利用直流充电机给电动汽车充电变得越来越普遍。由于直流充电机在实际运行时功率模块会产生大量热损耗,使得充电机桩体内部热量越聚越多,加上桩体空间有限,因此必须及时将大量热量散发出去。对于同一功率器件而言,在高温状态下的输出功率要明显低于正常温度下的输出功率,因此采取有效的散热措施可促使机器正常性能的发挥。对于功率小、热流密度小的充电机,通常采用强迫风冷式散热,但风冷散热易产生噪声污染,吸入灰尘等杂质,需定期维护。近年来,水冷散热器因水的比热容大、散热效果好、噪声污染小、可靠性高而逐渐占领市场,应用越来越普遍,因此研究水冷散热过程中不同因素对散热器散热性能的影响十分有意义。

1 充电机功率回路损耗计算

直流充电机中IGBT功率模块工作频率较高,损耗较大,为直流充电机的主要发热源。IGBT功率模块损耗主要包括IGBT损耗和反并联二极管FWD损耗。

1.1 IGBT损耗

IGBT功率模块损耗按性质不同可分为静态损耗和开关损耗。其中静态损耗由通态损耗PIGBT_on和断态损耗PIGBT_off组成;开关损耗由开通损耗Psw_on和关断损耗Psw_off组成。由于IGBT功率模块在高频状态下工作,因此开关损耗占了IGBT总损耗的绝大部分,是发热的主要来源。

IGBT通态损耗计算式为:

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IGBT处于关断状态时,其管内漏电流为毫安级,引起的损耗很小,一般忽略不计,故:

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IGBT关断损耗计算式为:

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1.2 反并联二极管 FWD 损耗

FWD 的功率损耗与 IGBT 损耗相同。由于 FWD 在断态状态时漏电电流较小,在导通时刻的时间非常短暂,通态内阻非常小,因此 FWD 的断态损耗、开通损耗和通态损耗影响非常小,通常不予以考虑,仅考虑 FWD 的关断损耗。

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1.3 IGBT模块总损耗

单个 IGBT 模块总损耗等于 IGBT 和 FWD 一个工作周期所有损耗的总和,即:

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计算过程中的一些系数可通过查阅相关器件手册和试验数据获得由损耗计算式计算得到的电动汽车充电机功率模块总损耗为850W。以求得的功率模块总损耗值为基础,通过Icepak软件可仿真不同因素对散热器散热的影响。

2 水冷散热模型建立

为简化分析,将IGBT功率器件等效为一块整体发热源,如图1所示。水冷散热器主要由发热功率器件、导热硅脂、散热器组成。发热功率器件产生的热量通过热传导和热对流的方式传递到散热器冷却液,由冷却液体带走,达到降低温度的目的。根据充电机样机实际工作情况,测得散热器尺寸为320mm×160mm×60mm,IGBT功率器件尺寸为200mm×90mm×10mm,导热硅脂尺寸为200mm×90mm×1mm,水箱为铝材质,冷却液为水,模块发热源功率损耗计算得850W,设置环境温度为20℃,水流速度为1.5m/s,导热硅脂导热系数为5W/(m·K),通过ANSYSIcepak软件建立充电机水冷散热模型,如图2所示。

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3 不同因素对散热器散热性能影响

3.1不同入水口流速对散热器性能影响

水冷散热器中水的流速会对散热器的散热性能产生较大影响,流速较小时散热效果无法满足充电机散热要求,流速较大时循环水泵的成本又会增加,同时水冷系统会产生较大的压力和噪声。为此,通过Icepak软件仿真充电机水冷散热器在环境温度为20℃、入水口温度为20℃情况下,入水口流速分别为1、1.5、2、3m/s时,散热器对功率器件温度的影响,如图3所示。

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由图3可知,随着入水口流速的增加,热源表面的温度逐渐下降,散热性能增强,热源表面能很好地降温;但随着入水口流速的继续增加,热源表面温度下降趋势减缓,温度下降幅度较小。由此可知,水流速度不断上升并不能保证散热性能持续大幅提升,反而会带来噪声并消耗较大能量,因此必须将水流速度控制在合理范围内。

3.2不同冷却介质对散热器性能影响

通过Icepak软件仿真环境温度为20℃,入水口温度为20℃,入水口流速为1.5m/s情况下,冷却介质为水,水中分别含50%、60%和80%乙醇时热源表面温度,如图 4 所示。

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由图4可知,当水中含有一定比例乙醇作为冷却介质时,由于导热系数减小,散热能力大幅降低;当水中含50%的乙醇到60%的乙醇时热源表面温度上升趋势减缓,但超过59.3%时热源表面的温度又快速上升。由此说明乙醇的浓度越高,导热系数越小,散热能力越差。

3.3不同入水口温度对散热器性能影响

水冷系统散热的原理是利用液体流动将热量散发出去。通过Icepak软件仿真环境温度为20℃,入水口流速为1.5m/s情况下,入水口温度为15、20、25、30℃时热源表面温度,如图5所示。

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由图5可知,功率器件表面的最高温度随着入水口温度的上升近似呈线性关系增长。由此得出入水口温度的变化会对散热器性能产生很大影响,只有将冷却液体吸收的热量及时散发出去,才能保证新流入的冷却液体温度不对散热器散热性能产生影响。

4 结语

本文主要对影响直流充电机IGBT模块水冷散热性能的关键因素进行了研究,介绍了直流充电机IGBT模块功率损耗的计算方法,通过Icepak软件分别模拟了不同入水口流速、不同冷却介质、不同入水口温度情况下散热器温度分布云图和不同情况与热源表面最高温度的关系图,所得的分布云图和规律曲线可为直流充电机产品水冷散热优化设计提供依据。

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