動車組充電機散熱分析及優化設計

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 電氣事業部，山東 青島 266031)

隨著動車組技術的持續發展，對充電機的技術要求越來越高，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部環境溫度不斷升高。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，因此實現良好的散熱是充電機設計必須考慮的關鍵環節。

1 充電機布局設計

1.1 充電機原理介紹

充電機按照技術要求將AC 380 V轉換為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，設計功率2×30 kW，其電氣原理見圖1。三相AC 380 V電源經輸入EMI濾波電路、預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

根據充電機各元器件的功能及相互之間的關聯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。

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。根據各發熱元器件工作原理及控制方式計算其熱損耗，計算結果及溫升要求如表1所示。

表1 充電機發熱元器件熱損耗計算結果及溫升要求

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，發熱集中，因此確定其散熱方式是散熱設計的首要工作。根據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，結合熱流密度計算結果并根據圖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

根據充電機電路原理、箱體結構設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、外循環風機腔及外部冷卻風道腔，如圖3所示。

圖3 充電機箱體布局

1.4 充電機冷卻風道設計

根據表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]散熱片發熱量大且元器件溫升要求嚴苛，將功率模塊放置于冷卻風道進風口位置，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道內，以提高散熱效率。輸出二極管自身散熱面積小，應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，將充電機內元器件按照原模型進行簡化，去掉微小特征僅保留基礎流體域，熱仿真模型如圖4所示。風機模型復雜，為提高計算效率，在Flow Simulation軟件中將其等效簡化為Fan模型并根據流量-壓力特性曲線進行設置，如圖5所示。

圖4 充電機熱仿真模型

圖5 風機流量-壓力特性曲線

2.2 冷卻風道內風速及壓降

圖6為充電機冷卻風道內空氣流場分布。圖7為充電機冷卻風道內壓力場分布。

圖6 充電機冷卻風道內空氣流場分布

圖7 充電機冷卻風道內壓力場分布

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

2.3 溫升計算結果

表2為功率模塊各重要元器件溫升計算結果。根據溫升計算結果顯示，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，根據二次整流二極管與吸收電阻工作溫度要求，計算溫升結果滿足要求。

表2 功率模塊各重要元器件溫升計算結果 K

2.4 溫升試驗

啟動充電機并使其在額定工況下持續運行，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時視為溫度穩定。使用熱敏試紙測量及溫度傳感器記錄各測試點溫度穩定之后的溫度值，溫升試驗傳感器布置如圖8所示，試驗結果如表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 結構散熱設計優化

根據溫升試驗情況，充電機箱體功率模塊腔體環境溫度遠高于其他腔體環境溫度，原因是功率模塊腔內元器件熱流密度高且內部空氣流通性差，長時間運行下充電機箱體環境溫度逐漸升高。腔內環境溫度過高，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，影響產品使用性能與壽命，因此需降低箱體環境溫度。

結合充電機箱體結構及元器件布局，對箱體內循環風道進行設計，以提高內部空氣流通，內循環風道路徑如圖9所示。通過內循環風機及腔體間通風孔，使各個腔體內的空氣循環流通，可有效降低溫度。對增加內循環風道前后進行了對比試驗可知，增加內循環風道后，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 充電機箱體內循環風道路徑

圖10 增加內循環風道前后變壓器表面溫度

圖11 增加內循環風道前后電容表面溫度

4 結論

散熱設計作為充電機產品研發過程中一個重要環節，直接影響到產品可靠性及穩定性。針對動車組充電機散熱，本文介紹了充電機箱體布局、模塊布局及風道設計，通過散熱仿真與溫升試驗對充電機的散熱設計方案進行了驗證，并根據試驗情況對充電機進行了散熱優化。經過試驗對比驗證了優化方案的有效性，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。