大電流液固冷卻充電模塊系統(tǒng)設計

陳 熙1， 陳慧敏1， 程 林1， 張 倩1， 劉維新， 陳春宇

（1. 國網(wǎng)北京市電力公司 電力科學研究院， 北京100045； 2. 北京華商三優(yōu)新能源科技有限公司， 北京101100）

隨著新能源產(chǎn)業(yè)布局的整體升級，對動力電池容量和充電時間的要求越來越高，直流大功率充電成為新能源汽車行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。充電過程中直流充電樁內部元件產(chǎn)生的熱量發(fā)散不及時，將影響內部電路板穩(wěn)定運行，降低充電效率。有研究表明，所有的電子元器件都有工作溫度的上限，任何設計精良的電子設備在長期超溫及不均勻熱應力的情況下都會發(fā)生故障或失效[1]。有統(tǒng)計表明，電子器件的溫度每升高10 ℃，可靠性會降低50%[2]。目前充電樁普遍采用強制風冷的冷卻方式，傳統(tǒng)的風冷方式難以滿足大功率充電樁的散熱需求。液冷散熱的冷卻工質比空氣有更高的比熱容，且液冷系統(tǒng)與電子元件采用電氣隔離[3]。此外，充電模塊兩側無需進行直接開孔，有效避免了內部沙塵、柳絮堆積的影響，因此與風冷散熱相比，液冷散熱具有散熱效率高、 噪音低、 可靠性高等優(yōu)點，更適合大功率充電樁[4]。目前，建材、 化工、 石油、 醫(yī)藥等領域，同樣需要散熱系統(tǒng)對其關鍵設備進行冷卻散熱。

液冷散熱主要包括泵驅單相液冷系統(tǒng)、 泵驅兩相液冷系統(tǒng)、 浸沒式單相及相變液冷。 泵驅單相液冷換熱系數(shù)可達1 W/（cm2·K）， 遠高于空氣自然對流和強制對流冷卻。 液冷工質有水、 乙二醇、 聚α乙烯烴（PAO）、 硅油、 氟化液等。 研究者主要圍繞散熱冷板通道結構優(yōu)化開展研究， 目的是提升換熱系數(shù)， 降低泵功率損失[5]。 泵驅兩相冷卻技術以氣-液相變的方式進行散熱， 具有更高的換熱系數(shù)， 可達10 W/（cm2·K）。 該冷卻技術以機械泵作為驅動元件， 以精密控溫型儲液器作為控溫元件， 在蒸發(fā)段吸收發(fā)熱元件的熱量， 在冷凝段釋放熱量， 實現(xiàn)散熱[6]。目前開始在航天、 新能源、 通訊上實現(xiàn)應用，是未來新一代冷卻系統(tǒng)。浸沒式冷卻技術通過直接將電子設備浸入非導電液體中，電子設備產(chǎn)生的熱量直接傳遞給浸沒液體，換熱系數(shù)可達10 W/（cm2·K）。 根據(jù)冷卻工質是否發(fā)生相變， 浸沒式液冷分為相變浸沒式液冷和單相浸沒式液冷[7-8]。近年來學者們對不同冷卻工質體的換熱特性進行了相關實驗研究。 董進喜等[9]結合數(shù)值模擬與實驗比較合成PAO與乙二醇類冷卻工質（#65）的傳熱性能。 結果顯示， #65比PAO的散熱性能更好。 Warrier等[10]采用計算機輔助分子設計方法結合優(yōu)值系數(shù)分析方法，測量二甲基二甲氧基硅烷和乙基二甲基硅烷作為冷卻工質的熱物理性質，并發(fā)現(xiàn)二甲基二甲氧基硅烷與氫氟醚（HFE7200）混合質量比為10%時池沸騰傳熱性能更好，臨界熱通量提高約為20%。通過在冷卻工質中加入納米顆粒形成混合工質[11-12]，具有優(yōu)良的導熱性能，在浸沒冷卻方面具有潛在應用，然而目前關于納米流體許多理論的熱物理性質的實驗結果不一致，需要進一步深入研究。液冷散熱系統(tǒng)用于大功率充電樁時有良好的冷卻散熱效果。

