利用复合相变材料和风冷蒸汽室的功率器件的协同热管理性能

《Journal of Energy Storage》：Synergistic thermal management performance of power device utilizing composite phase change materials and air-cooled vapor chamber

VC-CPCM系统通过整合真空腔和复合相变材料，使高功率充电桩的热管理效率提升512.6%和461.5%，峰值温度降低76.3°C，温差减少31.4°C，同时优化空气流速至4.5m/s可进一步降温24.1°C。

　　在当前全球气候变暖的背景下，电动汽车（EVs）作为减少碳排放和推动绿色经济转型的关键技术，正在迅速发展。随着充电技术的进步，特别是高功率充电站的建设，对充电设备的热管理提出了更高的要求。由于高功率充电会导致设备内部产生大量热量，因此如何有效散热以确保设备稳定运行、延长使用寿命成为研究的重点。本研究提出了一种创新的热管理系统，结合了蒸汽腔（VC）与复合相变材料（CPCM）技术，旨在解决高功率充电设备在热管理方面的挑战。

传统的冷却方式，如强制空气冷却，虽然在某些场景下具有一定的应用价值，但在高功率密度条件下表现出明显的局限性。一方面，空气冷却的效率较低，难以满足高热负荷设备的散热需求；另一方面，其温度均匀性较差，容易造成局部过热，甚至引发安全隐患。为了解决这些问题，研究者们不断探索新的冷却策略，例如通过改变气流特性、增加扰动结构等方式提升空气冷却系统的性能。然而，这些方法往往伴随着更高的能耗和对电子设备的潜在损害风险。因此，开发一种既能提高散热效率，又能保持良好温度均匀性的新型热管理方案成为当务之急。

蒸汽腔作为一种高效的热传导装置，因其高导热性和低热阻而受到广泛关注。其原理是利用内部蒸发与冷凝过程实现快速热传递，能够在短时间内将热量从热源区域转移到散热区域。在电子设备和工业制造中，蒸汽腔被广泛用于散热系统，其在温度均匀性方面表现出色。然而，单靠蒸汽腔冷却在面对高热流密度的场景时仍然存在不足，特别是在需要持续散热和维持稳定温度的充电设备中，其热管理能力受到一定限制。因此，结合其他冷却技术，如相变材料（PCM），成为提升热管理性能的重要方向。

相变材料在热管理领域具有独特的应用优势。其能够在相变过程中吸收大量潜热，从而有效调节温度波动，增强系统的温度均匀性。相较于传统冷却方式，相变材料的使用不需要额外的能源输入，具有较低的运行成本和较高的可靠性。然而，单一相变材料的导热性较低，且热储存能力有限，这在一定程度上制约了其在高功率设备中的应用。因此，研究者们开始尝试将相变材料与蒸汽腔等高效散热装置相结合，以期在提升散热能力的同时，克服单一材料的局限性。

本研究提出了一种集成蒸汽腔与复合相变材料（VC-CPCM）的新型热管理系统。该系统在实验条件下展现出显著的性能提升。与单一复合相变材料（CPCM）冷却系统相比，VC-CPCM系统在热管理效率上提高了512.6%，而在与单一蒸汽腔（VC）冷却系统相比时，热管理效率则提升了461.5%。实验结果表明，在热功率密度达到6.8 MW/m3的情况下，该系统能够将充电设备的峰值温度降低76.3°C，同时最大温度差减少了31.4°C。这些数据表明，VC-CPCM系统在高功率设备的热管理方面具有显著优势。

值得注意的是，蒸汽腔的冷凝段散热能力对空气冷却的总体效果具有重要影响。在实验中，当气流速度从1.5 m/s提升至4.5 m/s时，充电设备的峰值温度降低了24.1°C。这表明，增加气流速度可以有效提升冷却效果，但同时也带来了更高的能耗和对电子设备的潜在风险。因此，在实际应用中，需要在冷却效率与能耗之间找到一个平衡点。此外，研究还发现，通过增加复合相变材料的厚度和热导率，可以进一步提升系统的热管理能力和温度均匀性。这表明，优化材料的物理特性是提升热管理性能的重要手段。

为了进一步验证该系统的性能，研究团队还进行了对比实验，将VC-CPCM系统与其他先进的冷却技术进行了比较。结果显示，该系统在不增加额外能耗的前提下，能够提供更高效的热管理效果。这使得VC-CPCM系统成为高功率充电设备的理想选择。此外，研究还强调了在设计和应用过程中需要考虑的因素，如设备的结构布局、材料的选择以及冷却系统的整体优化。这些因素共同决定了热管理系统的实际效果。

本研究的创新点在于将蒸汽腔与复合相变材料相结合，形成了一种协同工作的热管理方案。这种组合不仅提升了散热效率，还有效改善了温度均匀性，为高功率充电设备的热管理提供了新的思路。实验结果表明，该系统在面对高热流密度时，能够显著降低设备的峰值温度和最大温度差，从而提高系统的稳定性和安全性。同时，研究还指出，通过优化复合相变材料的物理特性，如增加厚度和提升热导率，可以进一步增强系统的性能，使其更加适用于实际应用场景。

从实际应用的角度来看，该系统的优点在于其无需额外的能源输入，能够在较低能耗的情况下实现高效的热管理。这不仅降低了运营成本，还减少了对环境的影响，符合当前绿色发展的趋势。此外，该系统的设计相对简单，易于集成到现有的充电设备中，为未来的充电站建设提供了技术支持。然而，研究团队也指出，该系统在实际应用中仍需进一步优化，特别是在设备的结构设计和材料的匹配方面，以确保其在各种工况下的稳定运行。

本研究的结果为高功率充电设备的热管理设计提供了重要的参考。通过结合蒸汽腔与复合相变材料，该系统在提升散热效率和改善温度均匀性方面表现出色。实验数据表明，该方案在面对高热负荷时，能够显著降低设备的温度，从而延长其使用寿命并提高运行安全性。此外，研究还探讨了不同冷却参数对系统性能的影响，为未来的系统优化提供了理论依据。

在当前的充电设备热管理研究中，尽管已有许多关于空气冷却和液冷系统的探索，但针对高功率充电设备的高效、可靠的热管理方案仍较为有限。本研究提出的VC-CPCM系统，不仅在实验中展现出良好的性能，还为实际应用提供了可行的解决方案。未来的研究可以进一步探讨该系统的可扩展性，以及如何在不同规模的充电设备中进行优化设计。此外，还可以结合更多先进的冷却技术，如液冷、热管等，以期开发出更加高效的热管理系统。

综上所述，本研究的创新性在于提出了一个结合蒸汽腔与复合相变材料的新型热管理系统，该系统在提升散热效率和改善温度均匀性方面表现出色。通过实验验证，该系统在面对高热流密度时，能够显著降低设备的峰值温度和最大温度差，为高功率充电设备的热管理提供了新的思路。研究结果表明，该系统在不增加额外能耗的情况下，能够提供高效的热管理效果，具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步优化系统设计，探索其在不同应用场景下的适用性，为电动汽车充电设备的热管理提供更加全面的解决方案。