陳 熙1， 陳慧敏1， 程 林1， 張 倩1， 劉維新， 陳春宇

（1. 國(guó)網(wǎng)北京市電力公司 電力科學(xué)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(jí)，對(duì)動(dòng)力電池容量和充電時(shí)間的要求越來(lái)越高，直流大功率充電成為新能源汽車行業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。充電過(guò)程中直流充電樁內(nèi)部元件產(chǎn)生的熱量發(fā)散不及時(shí)，將影響內(nèi)部電路板穩(wěn)定運(yùn)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(shè)計(jì)精良的電子設(shè)備在長(zhǎng)期超溫及不均勻熱應(yīng)力的情況下都會(huì)發(fā)生故障或失效[1]。有統(tǒng)計(jì)表明，電子器件的溫度每升高10 ℃，可靠性會(huì)降低50%[2]。目前充電樁普遍采用強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻方式，傳統(tǒng)的風(fēng)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(zhì)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(cè)無(wú)需進(jìn)行直接開孔，有效避免了內(nèi)部沙塵、柳絮堆積的影響，因此與風(fēng)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(diǎn)，更適合大功率充電樁[4]。目前，建材、 化工、 石油、 醫(yī)藥等領(lǐng)域，同樣需要散熱系統(tǒng)對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冷卻散熱。

液冷散熱主要包括泵驅(qū)單相液冷系統(tǒng)、 泵驅(qū)兩相液冷系統(tǒng)、 浸沒式單相及相變液冷。 泵驅(qū)單相液冷換熱系數(shù)可達(dá)1 W/（cm2·K）， 遠(yuǎn)高于空氣自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流冷卻。 液冷工質(zhì)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(jié)構(gòu)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(qū)兩相冷卻技術(shù)以氣-液相變的方式進(jìn)行散熱， 具有更高的換熱系數(shù)， 可達(dá)10 W/（cm2·K）。 該冷卻技術(shù)以機(jī)械泵作為驅(qū)動(dòng)元件， 以精密控溫型儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)散熱[6]。目前開始在航天、 新能源、 通訊上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，是未來(lái)新一代冷卻系統(tǒng)。浸沒式冷卻技術(shù)通過(guò)直接將電子設(shè)備浸入非導(dǎo)電液體中，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量直接傳遞給浸沒液體，換熱系數(shù)可達(dá)10 W/（cm2·K）。 根據(jù)冷卻工質(zhì)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(lái)學(xué)者們對(duì)不同冷卻工質(zhì)體的換熱特性進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。 董進(jìn)喜等[9]結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)比較合成PAO與乙二醇類冷卻工質(zhì)（#65）的傳熱性能。 結(jié)果顯示， #65比PAO的散熱性能更好。 Warrier等[10]采用計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)方法結(jié)合優(yōu)值系數(shù)分析方法，測(cè)量二甲基二甲氧基硅烷和乙基二甲基硅烷作為冷卻工質(zhì)的熱物理性質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)二甲基二甲氧基硅烷與氫氟醚（HFE7200）混合質(zhì)量比為10%時(shí)池沸騰傳熱性能更好，臨界熱通量提高約為20%。通過(guò)在冷卻工質(zhì)中加入納米顆粒形成混合工質(zhì)[11-12]，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，在浸沒冷卻方面具有潛在應(yīng)用，然而目前關(guān)于納米流體許多理論的熱物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致，需要進(jìn)一步深入研究。液冷散熱系統(tǒng)用于大功率充電樁時(shí)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(jì)算充電模塊的熱損耗和充電樁整體散熱量。研究充電樁結(jié)構(gòu)，在充電樁整體布局的基礎(chǔ)上進(jìn)行液冷散熱系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。根據(jù)充電模塊發(fā)熱元件及各元件發(fā)熱量進(jìn)行模塊冷板設(shè)計(jì)，選擇液固兩相流作為冷卻工質(zhì)。通過(guò)仿真分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诔潆娫O(shè)備的液冷技術(shù)研究，研制電動(dòng)汽車充電設(shè)備，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)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(zhì)，冷卻工質(zhì)通過(guò)冷板與充電模塊的發(fā)熱元件進(jìn)行換熱，帶走模塊內(nèi)部發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量[13]。冷卻系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)泵提供動(dòng)力將冷卻工質(zhì)以一定流量和壓力輸送至液冷充電模塊的冷板中，進(jìn)入冷板后，冷卻工質(zhì)通過(guò)對(duì)流換熱吸收充電模塊內(nèi)部發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量而升溫，同時(shí)充電模塊內(nèi)部發(fā)熱元件得到冷卻；升溫后的冷卻工質(zhì)回流至液體冷卻裝置，進(jìn)行二次熱交換，交換出來(lái)熱空氣由風(fēng)冷換熱器排出，將冷卻工質(zhì)溫度降低。液冷充電機(jī)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(chǔ)液箱、 補(bǔ)償罐、 換熱器、 風(fēng)機(jī)、 管路等結(jié)構(gòu)組件和控制箱、 控制面板、溫度、 壓力等電器元件[14]。通過(guò)液冷對(duì)電子器件進(jìn)行散熱，已具備較為成熟的理論及實(shí)踐應(yīng)用基礎(chǔ)，并在航空航天、 數(shù)據(jù)中心、 超級(jí)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域具有豐富的應(yīng)用案例[15-16]。本文中針對(duì)當(dāng)前主流充電樁機(jī)型，采用Solidworks構(gòu)建物理模型，選擇石墨烯粉體作為固相填充至冷卻液，通過(guò)CFD仿真模擬技術(shù)研究液固兩相流動(dòng)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)換熱過(guò)程的影響，優(yōu)化冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)和換熱流場(chǎng)，通過(guò)數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)開展樣機(jī)開發(fā)并進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵部件仿真

