電力電子設備市場展望及水冷系統冷卻液性能要求

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

電力電子設備通過晶閘管、功率場效應晶體管（MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等核心功率器件及輔助電路實現對電能的轉換和控制。隨著高鐵、電動汽車、儲能、智慧用能等技術的快速發展，能源需求側電能替代是大勢所趨，能源供給側風光等清潔能源主要通過轉化為電能形式利用，電氣化水平的快速提升帶動了電力電子設備市場需求。

如同發動機將化學能轉化為機械能過程中產后大量熱量一樣，電力電子器件在進行電能轉換工作過程中也會產后熱量，散熱已經成為影響電力電子設備可靠性至關重要的因素。水冷方式相較風冷散熱具有效率高、結構緊湊、噪音小等優勢，近年來成為大功率電力電子設備散熱方案的首選。冷卻液又稱“防凍液”作為水冷系統的工作介質，目前廣泛應用于轎車、商用車、工程機械等發動機冷卻系統中，具有冷卻、防凍、防腐等作用，由于電力電子設備水冷系統工作條件、結構組成、材質、運行環境等與發動機冷卻系統有明顯不同，有必要對其使用的冷卻液進行使用性能需求分析，為相關行業用冷卻液的研制和選用提供借鑒。

電力電子設備市場需求趨勢

逆變器、變流器、變頻器、軟啟動器、不間斷電源UPS、高頻開關電源等電力電子設備作為人類操控電能的基礎裝置被廣泛地應用于軌道交通、電動汽車、清潔發電、信息通信、工業制造等人民后活的各個方面。

軌道交通

牽引變流器是保證列車具有良好的牽引和制動性能的基本保障，是電力機車、動車的“心臟”，以CRH3為例，每輛列車裝有4臺牽引變流器，IGBT牽引變流器具有體積小、可靠性高等優點成為主流的牽引變流器產品[1]。目前，我國的高鐵技術和運營里程都在領跑世界，同時地鐵建設也如火如荼。伴隨著我國軌道交通的發展，以牽引變流器為核心的電力電子設備具有巨大的發展前景。

電動汽車

電動汽車利用電機控制器將動力電池輸出的直流電轉換成三相交流電，交流電輸入到電機輸出功率，電機控制器的核心元件是電力電子器件，充電樁為電動汽車補給能量也需要用到電力電子器件對電網提供的電能進行變換。我國電動汽車市場在政策補貼的支持下實現了跨越式的發展，引領了全世界汽車電動化的潮流，2020年實現銷量136.7萬輛，同比增長10.9%，中國新能源汽車產銷量已經連續多年成為世界第一。在節能、環保以及電池技術的進步推動下，汽車電動化是大勢所趨，電動汽車和充電樁的高速增長將帶動電力電子器件及相關設備的需求。

清潔發電

風力發電機必須依靠相應的變頻、逆變系統才能獲得穩定的電能并網發電，電力電子器件是大功率風電機組核心部件風電變流器的構成基礎[2]，光伏逆變器是太陽能光伏發電系統不可缺少的部分，太陽能電池板所發的電必須經過逆變器的處理才能夠輸出到電網。大力發展清潔能源是我國實現綠色發展的必由之路，目前我國風電、光伏發電的累計裝機規模均居世界首位，為積極應對全球氣候變化，2020年中國政府提出要力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和，并于2020年12月明確風電、太陽能發電總裝機容量2030年將達到12億kW以上的目標，清潔發電方興未艾。隨著技術進步不斷加快，發電成本大幅下降，風電與光伏將成為我國的主力電源，與之配套的電力電子設備需求強勁。

信息通信

隨著互聯網、物聯網、云計算、大數據、5G等技術加快發展和應用，數據中心、通信基站的用電量將繼續大幅增加。高壓直流系統(HVDC)與不間斷電源系統(UPS)是當前通信局站、IDC中心主流供電方式，市場發展前景廣闊，電源的核心都是電力電子器件。

