CIES2024|| 亿储电气郭向吉:大功率 IGBT模块的高效散热技术在PCS中的应用-中国国际储能大会
2024 04/09 11:16:54
来源:中国储能网

CIES2024|| 亿储电气郭向吉:大功率 IGBT模块的高效散热技术在PCS中的应用

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作者:中国储能网新闻中心

  中国储能网讯:3月10-13日,由工业和信息化部节能与综合利用司指导,中国化学与物理电源行业协会主办并联合500余家机构共同支持的第十四届中国国际储能大会暨展览会(简称“CIES”)在杭州国际博览中心召开。

  CIES大会以“共建储能生态链,共创储能新发展”为主题,针对储能产业面临的机遇与挑战等重点、热点、难点问题展开充分探讨,分享可持续发展政策机制、资本市场、国际市场、成本疏导、智能化系统集成技术、供应链体系、商业模式、技术标准、示范项目应用案例、新产品以及解决方案的普及和深化应用。

  来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的2011余家产业链供应链企业, 53417位线上注册嘉宾将参加本届CIES大会,储能网视频号线上直播11万人参与观看与交流。其中300余家企业集中展示了储能产品,涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证、飞轮储能、液流电池、熔盐储热、压缩空气储能等新型储能全产业链。

  3月12日上午,宁波亿储电气科技有限公司热管理专家郭向吉受邀在新型储能系统集成解决方案专场(下)分享主题报告,报告题目为《大功率IGBT模块的高效散热技术在PCS中的应用》。以下为报告主要内容:

  郭向吉:当亿储电气遇见大连理工大学宁波研究院,一场革命性的科技变革悄然展开。我们联合推出的3D TPLT技术让散热拥有新选择,通过相变热虹吸管设计,实现了高效集成的散热系统。不仅是一个技术创新,它是未来储能电站散热解决方案的新选择。

  我们团队初来宁波,以前专为军用飞机相控雷达打造微通道散热,为尾喷管提供热防护。现在我们同亿储电器深度合作,将这份技术带到储能领域,用于解决PCS系统中的热管理挑战。

  储能PCS,这个电力转换的心脏,正面临一个严峻的挑战:如何在狭窄的空间内高效散热?

  我们的散热策略有四大方向,首先是建立一个高效的散热系统;然后,利用先进材料如石墨烯和相变材料来提高散热表现;接着,通过ICPEEK精准的热仿真和建模来设计;最后,实现热管理设备与电气设备的高度集成化设。

  在PCS柜内部,主要发热部件包括IGBT模块、电容器和变压器等。从IGBT芯片到外壳,从125℃到80℃,壳温控制在80℃一下,这一步的散热是关键。

  面对PCS散热的“不可能三角”,我们的3D TPLT技术不仅仅是技术上的突破,同时力求在散热效率、系统成本和尺寸紧凑性之间找到完美的平衡。

  在储能领域,PCS柜的设计,满足四大需求:首先,PCS柜满足IP66的高防护等级,以确保内部元件免受尘埃和水的侵袭。其次,大量发热元件在柜体内部造成严重的积温现象。我们需要芯片拥有足够好的均温性。再来是面对重负荷持续充放电的考验,PCS柜必须能应对复杂的热负荷。最后,考虑到市场和后期运维的需求,我们需要一个既高效又易于维护的系统。

  传统的风冷散热技术,虽然历经时间考验,但现在看来,十几公斤的铝合金翅片,重且体积大,散热已接近其极限。而液冷散热技术,尽管散热性能优越,但压缩机电力消耗巨大,冷水机组维护复杂。液冷系统潜在的漏液问题、单相散热的均温性较差,令人望而却步。

  传统的热管技术已广泛应用于各种设备中,从CPU至最新的5G手机中的一维热管。但我们所提出的,基于热虹吸环路效应,形成了一种高效的三维热管理系统。在其封闭腔内,蒸发与冷凝的相变过程为散热提供了更大的效率提升。

  在现场,我们展示了两套原理样机:一套致力于可视化研究,采用透明软管来深入探索这一技术的工作机理;另一套则专注于实际应用,面对PCS中的三个IGBT模块,通过定制的蒸发器实现高效散热,最终利用气体上升管和一个大风扇完成冷凝过程。

  相比传统空气或水冷系统,我们的系统在内部实现了流动换热,换热系数得到了显著提升。通过在蒸发器的冷板上采用微通道强化传热技术,并对散热表面进行特殊处理,我们不仅提升了换热性能,还实现了优异的均温性能和紧凑的结构设计。

  我们实验室的最新突破是单个IGBT,600W热量热管理,壳温最低下降到60度,而同行业的IGBT模块勉强在85度。在30度环温下,风扇只有3000转,噪声30分贝不到。

  均温性是我们的技术一大亮点,外壳温度梯度最大不超过1℃,均温系数高达98.7%。提高了30%的散热效率,而且均温性也有了显著提升。重量和体积对我们来说不是太大问题。整个散热系统轻到只有5斤。此外,多个风扇可以集成到一个风扇,功耗比水冷算下来只有它的1/10,甚至1/20。原则设计时,环境温度55度,满足最大热负荷,向下兼容较低热负荷。

  柔性软管搭建成的热管系统,分隔气液通道让热量传递更迅速,从一厘米到四五米,都能适应运行。我们从原理上控制凝露风险,冷凝器件始终高于环境露点10℃左右。采用全密封的设计,基本上无泄漏风险。我们在大连实验室改建超算散热。2017年落地,至仍在正常运转,从来没有发生过泄漏和凝露的问题,运维成本大幅度下降。

  宁波亿储公司主要面向工商业储能柜,储能电站。公司产品技术研发主要包括特种电源,工商业储能PCS柜,DCDC功率模块等。核心研发人员来自上海交大,中国矿业大学。双方预计今年将3D TPLT技术正式落地于PCS中。

  我的分享就到这里,谢谢大家!

【责任编辑:孟瑾】