2.1 關(guān)鍵部件的選擇與設(shè)計(jì)

2.1.1 循環(huán)泵的選型

循環(huán)泵作為整個(gè)液冷散熱系統(tǒng)的動(dòng)力元件， 要克服循環(huán)管路內(nèi)的阻力， 驅(qū)動(dòng)冷卻工質(zhì)進(jìn)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(yīng)性， 要通過(guò)高溫、 低溫環(huán)境以及兼容性考核。 通過(guò)綜合對(duì)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(shí)， 揚(yáng)程為30 m。 可適應(yīng)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(wú)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(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)冷卻工質(zhì)相容性進(jìn)行論證，按照使用壽命長(zhǎng)、 耐候性好、 冷卻工質(zhì)和管路材料無(wú)化學(xué)反應(yīng)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(jìn)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(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。

冷卻工質(zhì)從儲(chǔ)液罐出來(lái)經(jīng)過(guò)循環(huán)泵進(jìn)入液冷充電模塊冷板中，冷卻工質(zhì)從冷板中出來(lái)后進(jìn)入散熱器進(jìn)行降溫，然后從散熱器回到儲(chǔ)液罐。各個(gè)支路間設(shè)置閥門，可單獨(dú)控制各個(gè)支路的關(guān)斷。在儲(chǔ)液罐冷卻工質(zhì)限位處設(shè)置溢水口，當(dāng)罐內(nèi)冷卻工質(zhì)補(bǔ)液時(shí)超過(guò)最大容量，多余的冷卻工質(zhì)會(huì)從溢水口移除。儲(chǔ)液罐與排液槽之間設(shè)置排液管路，管路上設(shè)置閥門，控制管路連通、 斷開。儲(chǔ)液罐外部設(shè)置調(diào)節(jié)管路，管路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)使用情況調(diào)節(jié)管路的流量。

2.1.3 冷卻工質(zhì)選型

根據(jù)液冷散熱系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)應(yīng)滿足總熱流量為9 474 W。選用冰點(diǎn)為-35 ℃以下的低溫冷卻工質(zhì)，流量為2.1 m3/h。冷卻工質(zhì)進(jìn)行對(duì)流換熱，將充電模塊散發(fā)的熱量帶走，冷卻工質(zhì)的選型是液冷散熱的關(guān)鍵因素，影響著冷板甚至整個(gè)液冷系統(tǒng)的散熱水平。

結(jié)合充電樁的應(yīng)用場(chǎng)景和條件約束，本文中對(duì)常見4種冷卻工質(zhì)的綜合性能進(jìn)行了詳細(xì)地對(duì)比和論證，詳見表1。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比和分析，液冷機(jī)組的環(huán)境溫度為-35～50 ℃，為了適應(yīng)低溫環(huán)境，液冷機(jī)組使用的冷卻工質(zhì)的冰點(diǎn)需要低于-35 ℃。以上4種冷卻工質(zhì)中，氟化液和導(dǎo)熱硅油雖然低溫性能優(yōu)異，但換熱性較差，不宜作為本項(xiàng)目冷卻工質(zhì)使用。去離子水的冰點(diǎn)為0 ℃，不滿足液冷機(jī)組的低溫使用要求，而體積分?jǐn)?shù)為56%的乙二醇水溶液的冰點(diǎn)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(zhì)，具有低溫性能優(yōu)異、換熱性能好、穩(wěn)定性低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)加入石墨烯粉體形成液固兩相流傳熱工質(zhì)，提高散熱效率。

