0 引言
隨著電動(dòng)汽車的不斷普及，利用直流充電機(jī)給電動(dòng)汽車充電變得越來越普遍。由于直流充電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)功率模塊會產(chǎn)生大量熱損耗，使得充電機(jī)樁體內(nèi)部熱量越聚越多，加上樁體空間有限，因此必須及時(shí)將大量熱量散發(fā)出去。對于同一功率器件而言，在高溫狀態(tài)下的輸出功率要明顯低于正常溫度下的輸出功率，因此采取有效的散熱措施可促使機(jī)器正常性能的發(fā)揮。對于功率小、熱流密度小的充電機(jī)，通常采用強(qiáng)迫風(fēng)冷式散熱，但風(fēng)冷散熱易產(chǎn)生噪聲污染，吸入灰塵等雜質(zhì)，需定期維護(hù)。近年來，水冷散熱器因水的比熱容大、散熱效果好、噪聲污染小、可靠性高而逐漸占領(lǐng)市場，應(yīng)用越來越普遍，因此研究水冷散熱過程中不同因素對散熱器散熱性能的影響十分有意義。
1 充電機(jī)功率回路損耗計(jì)算
直流充電機(jī)中IGBT功率模塊工作頻率較高，損耗較大，為直流充電機(jī)的主要發(fā)熱源。IGBT功率模塊損耗主要包括IGBT損耗和反并聯(lián)二極管FWD損耗。
1.1 IGBT損耗
IGBT功率模塊損耗按性質(zhì)不同可分為靜態(tài)損耗和開關(guān)損耗。其中靜態(tài)損耗由通態(tài)損耗PIGBT_on和斷態(tài)損耗PIGBT_off組成;開關(guān)損耗由開通損耗Psw_on和關(guān)斷損耗Psw_off組成。由于IGBT功率模塊在高頻狀態(tài)下工作，因此開關(guān)損耗占了IGBT總損耗的絕大部分，是發(fā)熱的主要來源。
IGBT通態(tài)損耗計(jì)算式為:
IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，其管內(nèi)漏電流為毫安級，引起的損耗很小，一般忽略不計(jì)，故:
IGBT關(guān)斷損耗計(jì)算式為:
1.2 反并聯(lián)二極管 FWD 損耗
FWD 的功率損耗與 IGBT 損耗相同?由于 FWD 在斷態(tài)狀態(tài)時(shí)漏電電流較小,在導(dǎo)通時(shí)刻的時(shí)間非常短暫,通態(tài)內(nèi)阻非常小,因此 FWD 的斷態(tài)損耗?開通損耗和通態(tài)損耗影響非常小,通常不予以考慮,僅考慮 FWD 的關(guān)斷損耗?
1.3 IGBT模塊總損耗
單個(gè) IGBT 模塊總損耗等于 IGBT 和 FWD 一個(gè)工作周期所有損耗的總和，即:
計(jì)算過程中的一些系數(shù)可通過查閱相關(guān)器件手冊和試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。由損耗計(jì)算式計(jì)算得到的電動(dòng)汽車充電機(jī)功率模塊總損耗為850W。以求得的功率模塊總損耗值為基礎(chǔ)，通過Icepak軟件可仿真不同因素對散熱器散熱的影響。
2 水冷散熱模型建立
為簡化分析，將IGBT功率器件等效為一塊整體發(fā)熱源，如圖1所示。水冷散熱器主要由發(fā)熱功率器件、導(dǎo)熱硅脂、散熱器組成。發(fā)熱功率器件產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)和熱對流的方式傳遞到散熱器冷卻液，由冷卻液體帶走，達(dá)到降低溫度的目的。根據(jù)充電機(jī)樣機(jī)實(shí)際工作情況，測得散熱器尺寸為320mm×160mm×60mm，IGBT功率器件尺寸為200mm×90mm×10mm，導(dǎo)熱硅脂尺寸為200mm×90mm×1mm，水箱為鋁材質(zhì)，冷卻液為水，模塊發(fā)熱源功率損耗計(jì)算得850W，設(shè)置環(huán)境溫度為20℃，水流速度為1．5m/s，導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)為5W/(m·K)，通過ANSYSIcepak軟件建立充電機(jī)水冷散熱模型，如圖2所示。
3 不同因素對散熱器散熱性能影響
3.1不同入水口流速對散熱器性能影響
水冷散熱器中水的流速會對散熱器的散熱性能產(chǎn)生較大影響，流速較小時(shí)散熱效果無法滿足充電機(jī)散熱要求，流速較大時(shí)循環(huán)水泵的成本又會增加，同時(shí)水冷系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的壓力和噪聲。為此，通過Icepak軟件仿真充電機(jī)水冷散熱器在環(huán)境溫度為20℃、入水口溫度為20℃情況下，入水口流速分別為1、1．5、2、3m/s時(shí)，散熱器對功率器件溫度的影響，如圖3所示。
由圖3可知，隨著入水口流速的增加，熱源表面的溫度逐漸下降，散熱性能增強(qiáng)，熱源表面能很好地降溫;但隨著入水口流速的繼續(xù)增加，熱源表面溫度下降趨勢減緩，溫度下降幅度較小。由此可知，水流速度不斷上升并不能保證散熱性能持續(xù)大幅提升，反而會帶來噪聲并消耗較大能量，因此必須將水流速度控制在合理范圍內(nèi)。
3.2不同冷卻介質(zhì)對散熱器性能影響
通過Icepak軟件仿真環(huán)境溫度為20℃，入水口溫度為20℃，入水口流速為1．5m/s情況下，冷卻介質(zhì)為水，水中分別含50%、60%和80%乙醇時(shí)熱源表面溫度，如圖 4 所示。
由圖4可知，當(dāng)水中含有一定比例乙醇作為冷卻介質(zhì)時(shí)，由于導(dǎo)熱系數(shù)減小，散熱能力大幅降低;當(dāng)水中含50%的乙醇到60%的乙醇時(shí)熱源表面溫度上升趨勢減緩，但超過59．3%時(shí)熱源表面的溫度又快速上升。由此說明乙醇的濃度越高，導(dǎo)熱系數(shù)越小，散熱能力越差。
3.3不同入水口溫度對散熱器性能影響
水冷系統(tǒng)散熱的原理是利用液體流動(dòng)將熱量散發(fā)出去。通過Icepak軟件仿真環(huán)境溫度為20℃，入水口流速為1．5m/s情況下，入水口溫度為15、20、25、30℃時(shí)熱源表面溫度，如圖5所示。
由圖5可知，功率器件表面的最高溫度隨著入水口溫度的上升近似呈線性關(guān)系增長。由此得出入水口溫度的變化會對散熱器性能產(chǎn)生很大影響，只有將冷卻液體吸收的熱量及時(shí)散發(fā)出去，才能保證新流入的冷卻液體溫度不對散熱器散熱性能產(chǎn)生影響。
4 結(jié)語
本文主要對影響直流充電機(jī)IGBT模塊水冷散熱性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究，介紹了直流充電機(jī)IGBT模塊功率損耗的計(jì)算方法，通過Icepak軟件分別模擬了不同入水口流速、不同冷卻介質(zhì)、不同入水口溫度情況下散熱器溫度分布云圖和不同情況與熱源表面最高溫度的關(guān)系圖，所得的分布云圖和規(guī)律曲線可為直流充電機(jī)產(chǎn)品水冷散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
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