本文中首先分析充電模塊發(fā)熱原理，確定充電模塊發(fā)熱元件，計算充電模塊的熱損耗和充電樁整體散熱量。研究充電樁結構，在充電樁整體布局的基礎上進行液冷散熱系統(tǒng)的研究和設計。根據(jù)充電模塊發(fā)熱元件及各元件發(fā)熱量進行模塊冷板設計，選擇液固兩相流作為冷卻工質。通過仿真分析進行結構優(yōu)化設計?；诔潆娫O備的液冷技術研究，研制電動汽車充電設備，進行實驗和驗證。

1 液冷系統(tǒng)工作原理

液冷散熱系統(tǒng)的主要功能是提供一定溫度和流量的冷卻工質，冷卻工質通過冷板與充電模塊的發(fā)熱元件進行換熱，帶走模塊內部發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量[13]。冷卻系統(tǒng)通過循環(huán)泵提供動力將冷卻工質以一定流量和壓力輸送至液冷充電模塊的冷板中，進入冷板后，冷卻工質通過對流換熱吸收充電模塊內部發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量而升溫，同時充電模塊內部發(fā)熱元件得到冷卻；升溫后的冷卻工質回流至液體冷卻裝置，進行二次熱交換，交換出來熱空氣由風冷換熱器排出，將冷卻工質溫度降低。液冷充電機散熱系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 液冷散熱系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of liquid cooling system

液冷散熱系統(tǒng)主要包括液冷充電模塊、 循環(huán)泵、 膨脹儲液箱、 補償罐、 換熱器、 風機、 管路等結構組件和控制箱、 控制面板、溫度、 壓力等電器元件[14]。通過液冷對電子器件進行散熱，已具備較為成熟的理論及實踐應用基礎，并在航空航天、 數(shù)據(jù)中心、 超級計算機等領域具有豐富的應用案例[15-16]。本文中針對當前主流充電樁機型，采用Solidworks構建物理模型，選擇石墨烯粉體作為固相填充至冷卻液，通過CFD仿真模擬技術研究液固兩相流動過程對系統(tǒng)換熱過程的影響，優(yōu)化冷卻設備結構和換熱流場，通過數(shù)值仿真與實驗開展樣機開發(fā)并進行測試應用。

2 系統(tǒng)設計與關鍵部件仿真

2.1 關鍵部件的選擇與設計

2.1.1 循環(huán)泵的選型

循環(huán)泵作為整個液冷散熱系統(tǒng)的動力元件， 要克服循環(huán)管路內的阻力， 驅動冷卻工質進入散熱循環(huán)。

所選水泵不僅要在性能上滿足要求， 還要具有良好的環(huán)境適應性， 要通過高溫、 低溫環(huán)境以及兼容性考核。 通過綜合對比格蘭富、 南方泵業(yè)和河北雷洛等多家公司， 選用河北雷洛公司生產(chǎn)的LL-IS3225-3型屏蔽泵， 流量為3 m3/h時， 揚程為30 m。 可適應環(huán)境溫度范圍為-40～55 ℃， 且與乙二醇有良好的相容性。 屏蔽泵沒有軸封， 并且完全無泄漏， 可靠性高， 并且整體尺寸較小， 占用空間少。

2.1.2 管路設計

通過對冷卻工質相容性進行論證，按照使用壽命長、 耐候性好、 冷卻工質和管路材料無化學反應的原則，根據(jù)管路材料選型目錄，從304、 316、 6061、 6063金屬材料和EPDM、 HNBR等非金屬材料中優(yōu)先進行選擇。

液冷散熱系統(tǒng)管路包括硬管與軟管。硬管用于流體回路固定，軟管具有吸收因機組振動產(chǎn)生相對運動的作用。根據(jù)使用環(huán)境及功能要求，硬管選用防腐性能好的304L不銹鋼材料，綜合循環(huán)泵、 散熱器、 水箱等器件接口，合理選擇管徑。軟管選用EPDM材料，具有良好的耐溫性、耐候性和耐摩擦性等優(yōu)點。