2.2 液冷散熱基礎(chǔ)理論

2.2.1 冷板熱設(shè)計(jì)傳熱理論基礎(chǔ)

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

表1 常見冷卻工質(zhì)物性參數(shù)

（1）

冷板內(nèi)部工質(zhì)與冷板壁面之間的換熱為流固耦合換熱，主要取決于流動(dòng)狀態(tài)，雷諾數(shù)Re為換熱的重要特征，當(dāng)Re小于2 300時(shí)，換熱機(jī)理主要為層流，換熱系數(shù)與流速無(wú)關(guān)，取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)；當(dāng)Re大于2 300時(shí)，換熱機(jī)理主要為湍流，換熱系數(shù)隨著流速的增加而增加。工質(zhì)與冷板壁面之間的換熱量可按下式計(jì)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(shí)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(jì)算流體力學(xué)仿真基礎(chǔ)理論

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

2.3 研究方法

通過(guò)研究常用不同流道液冷板的流固耦合傳熱仿真技術(shù)，根據(jù)散熱芯片散熱的要求，設(shè)計(jì)了2種不同流道結(jié)構(gòu)的液冷冷板，選擇液固兩相流冷卻工質(zhì)，并對(duì)其進(jìn)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(duì)所設(shè)計(jì)的液冷冷板參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真改進(jìn)后的冷板流道的散熱性能，與理論分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真軟件計(jì)算的可靠性，并分析了主要參數(shù)對(duì)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(gè)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(guò)液固兩相流冷卻劑流過(guò)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝備的散熱。常用的冷板基材一般是銅、鋁等高導(dǎo)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(yīng)的圓形流道式冷板。常見的矩形液冷冷板流道結(jié)構(gòu)和S型流道結(jié)構(gòu)分別如圖2所示。

本文中主要對(duì)S型流道的設(shè)計(jì)以及性能等進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化。S流道結(jié)構(gòu)流道方向的改變?cè)黾恿肆鲃?dòng)的擾動(dòng)，流體中分布的粉末固相增大了對(duì)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(shí)節(jié)省進(jìn)水量[17]。其次，鋁合金的導(dǎo)熱性能在眾多金屬以及非金屬中較好，其導(dǎo)熱系數(shù)為177 W/（m·K），且造價(jià)便宜，因此目前市場(chǎng)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(dǎo)熱系數(shù)大的液態(tài)水、乙二醇水溶液。基于180 kW風(fēng)冷充電樁確定的發(fā)熱元件及其發(fā)熱量，進(jìn)行模塊冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)冷板及液冷模塊進(jìn)行仿真分析，并與市場(chǎng)上目前液冷模塊產(chǎn)品進(jìn)行比較，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)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(gè)華為模塊熱損耗為1 598 W，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所選擇體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(fù)荷分布及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(dòng)速度是方案1的3倍，換熱性能更佳，但其流阻會(huì)有增加。方案1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)CFD仿真進(jìn)行對(duì)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。冷板尺寸如表4所示。

表4 冷板尺寸參數(shù)

（a）前級(jí)

（b）后級(jí)

圖5所示為液冷模塊前級(jí)和后級(jí)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(fēng)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(nèi)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(guò)高功率下降。此外，與風(fēng)冷模塊相比，液冷模塊內(nèi)部無(wú)風(fēng)扇，減少了模塊的噪聲，解決了由于模塊噪聲過(guò)大，充電樁安裝場(chǎng)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(chǎng)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(duì)英可瑞液冷模塊在同等設(shè)定參數(shù)下，進(jìn)行仿真分析，并與設(shè)計(jì)優(yōu)化的華為液冷模塊進(jìn)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(jì)算EVR330-30000模塊的總體發(fā)熱量約為Q=1 746 W。對(duì)英可瑞（Increase）液冷模塊的主要發(fā)熱元件進(jìn)行拆解分析，忽略對(duì)充電模塊發(fā)熱影響較小的元件。創(chuàng)建模塊仿真模型，進(jìn)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(jí)發(fā)熱元件熱耗