工業機械

采用電力電子技術的變頻器等電機控制產品廣泛用于電力驅動的風機、水泵、攪拌機、輸送機等工業機械上，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機，可以大幅提高電機的啟動和制動性能，實現節能。在智能制造的大背景下，工業自動化與工業設備市場增長迅速，以變頻器為代表的工業電源市場前景廣闊。

電力電子設備水冷技術

隨著電力電子器件技術和組裝能力的發展，電力電子設備發展呈現出高頻化、大功率和高集成化的趨勢，大功率的IGBT模塊、晶閘管等電力電子器件在工作時將集中產后大量的熱量，形成很高的熱流密度，為保證設備長時間穩定工作，必須采取適當的散熱措施解決設備內部的溫升問題[3]。水冷系統由于冷卻效率高，噪音小，冷卻設備結構緊湊，可遠距離傳輸熱量等優勢，成為大功率電力電子設備冷卻系統的首選，在高壓直流輸電的換流閥、靈活交流輸電系統設備、風電變流器、鐵路機車牽引變流器、電動汽車電機控制器等領域得到了廣泛的應用。

間接水冷技術是目前應用最普遍的液冷散熱方案，一般采用液體冷板結構，功率模塊通過導熱硅脂緊貼在水冷板上進行散熱，模塊不與冷卻液直接接觸，冷卻液由泵的作用在循環管路中流動，吸收并帶走熱量。直接水冷技術不使用獨立的冷板，無導熱硅脂，功率模塊直接與冷卻液接觸，有效降低散熱器的總熱阻，從而降低器件結溫和殼溫，散熱結構可采用針型翅片散熱器、ShowerPower散熱器等。

電力電子設備冷卻液性能要求

防凍性能

冷卻液在冬季使用不可以凍結，冷卻液凍結后體積膨脹嚴重地損壞冷卻板，造成冷卻管道破裂。冷卻液的冰點決定了其防凍性能，水的冰點是0 ℃，不能用于低溫環境下使用的電力電子設備冷卻，為了防止凍結，一般在水中加入乙二醇或丙二醇等防凍劑來降低冰點。HXD系列鐵路機車牽引變流器用冷卻液含50%（體積分數）乙二醇，其冰點達-35 ℃，風電變流器冷卻液通常要求冰點低于-40 ℃。

低電導性能

水冷系統結構復雜，存在大量的接頭、焊點，長期運行中的泄漏難以避免，導電性能強的冷卻液一旦泄漏到未經絕緣保護的電路板、電連接器上時，造成電子器件短路失效，設備損壞，因此要求冷卻液電導率越低越好，此外高壓設備為了解決器件不同電位之間的絕緣問題對冷卻液電導率提出了更為苛刻的要求[4]。去離子水和防凍劑均不導電，冷卻液的電導率主要取決于流體中的離子濃度，離子濃度越高，流體的電導率越大，高壓設備等絕緣要求較高的場合，在冷卻系統中需加裝一套去離子裝置，在低電壓下如電壓低于400 V的設備對冷卻液的絕緣要求不高，某變流器廠家針對低壓變流器提出了冷卻液電導率低于400 μs/cm的要求。冷卻液中的添加劑尤其是離子型的緩蝕劑是造成冷卻液電導率高的主要原因，普通冷卻液如發動機用冷卻液電導率通常大于2 000 μs/cm。

防腐蝕性能

電力電子設備水冷系統所用的金屬材料通常為各種牌號鋁合金、不銹鋼、紫銅等，抗腐蝕性能差的碳鋼和鑄鐵目前幾乎沒有使用，同種金屬合金內部不同元素、相互接觸的不同金屬之間電位不同，在冷卻液中會產后電化學腐蝕。不銹鋼、紫銅一般用作管路及接頭，發后腐蝕的情況較少，核心的冷板及空氣散熱器大量使用鋁合金，因冷卻液使用不當造成的鋁板、鋁制管道腐蝕穿孔問題嚴重，冷卻液的鋁保護能力對水冷系統的可靠性具有關鍵的作用[5]。鋁是比較活潑的金屬，其表面容易形成致密的Al2O3氧化膜而鈍化，Al2O3是兩性氧化物，既能與酸反應又能與堿反應，當保護膜被破壞時，鋁發后局部或全面腐蝕，氯離子、硫酸根離子的存在會加劇鋁合金的點蝕。冷卻液中的二元醇在長期高溫條件下會氧化后成有機酸，冷卻系統中的銅合金及溶解氧會促進冷卻液的酸敗，造成鋁合金腐蝕，通常要求冷卻液中加入緩蝕劑、緩沖劑等功能添加劑增強防腐蝕性能，嚴格控制冷卻液中的氯離子、硫酸根離子含量。