冷卻工質從儲液罐出來經(jīng)過循環(huán)泵進入液冷充電模塊冷板中，冷卻工質從冷板中出來后進入散熱器進行降溫，然后從散熱器回到儲液罐。各個支路間設置閥門，可單獨控制各個支路的關斷。在儲液罐冷卻工質限位處設置溢水口，當罐內冷卻工質補液時超過最大容量，多余的冷卻工質會從溢水口移除。儲液罐與排液槽之間設置排液管路，管路上設置閥門，控制管路連通、 斷開。儲液罐外部設置調節(jié)管路，管路上設置調節(jié)閥，可根據(jù)使用情況調節(jié)管路的流量。

2.1.3 冷卻工質選型

根據(jù)液冷散熱系統(tǒng)的散熱設計要求，系統(tǒng)應滿足總熱流量為9 474 W。選用冰點為-35 ℃以下的低溫冷卻工質，流量為2.1 m3/h。冷卻工質進行對流換熱，將充電模塊散發(fā)的熱量帶走，冷卻工質的選型是液冷散熱的關鍵因素，影響著冷板甚至整個液冷系統(tǒng)的散熱水平。

結合充電樁的應用場景和條件約束，本文中對常見4種冷卻工質的綜合性能進行了詳細地對比和論證，詳見表1。通過數(shù)據(jù)對比和分析，液冷機組的環(huán)境溫度為-35～50 ℃，為了適應低溫環(huán)境，液冷機組使用的冷卻工質的冰點需要低于-35 ℃。以上4種冷卻工質中，氟化液和導熱硅油雖然低溫性能優(yōu)異，但換熱性較差，不宜作為本項目冷卻工質使用。去離子水的冰點為0 ℃，不滿足液冷機組的低溫使用要求，而體積分數(shù)為56%的乙二醇水溶液的冰點在-35 ℃以下，且乙二醇水溶液具有較高的穩(wěn)定性，選用乙二醇水溶液作為冷卻工質，具有低溫性能優(yōu)異、換熱性能好、穩(wěn)定性低等優(yōu)點。同時加入石墨烯粉體形成液固兩相流傳熱工質，提高散熱效率。

2.2 液冷散熱基礎理論

2.2.1 冷板熱設計傳熱理論基礎

冷板熱傳遞的3種基本方式是熱傳導、熱對流和熱輻射，輻射較小，主要表現(xiàn)為熱傳導和熱對流。熱傳導指的是冷板表面與內部之間材料的導熱溫差，主要取決于冷板材料的選擇，可以用傅里葉定律來描述熱傳導的原理。

表1 常見冷卻工質物性參數(shù)

（1）

冷板內部工質與冷板壁面之間的換熱為流固耦合換熱，主要取決于流動狀態(tài)，雷諾數(shù)Re為換熱的重要特征，當Re小于2 300時，換熱機理主要為層流，換熱系數(shù)與流速無關，取決于結構參數(shù)；當Re大于2 300時，換熱機理主要為湍流，換熱系數(shù)隨著流速的增加而增加。工質與冷板壁面之間的換熱量可按下式計算：

Φ=hcA2（tw-tf），

（2）

式中：hc為換熱系數(shù)， 即單位面積溫差為1 ℃時所傳遞的熱量， W/（m2·℃）；A2為固體壁面換熱面積， m2；tw為固體壁面溫度， ℃；tf為流體溫度， ℃。

2.2.2 計算流體力學仿真基礎理論

在研究冷板過程中，一般假設流體是連續(xù)而不可壓縮的，在這一前提條件下，流體力學的基本方程為納維-斯托克斯 （Navier-Stokes）方程，簡稱NS方程，包括傳熱學中的連續(xù)性方程、 動量守恒方程和能量守恒方程，是熱分析的基礎理論。以上理論是CFD仿真分析的基礎理論。

2.3 研究方法

通過研究常用不同流道液冷板的流固耦合傳熱仿真技術，根據(jù)散熱芯片散熱的要求，設計了2種不同流道結構的液冷冷板，選擇液固兩相流冷卻工質，并對其進行理論以及仿真分析。為了提高冷板的散熱性能，使用CFD優(yōu)化軟件對所設計的液冷冷板參數(shù)進行優(yōu)化。仿真改進后的冷板流道的散熱性能，與理論分析結果進行比較，驗證了仿真軟件計算的可靠性，并分析了主要參數(shù)對冷板散熱性能的影響。

