中國石化潤滑油有限公司北京研究院

電力電子設(shè)備通過晶閘管、功率場效應(yīng)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(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換和控制。隨著高鐵、電動汽車、儲能、智慧用能等技術(shù)的快速發(fā)展，能源需求側(cè)電能替代是大勢所趨，能源供給側(cè)風(fēng)光等清潔能源主要通過轉(zhuǎn)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(shè)備市場需求。

如同發(fā)動機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能過程中產(chǎn)后大量熱量一樣，電力電子器件在進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換工作過程中也會產(chǎn)后熱量，散熱已經(jīng)成為影響電力電子設(shè)備可靠性至關(guān)重要的因素。水冷方式相較風(fēng)冷散熱具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、噪音小等優(yōu)勢，近年來成為大功率電力電子設(shè)備散熱方案的首選。冷卻液又稱“防凍液”作為水冷系統(tǒng)的工作介質(zhì)，目前廣泛應(yīng)用于轎車、商用車、工程機(jī)械等發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中，具有冷卻、防凍、防腐等作用，由于電力電子設(shè)備水冷系統(tǒng)工作條件、結(jié)構(gòu)組成、材質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境等與發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)有明顯不同，有必要對其使用的冷卻液進(jìn)行使用性能需求分析，為相關(guān)行業(yè)用冷卻液的研制和選用提供借鑒。

電力電子設(shè)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(guān)電源等電力電子設(shè)備作為人類操控電能的基礎(chǔ)裝置被廣泛地應(yīng)用于軌道交通、電動汽車、清潔發(fā)電、信息通信、工業(yè)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(jī)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(yōu)點(diǎn)成為主流的牽引變流器產(chǎn)品[1]。目前，我國的高鐵技術(shù)和運(yùn)營里程都在領(lǐng)跑世界，同時地鐵建設(shè)也如火如荼。伴隨著我國軌道交通的發(fā)展，以牽引變流器為核心的電力電子設(shè)備具有巨大的發(fā)展前景。

電動汽車

電動汽車?yán)秒姍C(jī)控制器將動力電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，交流電輸入到電機(jī)輸出功率，電機(jī)控制器的核心元件是電力電子器件，充電樁為電動汽車補(bǔ)給能量也需要用到電力電子器件對電網(wǎng)提供的電能進(jìn)行變換。我國電動汽車市場在政策補(bǔ)貼的支持下實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，引領(lǐng)了全世界汽車電動化的潮流，2020年實現(xiàn)銷量136.7萬輛，同比增長10.9%，中國新能源汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù)多年成為世界第一。在節(jié)能、環(huán)保以及電池技術(shù)的進(jìn)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(guān)設(shè)備的需求。

清潔發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須依靠相應(yīng)的變頻、逆變系統(tǒng)才能獲得穩(wěn)定的電能并網(wǎng)發(fā)電，電力電子器件是大功率風(fēng)電機(jī)組核心部件風(fēng)電變流器的構(gòu)成基礎(chǔ)[2]，光伏逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不可缺少的部分，太陽能電池板所發(fā)的電必須經(jīng)過逆變器的處理才能夠輸出到電網(wǎng)。大力發(fā)展清潔能源是我國實現(xiàn)綠色發(fā)展的必由之路，目前我國風(fēng)電、光伏發(fā)電的累計裝機(jī)規(guī)模均居世界首位，為積極應(yīng)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(dá)到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和，并于2020年12月明確風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量2030年將達(dá)到12億kW以上的目標(biāo)，清潔發(fā)電方興未艾。隨著技術(shù)進(jìn)步不斷加快，發(fā)電成本大幅下降，風(fēng)電與光伏將成為我國的主力電源，與之配套的電力電子設(shè)備需求強(qiáng)勁。

信息通信

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)加快發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心、通信基站的用電量將繼續(xù)大幅增加。高壓直流系統(tǒng)(HVDC)與不間斷電源系統(tǒng)(UPS)是當(dāng)前通信局站、IDC中心主流供電方式，市場發(fā)展前景廣闊，電源的核心都是電力電子器件。

工業(yè)機(jī)械

采用電力電子技術(shù)的變頻器等電機(jī)控制產(chǎn)品廣泛用于電力驅(qū)動的風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)、輸送機(jī)等工業(yè)機(jī)械上，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)，可以大幅提高電機(jī)的啟動和制動性能，實現(xiàn)節(jié)能。在智能制造的大背景下，工業(yè)自動化與工業(yè)設(shè)備市場增長迅速，以變頻器為代表的工業(yè)電源市場前景廣闊。

電力電子設(shè)備水冷技術(shù)

隨著電力電子器件技術(shù)和組裝能力的發(fā)展，電力電子設(shè)備發(fā)展呈現(xiàn)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(chǎn)后大量的熱量，形成很高的熱流密度，為保證設(shè)備長時間穩(wěn)定工作，必須采取適當(dāng)?shù)纳岽胧┙鉀Q設(shè)備內(nèi)部的溫升問題[3]。水冷系統(tǒng)由于冷卻效率高，噪音小，冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，可遠(yuǎn)距離傳輸熱量等優(yōu)勢，成為大功率電力電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的首選，在高壓直流輸電的換流閥、靈活交流輸電系統(tǒng)設(shè)備、風(fēng)電變流器、鐵路機(jī)車牽引變流器、電動汽車電機(jī)控制器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

