動車組充電機散熱分析及優(yōu)化設(shè)計

李 赫，李作鑫，遲久鳴，林祥禮，楊東軍，韓 曦

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062；2.中車青島四方車輛研究所有限公司 電氣事業(yè)部，山東 青島 266031)

隨著動車組技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對充電機的技術(shù)要求越來越高，并逐漸傾向小型化、集成化、大功率?？臻g的減小、元器件密集程度與功率的提高，使元器件工作溫度及箱體內(nèi)部環(huán)境溫度不斷升高。元器件工作溫度升高對元器件自身性能存在非常大的影響，而環(huán)境溫度升高則對傳感器、電容等熱敏元器件的性能存在非常大的影響，因此實現(xiàn)良好的散熱是充電機設(shè)計必須考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 充電機布局設(shè)計

1.1 充電機原理介紹

充電機按照技術(shù)要求將AC 380 V轉(zhuǎn)換為DC 110 V，為動車組整車DC 110 V負載提供電源并為蓄電池充電，設(shè)計功率2×30 kW，其電氣原理見圖1。三相AC 380 V電源經(jīng)輸入EMI濾波電路、預(yù)充電電路進入三相全橋整流濾波電路、高頻逆變電路及全波整流電路與LC濾波電路，之后輸出電流至輸出EMI濾波電路，再經(jīng)輸出配電控制電路輸出DC 110 V電源。

圖1 充電機電氣原理

根據(jù)充電機各元器件的功能及相互之間的關(guān)聯(lián)將充電機電路劃分為輸入部分、功率模塊部分、輸出部分以及控制單元與冷卻系統(tǒng)。

1.2 散熱方式確認

充電機常用的冷卻方式主要有自然冷卻、強迫空氣冷卻、浸沒自然對流冷卻、浸沒沸騰冷卻及強迫水冷。冷卻方式主要根據(jù)元器件的熱流密度與溫升要求進行選擇，如圖2所示。

圖2 冷卻方式的選擇

充電機發(fā)熱元器件主要包括輸入部分的三相電抗器，功率模塊部分的三相整流橋、IGBT、高頻變壓器、高頻電感、二次整流二極管、吸收電阻和輸出部分的輸出二極管。根據(jù)各發(fā)熱元器件工作原理及控制方式計算其熱損耗，計算結(jié)果及溫升要求如表1所示。

表1 充電機發(fā)熱元器件熱損耗計算結(jié)果及溫升要求

如表1所示，單個功率模塊熱損耗共計2 040 W。功率模塊體積小，發(fā)熱集中，因此確定其散熱方式是散熱設(shè)計的首要工作。根據(jù)以下公式計算功率模塊散熱片熱流密度：

(1)

式中：φS——熱流密度；

φ——熱損耗；

S——散熱面積[1]。

根據(jù)式(1)計算得出功率模塊散熱片的熱流密度為0.105 W/cm2。

根據(jù)表1可知，充電機功率模塊中三相整流橋及IGBT溫升上限最小，結(jié)合熱流密度計算結(jié)果并根據(jù)圖2最終確定充電機冷卻方式采用強迫空氣冷卻。

1.3 充電機箱體布局

根據(jù)充電機電路原理、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計原則以及元器件線路布置要求，將充電機箱體劃分為輸入腔、功率模塊腔、輸出腔、控制腔、外循環(huán)風(fēng)機腔及外部冷卻風(fēng)道腔，如圖3所示。

圖3 充電機箱體布局

1.4 充電機冷卻風(fēng)道設(shè)計

根據(jù)表1所示，功率模塊總熱損耗最大，散熱片的熱流密度為0.105 W/cm2?？紤]散熱片發(fā)熱量大且元器件溫升要求嚴苛，將功率模塊放置于冷卻風(fēng)道進風(fēng)口位置，以提高散熱效率。

除功率模塊外，輸入部分的三相電抗器以及輸出部分的輸出二極管同樣需要散熱。三相電抗器自身防護等級較高，且體積較大，因此將三相電抗器放置于冷卻風(fēng)道內(nèi)，以提高散熱效率。輸出二極管自身散熱面積小，應(yīng)通過增加散熱片的方式加快散熱。與功率模塊相比，輸出二極管熱損耗相對較小且溫升要求較低，因此將輸出二極管散熱片放置于功率模塊后方。

2 散熱仿真與溫升試驗

2.1 仿真模型的建立

為便于計算，將充電機內(nèi)元器件按照原模型進行簡化，去掉微小特征僅保留基礎(chǔ)流體域，熱仿真模型如圖4所示。風(fēng)機模型復(fù)雜，為提高計算效率，在Flow Simulation軟件中將其等效簡化為Fan模型并根據(jù)流量-壓力特性曲線進行設(shè)置，如圖5所示。