圖2 S型流道冷板截面Fig.2 Cold plate section of S-shaped runner

2.4 流道選擇

作為液冷冷卻系統(tǒng)的核心部件，冷板性能直接決定了整個散熱系統(tǒng)工作性能的好壞。液冷冷板的基本工作原理是通過液固兩相流冷卻劑流過加工在面板上的流道槽，冷卻劑中的液相和粉末固相將排布在冷板表面的高熱功率的電子元件所散發(fā)的熱量帶走，進而實現(xiàn)整個裝備的散熱。常用的冷板基材一般是銅、鋁等高導熱率材料，液冷冷板的常見流道形式為矩形直流道、矩形S流道以及相應的圓形流道式冷板。常見的矩形液冷冷板流道結構和S型流道結構分別如圖2所示。

本文中主要對S型流道的設計以及性能等進行仿真分析和優(yōu)化。S流道結構流道方向的改變增加了流動的擾動，流體中分布的粉末固相增大了對流換熱系數(shù)，解決了流道流量分配不均的情況，在一定程度上改善了冷板的散熱效果，同時節(jié)省進水量[17]。其次，鋁合金的導熱性能在眾多金屬以及非金屬中較好，其導熱系數(shù)為177 W/（m·K），且造價便宜，因此目前市場上通用的液冷冷板材料多為5A06鋁合金。液冷冷板的常見散熱流體為導熱系數(shù)大的液態(tài)水、乙二醇水溶液。基于180 kW風冷充電樁確定的發(fā)熱元件及其發(fā)熱量，進行模塊冷板的結構設計，對冷板及液冷模塊進行仿真分析，并與市場上目前液冷模塊產(chǎn)品進行比較，檢驗設計優(yōu)化的冷板散熱能力。

2.5 仿真分析

2.5.1 華為模塊仿真分析

以華為充電模塊為例，部件熱耗參數(shù)如表2所示。單個華為模塊熱損耗為1 598 W，在此基礎上進行冷板結構設計。所選擇體積分數(shù)為56%的乙二醇水溶液的物性參數(shù)如表3所示。

表2 華為30 kW充電模塊參數(shù)和熱耗

表3 體積分數(shù)為56%的乙二醇水溶液物性參數(shù)

（a）方案1

（b）方案2

根據(jù)熱負荷分布及結構特點設計2種冷板S型流道方案，如圖3所示。

（a）方案1

（b）方案2

2種S型流道結構流道截面積一樣，但并聯(lián)流道數(shù)量不同，方案1的流速小，方案2的流速大。在相同的流量下，方案2流動速度是方案1的3倍，換熱性能更佳，但其流阻會有增加。方案1結構簡潔，流道阻力較小，便于加工成型。方案2流道分配均勻，散熱性能更佳。通過CFD仿真進行對比，相同參數(shù)，方案2的表面溫度比方案1的降低2 ℃左右，換熱性能更好，仿真圖詳見下圖4所示，因此，選擇方案2作為冷板的設計結構。冷板尺寸如表4所示。

表4 冷板尺寸參數(shù)

（a）前級

（b）后級

圖5所示為液冷模塊前級和后級發(fā)熱元件表面溫度圖。如圖可知，冷板表面最高溫度為40.2 ℃，模塊主要發(fā)熱元件表面最高溫度是42.3 ℃。 與目前華為30 kW風冷模塊相比， 表面最高溫度降低21.1 ℃， 散熱能力提高約50%，降低了模塊內部元件的表面溫度，確保模塊滿載狀態(tài)下正常工作，避免了由于溫度過高功率下降。此外，與風冷模塊相比，液冷模塊內部無風扇，減少了模塊的噪聲，解決了由于模塊噪聲過大，充電樁安裝場地受限，干擾周圍居民生活。