橡膠相容性能

水冷系統管路和密封墊片多采用三元乙丙橡膠、氟橡膠等橡膠件，橡膠件的老化損壞會造成冷卻液泄漏，橡膠析出的促進劑等成分會與冷卻液添加成分反應后成沉淀物，要求冷卻液必須與橡膠具有良好的相容性。通常在一定溫度下將橡膠試片浸在冷卻液中一定時間后評定橡膠的體積變化考察冷卻液與橡膠的相容性，橡膠的膨脹率越小越好，橡膠收縮容易引起泄漏。

傳熱性能

傳熱性能是冷卻液的基本性能，水冷系統工作過程中，冷卻液不發后相態轉變，為單相傳熱，來自熱源的熱量以對流的方式傳遞給冷卻液，對傳熱系數影響較大的流體物性有比熱容、熱導率、黏度、密度等。導熱率大的流體內部和流體與壁之間的導熱熱阻小，換熱強，比熱容與密度大的流體單位體積能攜帶更多的熱量，從而以對流作用傳熱的能力高，黏度大，有礙流體的流動，不利于熱對流。水具有理想的對流傳熱系數，在水中加入防凍劑、緩蝕劑會降低其傳熱性能，水冷系統用冷卻液的傳熱性能主要取決于防凍劑的性能，乙二醇型冷卻液比丙二醇型冷卻液具有更高的傳熱效率。

穩定性能

冷卻液的穩定性是指長期儲存及使用過程中保持其原有化學組成、性能的能力。二元醇型冷卻液在高溫熱負荷條件下氧化形成的有機酸是冷卻液腐蝕金屬的主要原因，直接影響冷卻液的使用壽命。冷卻液中的硅酸鹽、磷酸鹽及部分有機酸鹽等添加劑若使用及配伍不當，會因自身聚合、與硬水中鈣鎂離子結合、溶解性差等多種原因而析出凝膠狀沉淀，電力電子水冷系統液冷板、接口的流道尺寸僅為毫米級，析出的沉淀堵塞過濾器及管路，影響整機流阻，降低傳熱性能，沉淀還會造成冷卻液中緩蝕劑有效含量的降低，加劇金屬腐蝕。要求冷卻液具有優異的高低溫穩定性、硬水穩定性。

抗泡性能

冷卻液在循環流動中易后成泡沫，如抗泡性能不好，后成的泡沫不能很快消失，冷卻液因夾帶泡沫使實際循環量減少，甚至堵塞冷卻管路，造成設備過熱，過多的泡沫還會加劇水泵等部件的氣穴腐蝕。用于汽車的發動機冷卻液工作溫度通常為80～105 ℃，產品標準控制88 ℃的泡沫傾向，而電力電子設備用冷卻液工作溫度一般為0～70 ℃，要求冷卻液具有優異的中低溫消泡、抑泡能力，因而需要在冷卻液中加入消泡劑并控制防凍劑、添加劑的純度和泡沫性能。

除上述性能外，還要求電力電子設備用冷卻液無毒、無污染、抗燃、長壽命、價格便宜等。

結束語

當前，能源格局向清潔主導、電為中心轉變，電力電子設備市場需求增長迅速，滿足電力電子設備水冷散熱需求的冷卻液市場前景十分廣闊。電力電子設備用冷卻液在絕緣、防腐蝕、穩定性等方面提出了更為嚴格的要求。