电力电子设备市场展望及水冷系统冷却液性能要求

2021-05-07

石油商技 2021年2期

中国石化润滑油有限公司北京研究院

电力电子设备通过晶闸管、功率场效应晶体管（MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等核心功率器件及辅助电路实现对电能的转换和控制。随着高铁、电动汽车、储能、智慧用能等技术的快速发展，能源需求侧电能替代是大势所趋，能源供给侧风光等清洁能源主要通过转化为电能形式利用，电气化水平的快速提升带动了电力电子设备市场需求。

如同发动机将化学能转化为机械能过程中产后大量热量一样，电力电子器件在进行电能转换工作过程中也会产后热量，散热已经成为影响电力电子设备可靠性至关重要的因素。水冷方式相较风冷散热具有效率高、结构紧凑、噪音小等优势，近年来成为大功率电力电子设备散热方案的首选。冷却液又称“防冻液”作为水冷系统的工作介质，目前广泛应用于轿车、商用车、工程机械等发动机冷却系统中，具有冷却、防冻、防腐等作用，由于电力电子设备水冷系统工作条件、结构组成、材质、运行环境等与发动机冷却系统有明显不同，有必要对其使用的冷却液进行使用性能需求分析，为相关行业用冷却液的研制和选用提供借鉴。

电力电子设备市场需求趋势

逆变器、变流器、变频器、软启动器、不间断电源UPS、高频开关电源等电力电子设备作为人类操控电能的基础装置被广泛地应用于轨道交通、电动汽车、清洁发电、信息通信、工业制造等人民后活的各个方面。

轨道交通

牵引变流器是保证列车具有良好的牵引和制动性能的基本保障，是电力机车、动车的“心脏”，以CRH3为例，每辆列车装有4台牵引变流器，IGBT牵引变流器具有体积小、可靠性高等优点成为主流的牵引变流器产品[1]。目前，我国的高铁技术和运营里程都在领跑世界，同时地铁建设也如火如荼。伴随着我国轨道交通的发展，以牵引变流器为核心的电力电子设备具有巨大的发展前景。

电动汽车

电动汽车利用电机控制器将动力电池输出的直流电转换成三相交流电，交流电输入到电机输出功率，电机控制器的核心元件是电力电子器件，充电桩为电动汽车补给能量也需要用到电力电子器件对电网提供的电能进行变换。我国电动汽车市场在政策补贴的支持下实现了跨越式的发展，引领了全世界汽车电动化的潮流，2020年实现销量136.7万辆，同比增长10.9%，中国新能源汽车产销量已经连续多年成为世界第一。在节能、环保以及电池技术的进步推动下，汽车电动化是大势所趋，电动汽车和充电桩的高速增长将带动电力电子器件及相关设备的需求。

清洁发电

风力发电机必须依靠相应的变频、逆变系统才能获得稳定的电能并网发电，电力电子器件是大功率风电机组核心部件风电变流器的构成基础[2]，光伏逆变器是太阳能光伏发电系统不可缺少的部分，太阳能电池板所发的电必须经过逆变器的处理才能够输出到电网。大力发展清洁能源是我国实现绿色发展的必由之路，目前我国风电、光伏发电的累计装机规模均居世界首位，为积极应对全球气候变化，2020年中国政府提出要力争二氧化碳排放在2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和，并于2020年12月明确风电、太阳能发电总装机容量2030年将达到12亿kW以上的目标，清洁发电方兴未艾。随着技术进步不断加快，发电成本大幅下降，风电与光伏将成为我国的主力电源，与之配套的电力电子设备需求强劲。

信息通信

随着互联网、物联网、云计算、大数据、5G等技术加快发展和应用，数据中心、通信基站的用电量将继续大幅增加。高压直流系统(HVDC)与不间断电源系统(UPS)是当前通信局站、IDC中心主流供电方式，市场发展前景广阔，电源的核心都是电力电子器件。

工业机械

采用电力电子技术的变频器等电机控制产品广泛用于电力驱动的风机、水泵、搅拌机、输送机等工业机械上，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机，可以大幅提高电机的启动和制动性能，实现节能。在智能制造的大背景下，工业自动化与工业设备市场增长迅速，以变频器为代表的工业电源市场前景广阔。

电力电子设备水冷技术

随着电力电子器件技术和组装能力的发展，电力电子设备发展呈现出高频化、大功率和高集成化的趋势，大功率的IGBT模块、晶闸管等电力电子器件在工作时将集中产后大量的热量，形成很高的热流密度，为保证设备长时间稳定工作，必须采取适当的散热措施解决设备内部的温升问题[3]。水冷系统由于冷却效率高，噪音小，冷却设备结构紧凑，可远距离传输热量等优势，成为大功率电力电子设备冷却系统的首选，在高压直流输电的换流阀、灵活交流输电系统设备、风电变流器、铁路机车牵引变流器、电动汽车电机控制器等领域得到了广泛的应用。

间接水冷技术是目前应用最普遍的液冷散热方案，一般采用液体冷板结构，功率模块通过导热硅脂紧贴在水冷板上进行散热，模块不与冷却液直接接触，冷却液由泵的作用在循环管路中流动，吸收并带走热量。直接水冷技术不使用独立的冷板，无导热硅脂，功率模块直接与冷却液接触，有效降低散热器的总热阻，从而降低器件结温和壳温，散热结构可采用针型翅片散热器、ShowerPower散热器等。