2.5.2 英可瑞模塊仿真分析

由于市場上成熟液冷充電模塊產(chǎn)品較少，目前已知模塊主流廠家英可瑞已研發(fā)出30 kW液冷模塊，現(xiàn)對英可瑞液冷模塊在同等設定參數(shù)下，進行仿真分析，并與設計優(yōu)化的華為液冷模塊進行比較。英可瑞液冷模塊的參數(shù)詳見表5。

根據(jù)上述公式，計算EVR330-30000模塊的總體發(fā)熱量約為Q=1 746 W。對英可瑞（Increase）液冷模塊的主要發(fā)熱元件進行拆解分析，忽略對充電模塊發(fā)熱影響較小的元件。創(chuàng)建模塊仿真模型，進行仿真分析。仿真模型如圖6所示。

表5 英可瑞液冷模塊參數(shù)表

（a）模型

（b）前級發(fā)熱元件熱耗

（c）后級發(fā)熱元件熱耗

（d）冷板結構圖

（e）外部圖

為了更加準確地進行比較，設置工況和輸入?yún)?shù)與上述華為液冷模塊參數(shù)保持一致，對英可瑞液冷模塊EVR330-30000進行仿真分析，仿真結果如圖7所示。

（a）冷板

（b）前級發(fā)熱元件

（c）后級發(fā)熱元件

從上述英可瑞液冷仿真結果分析，在同等輸入條件和工況下，冷板最高溫度為50.3 ℃，發(fā)熱元件表面最高溫度為50.8 ℃。本文中研究的液冷模塊溫度，冷板表面最高溫度為40.2 ℃，模塊主要發(fā)熱元件表面最高溫度為42.3 ℃，比與英可瑞液冷模塊EVR330-30000表面溫度降低了約10 ℃，散熱效率高出20%以上，表面溫度更低，效率更高，占用體積更小。

通過分析充電模塊發(fā)熱機理，根據(jù)充電模塊散熱需求，選擇體積分數(shù)為56%的乙二醇水溶液作為液相，加入體積分數(shù)為3%的石墨烯粉體作為固相形成液固兩相流冷卻工質。設定環(huán)境工況和仿真輸入?yún)?shù)，對華為30 kW液冷模塊進行仿真分析。經(jīng)與華為原30 kW風冷模塊對比，模塊表面溫度降低了約21.1 ℃，散熱能力提高了約50%。采用同樣分析方法對英可瑞液冷充電模塊進行分析，按照相同工況和輸入條件對可瑞液冷充電模塊進行仿真分析。經(jīng)對比，設計優(yōu)化后的華為30 kW液冷模塊相比于英可瑞30 kW液冷模塊，表面最高溫度降低了10 ℃，整體換熱效率提升了20%。

3 系統(tǒng)設計特點

3.1 可靠性設計

整個液冷系統(tǒng)的可靠性設計包括系統(tǒng)層面的和單機層面的。

1）備份設計。對于關鍵單機設置備份，包括兩相泵、 冷凝器風機，即系統(tǒng)中設置2臺循環(huán)泵和2臺風機，采用冷備份方式，及1臺工作和1臺備份，當系統(tǒng)檢測到設備故障時即自主切換到備份設備。系統(tǒng)中的壓縮機只是在環(huán)境溫度較高時使用，使用頻率較低，系統(tǒng)可降額使用。

2）裕度設計。系統(tǒng)設計時在系統(tǒng)傳熱能力、 散熱能力、 耐壓能力、 漏率均有裕度，提升了整個系統(tǒng)的可靠性。

3）故障檢測與隔離。系統(tǒng)中配置溫度、 壓力、 轉速、 液位傳感器，根據(jù)系統(tǒng)的工作情況進行檢測與自主診斷，發(fā)現(xiàn)異常信息后，根據(jù)故障的等級進行相應的處理，并將熱控系統(tǒng)的工作狀態(tài)實時傳遞到整個雷達系統(tǒng)中，確保不發(fā)生超溫等故障。

4）單機可靠性。在系統(tǒng)可靠性設計中，通過對可靠性指標的分解，對單機提出相應的可靠性指標，單機在研制過程中通過相應的可靠性設計來滿足可靠性指標要求。尤其是泵、補償器、工質、閥門等易出現(xiàn)問題的器件。