（c）后級(jí)發(fā)熱元件熱耗

（d）冷板結(jié)構(gòu)圖

（e）外部圖

為了更加準(zhǔn)確地進(jìn)行比較，設(shè)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(duì)英可瑞液冷模塊EVR330-30000進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

（a）冷板

（b）前級(jí)發(fā)熱元件

（c）后級(jí)發(fā)熱元件

從上述英可瑞液冷仿真結(jié)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(guò)分析充電模塊發(fā)熱機(jī)理，根據(jù)充電模塊散熱需求，選擇體積分?jǐn)?shù)為56%的乙二醇水溶液作為液相，加入體積分?jǐn)?shù)為3%的石墨烯粉體作為固相形成液固兩相流冷卻工質(zhì)。設(shè)定環(huán)境工況和仿真輸入?yún)?shù)，對(duì)華為30 kW液冷模塊進(jìn)行仿真分析。經(jīng)與華為原30 kW風(fēng)冷模塊對(duì)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(duì)英可瑞液冷充電模塊進(jìn)行分析，按照相同工況和輸入條件對(duì)可瑞液冷充電模塊進(jìn)行仿真分析。經(jīng)對(duì)比，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 可靠性設(shè)計(jì)

整個(gè)液冷系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)層面的和單機(jī)層面的。

1）備份設(shè)計(jì)。對(duì)于關(guān)鍵單機(jī)設(shè)置備份，包括兩相泵、 冷凝器風(fēng)機(jī)，即系統(tǒng)中設(shè)置2臺(tái)循環(huán)泵和2臺(tái)風(fēng)機(jī)，采用冷備份方式，及1臺(tái)工作和1臺(tái)備份，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備故障時(shí)即自主切換到備份設(shè)備。系統(tǒng)中的壓縮機(jī)只是在環(huán)境溫度較高時(shí)使用，使用頻率較低，系統(tǒng)可降額使用。

2）裕度設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)系統(tǒng)的可靠性。

3）故障檢測(cè)與隔離。系統(tǒng)中配置溫度、 壓力、 轉(zhuǎn)速、 液位傳感器，根據(jù)系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行檢測(cè)與自主診斷，發(fā)現(xiàn)異常信息后，根據(jù)故障的等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將熱控系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)傳遞到整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中，確保不發(fā)生超溫等故障。

4）單機(jī)可靠性。在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)可靠性指標(biāo)的分解，對(duì)單機(jī)提出相應(yīng)的可靠性指標(biāo)，單機(jī)在研制過(guò)程中通過(guò)相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)來(lái)滿足可靠性指標(biāo)要求。尤其是泵、補(bǔ)償器、工質(zhì)、閥門等易出現(xiàn)問(wèn)題的器件。

3.2 維修性設(shè)計(jì)

維修性設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面。 1）系統(tǒng)布局時(shí)預(yù)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(gè)支路設(shè)置斷接器，在支路進(jìn)行維修時(shí)可以進(jìn)行熱拔插，不影響其他支路的工作，盡量減少維修對(duì)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(shè)計(jì)，便于維修更換。

在進(jìn)行維修時(shí)一般采用下面步驟開展。 1）故障檢測(cè)：根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)確定，包括轉(zhuǎn)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(cè)信息，確定故障點(diǎn)； 3）處置：當(dāng)確定故障點(diǎn)后根據(jù)故障預(yù)案采取處理措施。

3.3 安全性設(shè)計(jì)

由于液體的不可壓縮性，如果一個(gè)封閉的流體回路系統(tǒng)當(dāng)溫度變化時(shí)沒有補(bǔ)償或補(bǔ)償不足，系統(tǒng)壓力會(huì)急劇變化。一般來(lái)說(shuō)系統(tǒng)壓力減小主要是會(huì)影響泵的工作，而當(dāng)壓力升高超過(guò)設(shè)備的耐壓時(shí)會(huì)發(fā)生很大的安全性問(wèn)題。

液冷回路系統(tǒng)的壓力控制目前主要是通過(guò)補(bǔ)償器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 補(bǔ)償器是一種波紋管隔離的兩腔結(jié)構(gòu)， 一側(cè)充有氣體。 高溫時(shí)液固兩相工質(zhì)體積膨脹氣體壓縮， 液固兩相工質(zhì)進(jìn)入補(bǔ)償器， 低溫時(shí)氣側(cè)體積膨脹， 液固兩相工質(zhì)進(jìn)入主回路， 起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用。 補(bǔ)償器一般設(shè)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(bào)警器及自動(dòng)補(bǔ)水裝置， 用來(lái)對(duì)系統(tǒng)工質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充。