圖4 充電機熱仿真模型

圖5 風(fēng)機流量-壓力特性曲線

2.2 冷卻風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速及壓降

圖6為充電機冷卻風(fēng)道內(nèi)空氣流場分布。圖7為充電機冷卻風(fēng)道內(nèi)壓力場分布。

圖6 充電機冷卻風(fēng)道內(nèi)空氣流場分布

圖7 充電機冷卻風(fēng)道內(nèi)壓力場分布

如圖6所示，在充電機進風(fēng)口即外部冷卻風(fēng)道腔1初始區(qū)域空氣平均流速約為15 m/s，在外部冷卻風(fēng)道腔1末端區(qū)域空氣流速接近20 m/s；在外部冷卻風(fēng)道腔2內(nèi)空氣平均流速約為5 m/s。如圖7所示，外部冷卻風(fēng)道腔1的壓降較大，而在外部冷卻風(fēng)道腔1之后壓力分布趨于穩(wěn)定，進風(fēng)口與出風(fēng)口前后壓降接近700 Pa。

2.3 溫升計算結(jié)果

表2為功率模塊各重要元器件溫升計算結(jié)果。根據(jù)溫升計算結(jié)果顯示，功率模塊上三相整流橋與IGBT溫升均低于40 K，滿足相關(guān)元器件的溫升要求；二次整流二極管溫升為50 K左右,吸收電阻溫升低于50 K，根據(jù)二次整流二極管與吸收電阻工作溫度要求，計算溫升結(jié)果滿足要求。

表2 功率模塊各重要元器件溫升計算結(jié)果 K

2.4 溫升試驗

啟動充電機并使其在額定工況下持續(xù)運行，采用溫度傳感器記錄充電機功率模塊各元器件的溫度變化，當各測試點的溫升波動速率不大于2 K/h時視為溫度穩(wěn)定。使用熱敏試紙測量及溫度傳感器記錄各測試點溫度穩(wěn)定之后的溫度值，溫升試驗傳感器布置如圖8所示，試驗結(jié)果如表3所示。

圖8 溫升試驗傳感器布置

表3 功率模塊各元器件試驗溫度 ℃

3 結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)溫升試驗情況，充電機箱體功率模塊腔體環(huán)境溫度遠高于其他腔體環(huán)境溫度，原因是功率模塊腔內(nèi)元器件熱流密度高且內(nèi)部空氣流通性差，長時間運行下充電機箱體環(huán)境溫度逐漸升高。腔內(nèi)環(huán)境溫度過高，不僅影響電容壽命，同時還影響電壓傳感器、電流傳感器等檢測元件的檢測精度，加速元器件熱老化，影響產(chǎn)品使用性能與壽命，因此需降低箱體環(huán)境溫度。

結(jié)合充電機箱體結(jié)構(gòu)及元器件布局，對箱體內(nèi)循環(huán)風(fēng)道進行設(shè)計，以提高內(nèi)部空氣流通，內(nèi)循環(huán)風(fēng)道路徑如圖9所示。通過內(nèi)循環(huán)風(fēng)機及腔體間通風(fēng)孔，使各個腔體內(nèi)的空氣循環(huán)流通，可有效降低溫度。對增加內(nèi)循環(huán)風(fēng)道前后進行了對比試驗可知，增加內(nèi)循環(huán)風(fēng)道后，功率模塊元器件明顯降低，變壓器表面溫度由111 ℃降低至80 ℃(圖10)，而電容表面溫度由大于77 ℃降低至小于60 ℃(圖11)。

圖9 充電機箱體內(nèi)循環(huán)風(fēng)道路徑

圖10 增加內(nèi)循環(huán)風(fēng)道前后變壓器表面溫度

圖11 增加內(nèi)循環(huán)風(fēng)道前后電容表面溫度

4 結(jié)論

散熱設(shè)計作為充電機產(chǎn)品研發(fā)過程中一個重要環(huán)節(jié)，直接影響到產(chǎn)品可靠性及穩(wěn)定性。針對動車組充電機散熱，本文介紹了充電機箱體布局、模塊布局及風(fēng)道設(shè)計，通過散熱仿真與溫升試驗對充電機的散熱設(shè)計方案進行了驗證，并根據(jù)試驗情況對充電機進行了散熱優(yōu)化。經(jīng)過試驗對比驗證了優(yōu)化方案的有效性，保證了充電機各元器件工作溫度正常，為充電機的良好運行提供了保障。