3.2 維修性設計

維修性設計主要考慮以下幾個方面。 1）系統(tǒng)布局時預留人員維修操作空間，以及工具使用空間，便于后期維修操作； 2）每個支路設置斷接器，在支路進行維修時可以進行熱拔插，不影響其他支路的工作，盡量減少維修對系統(tǒng)工作的影響； 3）泵、 冷板等采用柱塞接頭的連接方式，方便后續(xù)的拆裝； 4）采用模塊化設計，便于維修更換。

在進行維修時一般采用下面步驟開展。 1）故障檢測：根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)確定，包括轉速、 溫度、 流量、 液位和壓力參數(shù)； 2）定位：根據(jù)故障判據(jù)以及故障檢測信息，確定故障點； 3）處置：當確定故障點后根據(jù)故障預案采取處理措施。

3.3 安全性設計

由于液體的不可壓縮性，如果一個封閉的流體回路系統(tǒng)當溫度變化時沒有補償或補償不足，系統(tǒng)壓力會急劇變化。一般來說系統(tǒng)壓力減小主要是會影響泵的工作，而當壓力升高超過設備的耐壓時會發(fā)生很大的安全性問題。

液冷回路系統(tǒng)的壓力控制目前主要是通過補償器來實現(xiàn)的。 補償器是一種波紋管隔離的兩腔結構， 一側充有氣體。 高溫時液固兩相工質體積膨脹氣體壓縮， 液固兩相工質進入補償器， 低溫時氣側體積膨脹， 液固兩相工質進入主回路， 起到調節(jié)系統(tǒng)壓力的作用。 補償器一般設置在泵入口處， 安裝在管路系統(tǒng)最高處， 帶有安全閥、 放水閥、 排氣閥、 液面指示報警器及自動補水裝置， 用來對系統(tǒng)工質進行補充。

系統(tǒng)壓力設計時一般考慮以下因素。 1）系統(tǒng)最低壓力應滿足泵入口壓力要求且有一定汽蝕余量，應盡量使流體回路最低壓力高于外部環(huán)境的，形成正壓系統(tǒng)。 2）滿足系統(tǒng)最低壓力條件下，系統(tǒng)最高壓力應盡量小，減小系統(tǒng)漏率及管路和設備承壓。

3.3.1 工質熱膨脹系數(shù)的確定

已知工質體膨脹系數(shù)β定義式為：

（3）

（4）

式中： 密度ρ是溫度的函數(shù)，隨溫度而變化。

工質密度隨溫度的變化關系ρ（T）由實驗測得，由式（4）可確定工質熱膨脹系數(shù)及隨溫度變化關系β（T）。

1）高溫工況熱分析。流體回路工質在高溫工況下，所有工質溫度為Tl_h，相對于室溫Tl_r而言，工質受熱膨脹，體積膨脹量ΔV1可按照下式計算。

（5）

式中：V1為流體回路工質容積， m3。

此結果說明，在流體回路加注充滿液體后，補償器氣側氣體體積應不小于ΔV1升。同時，要求補償器在充完液體后金屬波紋管或橡皮囊還應具有ΔV1升的膨脹變形能力。

2）低溫工況熱分析。依據(jù)流體回路低溫工況的定義，參照高溫工況熱分析的計算方法，在低溫工況下工質體積收縮量ΔV2可按照下式計算：

（6）

式中：Tf_c為低溫工況輻射器工質平均溫度， ℃；Vf為輻射器工質流道的容積， m3；Tq_c為回路其他位置受控溫點影響的工質溫度， ℃。

計算結果說明，在給流體回路加注時為了補償因溫度下降而體積縮小的那部分工質，必須使得補償器液側體積大于ηV2升（假設補償器的擠出效率為100%）。

3）流體回路的工質泄漏量。流體回路的理論泄漏量，可按照下面公式計算。質量泄漏量

（7）

容積泄漏量

（8）

式中：R為通用氣體常數(shù)， 8 314.3 kJ/（kmol·K）；Q為泄漏率, Pa·L/s；T為在軌運行時間, s。

4 180 kW液冷充電機的實例驗證

完成液冷充電機散熱系統(tǒng)的搭建后，考慮到液冷系統(tǒng)對充電機的整體散熱效果，需要進一步明確全溫度場下充電機模塊的表面溫度情況，此時需要借助CFD有限體積方法對液冷散熱系統(tǒng)進行熱仿真。整機結構布局如圖8所示。

