如何通过设计SiC功率模块优化电动汽车电机驱动热管理效率?

提高电机驱动系统的功率密度是提升电动汽车性能的关键。特斯拉已经使用的碳化硅(SiC)功率模块，有可能将功率密度提高一倍。SiC器件具有高温电阻性、低损耗，并且能在高频下运行。

尽管SiC器件已经有所应用，但要想大规模使用，必须改进其散热性能。在SiC电机驱动系统中，各种具有改进热散性能的器件设计正在涌现。

电动汽车热设计中的SiC

热散系统在功率电子设备中占据了很大的重量和体积。因此，优化SiC的热设计对于确保电机驱动系统的高功率密度至关重要。

电机驱动系统结合了液体冷却、自然对流冷却和强制空气冷却机制，而功率电子主要使用液体冷却。研究人员正在寻求为电动汽车中的SiC功率模块提供更自适应的冷却解决方案，以满足不同驾驶条件下变化的散热需求。

SiC在电动汽车电机驱动中的主要兴趣在于功率模块内的逆变器，因为它们具有高击穿电压和高温度耐受性。逆变器能够应对电动汽车功率系统提高性能和可靠性的日益增长的需求。电动汽车的热设计涵盖了驾驶周期中的散热需求以及在不同温度条件下，确保任何新型逆变器技术都能在安全的温度范围内运行，不会过热。

许多用于电机驱动的SiC商业产品已经使用了针状散热片。这些散热片包含多个圆柱形或针状突起，增加了冷却介质流过散热片表面时与散热片之间的接触面积，从而提高了热交换效率。新的针状散热片配置有助于进一步改善电动汽车电机驱动中SiC功率模块的散热效率。

针状散热片设计考虑

许多SiC功率模块使用规则的针状散热片设计，其中所有针之间的间距均匀且规则。这种设计在针的几何尺寸内发生变化，主要关注形状、大小、角度、旋转和单个针的高度。

改变单个针的方法已经从多个角度进行，以通过增加热传递可以发生的表面积来提高散热。虽然这在许多设计中已经实施，但增加针的直径也会增加冷却介质的阻力。

许多针状散热片设计依赖于水泵，并且不能提供无限的流体压力。规则且密集排列的针会降低水压，降低对流散热的效率。设计必须平衡冷却剂的压力和散热区域的大小(即针的大小和形状)。

不规则针状散热片设计

不规则针状散热片设计是一种基于规则针状散热片设计在SiC功率模块散热方面取得的改进的新方法。不规则针状散热片设计为非均匀热源提供了热管理能力。热优化散热片布局在降低冷却剂压力损失的同时，比规则针状散热片设计具有更好的热传递效率。

针的形状和排列直接影响流体的流动路径，决定了热传递区域和周围针的热负载。这使得不同的功率模块系统可以根据不同的需求有不同的温度分布，使其成为比更规则的SiC针状散热片设计更适合电动汽车变化需求的自适应热设计方法。

然而，尽管它们比规则针状排列具有更大的热散能力，但它们的设计和制造更为复杂。特定设计的优化过程需要复杂的数值模拟和高级算法，这需要大量的计算资源。热设计必须在性能更高的更复杂设计与使用更传统制造技术易于制造的具有良好(但不是最高)热性能的设计之间做出权衡。

基于物理建模推动热设计

由于先进的基于物理的模型，如计算流体动力学(CFD)、有限差分方法(FDM)和格子玻尔兹曼方法(LBM)的出现，电机驱动系统的先进热设计得以研究。CFD有助于精确调整逆变器散热片设计，以满足电动汽车逆变器在不同驾驶条件下的动态热管理需求。FDM计算和优化不同针状散热片布局的热散性能。LBM是评估不同针状散热片布局的热传递和压力损失特性的技术。