提高電機驅(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，并且能在高頻下運行。

盡管SiC器件已經(jīng)有所應用，但要想大規(guī)模使用，必須改進其散熱性能。在SiC電機驅(qū)動系統(tǒng)中，各種具有改進熱散性能的器件設計正在涌現(xiàn)。

電動汽車熱設計中的SiC

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

電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合了液體冷卻、自然對流冷卻和強制空氣冷卻機制，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在電動汽車電機驅(qū)動中的主要興趣在于功率模塊內(nèi)的逆變器，因為它們具有高擊穿電壓和高溫度耐受性。逆變器能夠應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。電動汽車的熱設計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)運行，不會過熱。

許多用于電機驅(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圓柱形或針狀突起，增加了冷卻介質(zhì)流過散熱片表面時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一步改善電動汽車電機驅(qū)動中SiC功率模塊的散熱效率。

針狀散熱片設計考慮

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

改變單個針的方法已經(jīng)從多個角度進行，以通過增加熱傳遞可以發(fā)生的表面積來提高散熱。雖然這在許多設計中已經(jīng)實施，但增加針的直徑也會增加冷卻介質(zhì)的阻力。

許多針狀散熱片設計依賴于水泵，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。設計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)則針狀散熱片設計

不規(guī)則針狀散熱片設計是一種基于規(guī)則針狀散熱片設計在SiC功率模塊散熱方面取得的改進的新方法。不規(guī)則針狀散熱片設計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，比規(guī)則針狀散熱片設計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針狀散熱片設計更適合電動汽車變化需求的自適應熱設計方法。

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

基于物理建模推動熱設計

由于先進的基于物理的模型，如計算流體動力學(CFD)、有限差分方法(FDM)和格子玻爾茲曼方法(LBM)的出現(xiàn)，電機驅(qū)動系統(tǒng)的先進熱設計得以研究。CFD有助于精確調(diào)整逆變器散熱片設計，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)。