圖8 液冷充電機整體布局Fig.8 Overall layout of liquid cooled charger

4.1 系統(tǒng)工況參數(shù)及模型邊界

1）樣機熱負荷分析。系統(tǒng)總熱耗主要集中在充電模塊部分，根據(jù)上述計算，單個充電模塊散熱量為1 579 W，液冷充電機輸出功率為180 kW，采用6個液冷充電模塊，總熱量為9.474 kW?？紤]采用合理的裕度設計，取總熱量的1.1倍，系統(tǒng)總散熱量為10.42 kW。

2）系統(tǒng)工況參數(shù)設定。采用CFD方法進行液冷散熱仿真，仿真輸入?yún)?shù)見表6。

表6 液冷散熱系統(tǒng)仿真輸入?yún)?shù)表

4.3 仿真分析

對液冷充電機進行模擬仿真，根據(jù)上述參數(shù)進行設定。通過對液冷充電機進行結構分析，為提高仿真運算效率，對結構進行簡化，去除對整體發(fā)熱影響較小的元件，保留液冷充電模塊、管路、散熱器等元件。仿真結果如圖9、10所示。

（a）液冷循環(huán)路徑

（b）排風扇

（a）液冷循環(huán)路徑

（b）排風扇

目前市場上液冷充電機的成熟產(chǎn)品較少，主流模塊廠家英可瑞已研制出液冷充電機，通過對英可瑞液冷充電機的結構進行分析，為方便液冷散熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比，將英可瑞液冷充電機的仿真參數(shù)與上述液冷散熱系統(tǒng)參數(shù)保持一致，進行仿真，仿真結果如圖11所示。

（a）仿真模型

（b）溫度分布云圖

英可瑞液冷散熱系統(tǒng)模塊放置在柜體中部，散熱器放置于模塊上方，從上述仿真結果分析，在同等輸入條件和工況下，液冷散熱系統(tǒng)表面最高溫度是充電模塊表面溫度為50.3 ℃。本文中研究的液冷散熱系統(tǒng)表面最高溫度同樣位于充電模塊表面，溫度為40.15 ℃，與英可瑞液冷散熱系統(tǒng)相比，表面溫度降低約10 ℃，散熱效率高出20%以上，表面溫度更低，效率更高。

5 結論

1）對充電模塊的發(fā)熱機理進行分析，以及圍繞散熱冷通道結構優(yōu)化開展研究，系統(tǒng)設計循環(huán)泵、管路、散熱器等液冷充電系統(tǒng)等關鍵部件，根據(jù)充電模塊散熱需求，選擇體積分數(shù)為56%的乙二醇水溶液作為冷卻工質，同時加入體積分數(shù)為3%的石墨烯粉體作為固相填充。液固兩相流的傳熱效率高于單一液相的液冷散熱系統(tǒng)。

2）相較于華為原30 kW風冷模塊和英可瑞30 kW液冷模塊，設計優(yōu)化后的華為30 kW液冷模塊表面溫度分別降低約21.1、 10 ℃。液冷散熱冷板通道結構的優(yōu)化設計大幅提高了整體散熱能力和換熱效率。

3）完成液冷充電散熱系統(tǒng)的搭建后，以180 kW液冷充電機為例，通過對冷板和液冷模塊進行理論計算和模擬仿真，與市場上現(xiàn)有液冷模塊進行對比，設計優(yōu)化后的液冷模塊散熱效率提升了約20%。液冷工質中加入固體粉末提高了傳熱效率，證明液冷散熱系統(tǒng)的設計合理性，形成高效率、 高密封、 高防護、 高穩(wěn)定、 方便安裝維修和更換的液冷散熱系統(tǒng)方案。