系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮以下因素。 1）系統(tǒng)最低壓力應(yīng)滿足泵入口壓力要求且有一定汽蝕余量，應(yīng)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(yīng)盡量小，減小系統(tǒng)漏率及管路和設(shè)備承壓。

3.3.1 工質(zhì)熱膨脹系數(shù)的確定

已知工質(zhì)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(zhì)密度隨溫度的變化關(guān)系ρ（T）由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，由式（4）可確定工質(zhì)熱膨脹系數(shù)及隨溫度變化關(guān)系β（T）。

1）高溫工況熱分析。流體回路工質(zhì)在高溫工況下，所有工質(zhì)溫度為Tl_h，相對(duì)于室溫Tl_r而言，工質(zhì)受熱膨脹，體積膨脹量ΔV1可按照下式計(jì)算。

（5）

式中：V1為流體回路工質(zhì)容積， m3。

此結(jié)果說(shuō)明，在流體回路加注充滿液體后，補(bǔ)償器氣側(cè)氣體體積應(yīng)不小于ΔV1升。同時(shí)，要求補(bǔ)償器在充完液體后金屬波紋管或橡皮囊還應(yīng)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(jì)算方法，在低溫工況下工質(zhì)體積收縮量ΔV2可按照下式計(jì)算：

（6）

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

計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，在給流體回路加注時(shí)為了補(bǔ)償因溫度下降而體積縮小的那部分工質(zhì)，必須使得補(bǔ)償器液側(cè)體積大于ηV2升（假設(shè)補(bǔ)償器的擠出效率為100%）。

3）流體回路的工質(zhì)泄漏量。流體回路的理論泄漏量，可按照下面公式計(jì)算。質(zhì)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(yùn)行時(shí)間, s。

4 180 kW液冷充電機(jī)的實(shí)例驗(yàn)證

完成液冷充電機(jī)散熱系統(tǒng)的搭建后，考慮到液冷系統(tǒng)對(duì)充電機(jī)的整體散熱效果，需要進(jìn)一步明確全溫度場(chǎng)下充電機(jī)模塊的表面溫度情況，此時(shí)需要借助CFD有限體積方法對(duì)液冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真。整機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖8所示。

圖8 液冷充電機(jī)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(jī)熱負(fù)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(jì)算，單個(gè)充電模塊散熱量為1 579 W，液冷充電機(jī)輸出功率為180 kW，采用6個(gè)液冷充電模塊，總熱量為9.474 kW?？紤]采用合理的裕度設(shè)計(jì)，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(shè)定。采用CFD方法進(jìn)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(duì)液冷充電機(jī)進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)對(duì)液冷充電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，為提高仿真運(yùn)算效率，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除對(duì)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(jié)果如圖9、10所示。

（a）液冷循環(huán)路徑

（b）排風(fēng)扇

（a）液冷循環(huán)路徑

（b）排風(fēng)扇

目前市場(chǎng)上液冷充電機(jī)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(jī)，通過(guò)對(duì)英可瑞液冷充電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為方便液冷散熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)比，將英可瑞液冷充電機(jī)的仿真參數(shù)與上述液冷散熱系統(tǒng)參數(shù)保持一致，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)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(jié)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(jié)論

1）對(duì)充電模塊的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行分析，以及圍繞散熱冷通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化開展研究，系統(tǒng)設(shè)計(jì)循環(huán)泵、管路、散熱器等液冷充電系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，根據(jù)充電模塊散熱需求，選擇體積分?jǐn)?shù)為56%的乙二醇水溶液作為冷卻工質(zhì)，同時(shí)加入體積分?jǐn)?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(fēng)冷模塊和英可瑞30 kW液冷模塊，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)為例，通過(guò)對(duì)冷板和液冷模塊進(jìn)行理論計(jì)算和模擬仿真，與市場(chǎng)上現(xiàn)有液冷模塊進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的液冷模塊散熱效率提升了約20%。液冷工質(zhì)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(shè)計(jì)合理性，形成高效率、 高密封、 高防護(hù)、 高穩(wěn)定、 方便安裝維修和更換的液冷散熱系統(tǒng)方案。