用于电动汽车逆变器被动冷却的循环热管开发

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Development of a loop heat pipe for passive cooling of inverters in electric vehicles

SiC基MOSFET牵引逆变器采用板式蒸发器环形热管（LHP）实现3000W/kW级长距离（3m）高效冷却，热阻0.011K/W（水平）和0.005K/W（底部），验证了重力适应性及稳定性。

　　在现代电动汽车（EVs）的热管理领域，牵引变频器（inverter）作为核心组件之一，承担着将电池提供的直流电转换为牵引电机所需的交流电的重要任务。由于其在电动汽车中承担着高功率转换的功能，牵引变频器会产生大量的热量，通常达到千瓦级别。这种高热量的产生不仅对设备的运行效率提出了挑战，还对设备的散热能力提出了更高的要求。因此，如何有效地对牵引变频器进行冷却，成为电动汽车热管理技术中的关键问题之一。

目前，大多数电动汽车采用的是由电动水泵驱动的水冷系统来冷却牵引变频器。这种系统虽然能够有效地移除热量，但同时也存在一些明显的缺点。首先，它需要消耗额外的电能，这在一定程度上增加了整车的能耗，进而影响燃油经济性。其次，电动水泵和相关的冷却管道会增加系统的重量和体积，导致整车设计更加复杂。此外，水冷系统还存在一定的泄漏风险，尤其是在电池附近，这种风险可能会对电池的安全性和性能产生不利影响。因此，寻找一种更高效、更节能且更安全的冷却方式，成为研究人员关注的焦点。

在这一背景下，研究者们开始关注一种无需电力驱动的热传输装置——环形热管（loop heat pipe, LHP）。环形热管作为一种具有高热传导能力、长距离传热、抗重力特性的设备，其应用潜力巨大。它不仅能够有效降低牵引变频器的温度，还能显著减少冷却系统的复杂性和体积，从而提升电动汽车的整体能效和轻量化水平。此外，环形热管还被用于电池热管理、超级计算机冷却以及数据中心散热等多个领域，显示出其在多种热管理场景中的广泛适用性。

近年来，针对电动汽车应用的环形热管研究逐渐增多。例如，Sing等研究人员开发了一种用于冷却Si基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的环形热管，能够处理800W的热负荷，并在水平方向上实现1m的传热距离。Nam等则设计了一种带有扁平蒸发器的环形热管，可以处理700W的热负荷，并将热量传递到2m外的散热器。然而，到目前为止，还没有针对电动汽车中千瓦级热负荷的环形热管进行实际开发和应用。这表明，在电动汽车热管理技术中，环形热管仍然具有较大的发展空间。

为了克服这一问题，本文提出了一种适用于SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）牵引变频器的环形热管设计方案。该热管采用平板型蒸发器结构，基于平板型毛细结构，使得毛细结构的加工更加简便。然而，在设计过程中，仍然面临两个主要挑战。首先，如何降低蒸汽槽内的压降，这是影响环形热管传热效率的关键因素之一。为了解决这一问题，研究者通过优化蒸汽槽的结构，缩短蒸汽槽的长度，从而有效降低了压降。其次，如何减少蒸发器外壳与补偿腔之间的热泄漏，以提高工作流体的蒸发效率。为了解决这一问题，研究者通过增加蒸发器外壳与补偿腔之间的热阻，从而实现了更高效的热传输。

本文设计的环形热管能够处理3000W的热负荷，并将热量传递到3m远的散热器。这一设计不仅满足了牵引变频器的散热需求，还显著提升了电动汽车的燃油经济性和轻量化水平。为了验证环形热管的性能，实验在水平、底部加热和顶部加热三种方向下进行，模拟了不同的负载条件和重力影响。实验结果显示，在3000W的热负荷下，无论采用哪种方向，加热块的温度均能保持在200°C以下，表明该热管具备良好的稳定性和可靠性。

此外，为了进一步评估环形热管的性能，研究者还测试了其在突发和大幅热负荷增加情况下的反应能力。这模拟了电动汽车在快速加速过程中的热管理需求。实验结果表明，该环形热管能够迅速响应热负荷的变化，并在短时间内达到稳定的传热状态，显示出其在实际应用中的良好适应性。

本文还提到，环形热管的开发和应用不仅限于电动汽车领域。例如，在其他领域，如超级计算机和数据中心的冷却中，环形热管也展现出其独特的优势。在这些应用中，环形热管能够处理较高的热负荷，并实现较长的传热距离，从而提升整体系统的能效和可靠性。此外，环形热管还被用于电池热管理，能够有效降低电池温度，并提升电池的安全性和使用寿命。

在实验方面，本文采用了模拟加热块的铝块作为热源，其尺寸为90mm × 65.5mm，并通过加热器模拟了牵引变频器的热负荷。实验过程中，热负荷由直流电源提供，并通过电流测量装置进行监测。温度则由T型热电偶测量，并通过数据记录器进行记录。实验结果表明，在3000W的热负荷下，加热块的温度能够稳定在200°C以下，无论采用哪种方向，这说明该环形热管在不同条件下均具备良好的性能。

总的来说，本文的研究成果表明，环形热管作为一种无需电力驱动的高效热传输装置，在电动汽车牵引变频器的冷却中具有广阔的应用前景。它不仅能够显著降低冷却系统的能耗，还能减少系统的体积和重量，从而提升电动汽车的整体性能和能效。此外，环形热管还被证明在突发热负荷增加的情况下具有良好的稳定性和适应性，这为电动汽车在实际运行中的热管理提供了可靠的解决方案。随着电动汽车技术的不断发展，环形热管的应用将进一步扩大，为电动汽车的热管理技术提供新的思路和方法。