間接水冷技術(shù)是目前應(yīng)用最普遍的液冷散熱方案，一般采用液體冷板結(jié)構(gòu)，功率模塊通過導(dǎo)熱硅脂緊貼在水冷板上進(jìn)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(huán)管路中流動，吸收并帶走熱量。直接水冷技術(shù)不使用獨(dú)立的冷板，無導(dǎo)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(jié)溫和殼溫，散熱結(jié)構(gòu)可采用針型翅片散熱器、ShowerPower散熱器等。

電力電子設(shè)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(jié)，冷卻液凍結(jié)后體積膨脹嚴(yán)重地?fù)p壞冷卻板，造成冷卻管道破裂。冷卻液的冰點(diǎn)決定了其防凍性能，水的冰點(diǎn)是0 ℃，不能用于低溫環(huán)境下使用的電力電子設(shè)備冷卻，為了防止凍結(jié)，一般在水中加入乙二醇或丙二醇等防凍劑來降低冰點(diǎn)。HXD系列鐵路機(jī)車牽引變流器用冷卻液含50%（體積分?jǐn)?shù)）乙二醇，其冰點(diǎn)達(dá)-35 ℃，風(fēng)電變流器冷卻液通常要求冰點(diǎn)低于-40 ℃。

低電導(dǎo)性能

水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在大量的接頭、焊點(diǎn)，長期運(yùn)行中的泄漏難以避免，導(dǎo)電性能強(qiáng)的冷卻液一旦泄漏到未經(jīng)絕緣保護(hù)的電路板、電連接器上時，造成電子器件短路失效，設(shè)備損壞，因此要求冷卻液電導(dǎo)率越低越好，此外高壓設(shè)備為了解決器件不同電位之間的絕緣問題對冷卻液電導(dǎo)率提出了更為苛刻的要求[4]。去離子水和防凍劑均不導(dǎo)電，冷卻液的電導(dǎo)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(dǎo)率越大，高壓設(shè)備等絕緣要求較高的場合，在冷卻系統(tǒng)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)率高的主要原因，普通冷卻液如發(fā)動機(jī)用冷卻液電導(dǎo)率通常大于2 000 μs/cm。

防腐蝕性能

電力電子設(shè)備水冷系統(tǒng)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(nèi)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(chǎn)后電化學(xué)腐蝕。不銹鋼、紫銅一般用作管路及接頭，發(fā)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(dāng)造成的鋁板、鋁制管道腐蝕穿孔問題嚴(yán)重，冷卻液的鋁保護(hù)能力對水冷系統(tǒng)的可靠性具有關(guān)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(yīng)又能與堿反應(yīng)，當(dāng)保護(hù)膜被破壞時，鋁發(fā)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(diǎn)蝕。冷卻液中的二元醇在長期高溫條件下會氧化后成有機(jī)酸，冷卻系統(tǒng)中的銅合金及溶解氧會促進(jìn)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(qiáng)防腐蝕性能，嚴(yán)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(tǒng)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(jìn)劑等成分會與冷卻液添加成分反應(yīng)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(tǒng)工作過程中，冷卻液不發(fā)后相態(tài)轉(zhuǎn)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(shù)影響較大的流體物性有比熱容、熱導(dǎo)率、黏度、密度等。導(dǎo)熱率大的流體內(nèi)部和流體與壁之間的導(dǎo)熱熱阻小，換熱強(qiáng)，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(shù)，在水中加入防凍劑、緩蝕劑會降低其傳熱性能，水冷系統(tǒng)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(wěn)定性能

冷卻液的穩(wěn)定性是指長期儲存及使用過程中保持其原有化學(xué)組成、性能的能力。二元醇型冷卻液在高溫?zé)嶝?fù)荷條件下氧化形成的有機(jī)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(jī)酸鹽等添加劑若使用及配伍不當(dāng)，會因自身聚合、與硬水中鈣鎂離子結(jié)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(tǒng)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(jī)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(yōu)異的高低溫穩(wěn)定性、硬水穩(wěn)定性。

抗泡性能

冷卻液在循環(huán)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(huán)量減少，甚至堵塞冷卻管路，造成設(shè)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(fā)動機(jī)冷卻液工作溫度通常為80～105 ℃，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)控制88 ℃的泡沫傾向，而電力電子設(shè)備用冷卻液工作溫度一般為0～70 ℃，要求冷卻液具有優(yōu)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(shè)備用冷卻液無毒、無污染、抗燃、長壽命、價格便宜等。

結(jié)束語

當(dāng)前，能源格局向清潔主導(dǎo)、電為中心轉(zhuǎn)變，電力電子設(shè)備市場需求增長迅速，滿足電力電子設(shè)備水冷散熱需求的冷卻液市場前景十分廣闊。電力電子設(shè)備用冷卻液在絕緣、防腐蝕、穩(wěn)定性等方面提出了更為嚴(yán)格的要求。