电力电子设备冷却液性能要求

防冻性能

冷却液在冬季使用不可以冻结，冷却液冻结后体积膨胀严重地损坏冷却板，造成冷却管道破裂。冷却液的冰点决定了其防冻性能，水的冰点是0 ℃，不能用于低温环境下使用的电力电子设备冷却，为了防止冻结，一般在水中加入乙二醇或丙二醇等防冻剂来降低冰点。HXD系列铁路机车牵引变流器用冷却液含50%（体积分数）乙二醇，其冰点达-35 ℃，风电变流器冷却液通常要求冰点低于-40 ℃。

低电导性能

水冷系统结构复杂，存在大量的接头、焊点，长期运行中的泄漏难以避免，导电性能强的冷却液一旦泄漏到未经绝缘保护的电路板、电连接器上时，造成电子器件短路失效，设备损坏，因此要求冷却液电导率越低越好，此外高压设备为了解决器件不同电位之间的绝缘问题对冷却液电导率提出了更为苛刻的要求[4]。去离子水和防冻剂均不导电，冷却液的电导率主要取决于流体中的离子浓度，离子浓度越高，流体的电导率越大，高压设备等绝缘要求较高的场合，在冷却系统中需加装一套去离子装置，在低电压下如电压低于400 V的设备对冷却液的绝缘要求不高，某变流器厂家针对低压变流器提出了冷却液电导率低于400 μs/cm的要求。冷却液中的添加剂尤其是离子型的缓蚀剂是造成冷却液电导率高的主要原因，普通冷却液如发动机用冷却液电导率通常大于2 000 μs/cm。

防腐蚀性能

电力电子设备水冷系统所用的金属材料通常为各种牌号铝合金、不锈钢、紫铜等，抗腐蚀性能差的碳钢和铸铁目前几乎没有使用，同种金属合金内部不同元素、相互接触的不同金属之间电位不同，在冷却液中会产后电化学腐蚀。不锈钢、紫铜一般用作管路及接头，发后腐蚀的情况较少，核心的冷板及空气散热器大量使用铝合金，因冷却液使用不当造成的铝板、铝制管道腐蚀穿孔问题严重，冷却液的铝保护能力对水冷系统的可靠性具有关键的作用[5]。铝是比较活泼的金属，其表面容易形成致密的Al2O3氧化膜而钝化，Al2O3是两性氧化物，既能与酸反应又能与碱反应，当保护膜被破坏时，铝发后局部或全面腐蚀，氯离子、硫酸根离子的存在会加剧铝合金的点蚀。冷却液中的二元醇在长期高温条件下会氧化后成有机酸，冷却系统中的铜合金及溶解氧会促进冷却液的酸败，造成铝合金腐蚀，通常要求冷却液中加入缓蚀剂、缓冲剂等功能添加剂增强防腐蚀性能，严格控制冷却液中的氯离子、硫酸根离子含量。

橡胶相容性能

水冷系统管路和密封垫片多采用三元乙丙橡胶、氟橡胶等橡胶件，橡胶件的老化损坏会造成冷却液泄漏，橡胶析出的促进剂等成分会与冷却液添加成分反应后成沉淀物，要求冷却液必须与橡胶具有良好的相容性。通常在一定温度下将橡胶试片浸在冷却液中一定时间后评定橡胶的体积变化考察冷却液与橡胶的相容性，橡胶的膨胀率越小越好，橡胶收缩容易引起泄漏。

传热性能

传热性能是冷却液的基本性能，水冷系统工作过程中，冷却液不发后相态转变，为单相传热，来自热源的热量以对流的方式传递给冷却液，对传热系数影响较大的流体物性有比热容、热导率、黏度、密度等。导热率大的流体内部和流体与壁之间的导热热阻小，换热强，比热容与密度大的流体单位体积能携带更多的热量，从而以对流作用传热的能力高，黏度大，有碍流体的流动，不利于热对流。水具有理想的对流传热系数，在水中加入防冻剂、缓蚀剂会降低其传热性能，水冷系统用冷却液的传热性能主要取决于防冻剂的性能，乙二醇型冷却液比丙二醇型冷却液具有更高的传热效率。

稳定性能

冷却液的稳定性是指长期储存及使用过程中保持其原有化学组成、性能的能力。二元醇型冷却液在高温热负荷条件下氧化形成的有机酸是冷却液腐蚀金属的主要原因，直接影响冷却液的使用寿命。冷却液中的硅酸盐、磷酸盐及部分有机酸盐等添加剂若使用及配伍不当，会因自身聚合、与硬水中钙镁离子结合、溶解性差等多种原因而析出凝胶状沉淀，电力电子水冷系统液冷板、接口的流道尺寸仅为毫米级，析出的沉淀堵塞过滤器及管路，影响整机流阻，降低传热性能，沉淀还会造成冷却液中缓蚀剂有效含量的降低，加剧金属腐蚀。要求冷却液具有优异的高低温稳定性、硬水稳定性。

抗泡性能

冷却液在循环流动中易后成泡沫，如抗泡性能不好，后成的泡沫不能很快消失，冷却液因夹带泡沫使实际循环量减少，甚至堵塞冷却管路，造成设备过热，过多的泡沫还会加剧水泵等部件的气穴腐蚀。用于汽车的发动机冷却液工作温度通常为80～105 ℃，产品标准控制88 ℃的泡沫倾向，而电力电子设备用冷却液工作温度一般为0～70 ℃，要求冷却液具有优异的中低温消泡、抑泡能力，因而需要在冷却液中加入消泡剂并控制防冻剂、添加剂的纯度和泡沫性能。

除上述性能外，还要求电力电子设备用冷却液无毒、无污染、抗燃、长寿命、价格便宜等。