提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度是提升電動汽車性能的關(guān)鍵。特斯拉已經(jīng)使用的碳化硅(SiC)功率模塊，有可能將功率密度提高一倍。SiC器件具有高溫電阻性、低損耗，并且能在高頻下運(yùn)行。

盡管SiC器件已經(jīng)有所應(yīng)用，但要想大規(guī)模使用，必須改進(jìn)其散熱性能。在SiC電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，各種具有改進(jìn)熱散性能的器件設(shè)計(jì)正在涌現(xiàn)。

電動汽車熱設(shè)計(jì)中的SiC

熱散系統(tǒng)在功率電子設(shè)備中占據(jù)了很大的重量和體積。因此，優(yōu)化SiC的熱設(shè)計(jì)對于確保電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的高功率密度至關(guān)重要。

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合了液體冷卻、自然對流冷卻和強(qiáng)制空氣冷卻機(jī)制，而功率電子主要使用液體冷卻。研究人員正在尋求為電動汽車中的SiC功率模塊提供更自適應(yīng)的冷卻解決方案，以滿足不同駕駛條件下變化的散熱需求。

SiC在電動汽車電機(jī)驅(qū)動中的主要興趣在于功率模塊內(nèi)的逆變器，因?yàn)樗鼈兙哂懈邠舸╇妷汉透邷囟饶褪苄?。逆變器能夠?yīng)對電動汽車功率系統(tǒng)提高性能和可靠性的日益增長的需求。電動汽車的熱設(shè)計(jì)涵蓋了駕駛周期中的散熱需求以及在不同溫度條件下，確保任何新型逆變器技術(shù)都能在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，不會過熱。

許多用于電機(jī)驅(qū)動的SiC商業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)使用了針狀散熱片。這些散熱片包含多個(gè)圓柱形或針狀突起，增加了冷卻介質(zhì)流過散熱片表面時(shí)與散熱片之間的接觸面積，從而提高了熱交換效率。新的針狀散熱片配置有助于進(jìn)一步改善電動汽車電機(jī)驅(qū)動中SiC功率模塊的散熱效率。

針狀散熱片設(shè)計(jì)考慮

許多SiC功率模塊使用規(guī)則的針狀散熱片設(shè)計(jì)，其中所有針之間的間距均勻且規(guī)則。這種設(shè)計(jì)在針的幾何尺寸內(nèi)發(fā)生變化，主要關(guān)注形狀、大小、角度、旋轉(zhuǎn)和單個(gè)針的高度。

改變單個(gè)針的方法已經(jīng)從多個(gè)角度進(jìn)行，以通過增加熱傳遞可以發(fā)生的表面積來提高散熱。雖然這在許多設(shè)計(jì)中已經(jīng)實(shí)施，但增加針的直徑也會增加冷卻介質(zhì)的阻力。

許多針狀散熱片設(shè)計(jì)依賴于水泵，并且不能提供無限的流體壓力。規(guī)則且密集排列的針會降低水壓，降低對流散熱的效率。設(shè)計(jì)必須平衡冷卻劑的壓力和散熱區(qū)域的大小(即針的大小和形狀)。

不規(guī)則針狀散熱片設(shè)計(jì)

不規(guī)則針狀散熱片設(shè)計(jì)是一種基于規(guī)則針狀散熱片設(shè)計(jì)在SiC功率模塊散熱方面取得的改進(jìn)的新方法。不規(guī)則針狀散熱片設(shè)計(jì)為非均勻熱源提供了熱管理能力。熱優(yōu)化散熱片布局在降低冷卻劑壓力損失的同時(shí)，比規(guī)則針狀散熱片設(shè)計(jì)具有更好的熱傳遞效率。

針的形狀和排列直接影響流體的流動路徑，決定了熱傳遞區(qū)域和周圍針的熱負(fù)載。這使得不同的功率模塊系統(tǒng)可以根據(jù)不同的需求有不同的溫度分布，使其成為比更規(guī)則的SiC針狀散熱片設(shè)計(jì)更適合電動汽車變化需求的自適應(yīng)熱設(shè)計(jì)方法。

然而，盡管它們比規(guī)則針狀排列具有更大的熱散能力，但它們的設(shè)計(jì)和制造更為復(fù)雜。特定設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程需要復(fù)雜的數(shù)值模擬和高級算法，這需要大量的計(jì)算資源。熱設(shè)計(jì)必須在性能更高的更復(fù)雜設(shè)計(jì)與使用更傳統(tǒng)制造技術(shù)易于制造的具有良好(但不是最高)熱性能的設(shè)計(jì)之間做出權(quán)衡。

基于物理建模推動熱設(shè)計(jì)

由于先進(jìn)的基于物理的模型，如計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)、有限差分方法(FDM)和格子玻爾茲曼方法(LBM)的出現(xiàn)，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的先進(jìn)熱設(shè)計(jì)得以研究。CFD有助于精確調(diào)整逆變器散熱片設(shè)計(jì)，以滿足電動汽車逆變器在不同駕駛條件下的動態(tài)熱管理需求。FDM計(jì)算和優(yōu)化不同針狀散熱片布局的熱散性能。LBM是評估不同針狀散熱片布局的熱傳遞和壓力損失特性的技術(shù)。