水冷設計的案例
新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與熱仿真管理分析
針對上面所提到的有關電機電機水冷部分，我們開發了本程課，新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與ANSYS ICEPAK熱仿真課程，本教程以一款新能源汽車的15.5KW無刷FOC控制水冷電機的理論設計過程與散熱仿真過程為例，通過從設計參數的整理為基礎，講解根據電機的損耗參數去如何選取水冷管道的開口面積，依據水冷管道的開口，再結合電機的相關參數，通過理論方法設計整機的水冷管道的換熱系數與冷卻面積的匹配。再根據相關的計算結果參數進行整機的散熱設計，依據整機的傳導路徑熱阻等，通過迭代計算出整機的散熱面積，從而進行相關的結構設計與整機水冷系統的設計。
待電機設計完成，進行相關的校核，再利用ANSYSICEPAK進行整燈的熱仿真視頻教程，熱仿真視頻教程通將整機從CAD軟件的3D模型簡化開始，到通過WORKBENCK 導入到ICEPAK軟件內，在ICEPAK軟件內完成相關模型的物性設置，軟件仿真邊界的設計置等等......，一步步的充分講解了在ANSYS ICEPAK中對一款水冷電機產品從3D模型的前處理，再到如何將3D模型導入到ICEPAK中，再到在軟件中對模型的物性設置，到如何進行網格劃分及求解等全套操作流程。
本教程旨在通過本款新能源水冷電機的實例案例的操作，讓您能達到依據整機的相關性能參數進行水冷系統的選取以及整機水冷散熱部分的理論計算，整機冷卻系統與整機散熱系統的匹配計算，利用理論計算對電機整機散熱的設計，同時能夠熟練的運用ICEPAK，以用ICEPAK來完成對此類水冷電機產品的熱設計與ANSYS ICEPAK散熱仿真。
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展開 淺析IGBT模塊水冷結構對控制器結構設計的影響
平面封裝間接水冷IGBT模塊
對于平板封裝的引線鍵合、平面封裝的IGBT模塊，我們需要設計專門的冷卻水道，模塊與冷卻水道分別處于殼體的內外腔體，依靠鋁殼體的傳導進行散熱。IGBT模塊平面與殼體之間需要涂抹導熱硅脂，用來降低傳導熱阻。水道設計既要保證水路通順，降低水阻，同時也希望水流相互攪拌，呈現一種湍流的狀態，使得水路中的水流換熱均勻，能盡可能帶走更多的熱量，提高換熱效率。Pin-Fin結構就是湍流換熱的典型代表結構。
新能源汽車電控系統及散熱技術簡述（下）
1
模塊單面水冷技術
模塊雙面壓接在水冷散熱器兩側，通過在水冷散熱器兩側涂抹導熱硅脂以及設計絕緣結構或其他形式的絕緣以及散熱連接。冷卻液在流道中流經模塊將熱量帶走。
特點：
結構緊湊；
模塊成本低；
體積非常小；
冷板利用率高。
圖5 逆變器結構爆炸圖
2
雙層水冷技術
模塊雙面壓接間接水冷散熱器，通過在模塊兩側涂抹導熱硅脂以及設計絕緣結構或其他形式的絕緣以及散熱連接。冷卻液在流道中流經模塊兩側將熱量帶走。
新能源汽車電控系統及散熱技術簡述（下）
1
模塊單面水冷技術
模塊雙面壓接在水冷散熱器兩側，通過在水冷散熱器兩側涂抹導熱硅脂以及設計絕緣結構或其他形式的絕緣以及散熱連接。冷卻液在流道中流經模塊將熱量帶走。
特點：
結構緊湊；
模塊成本低；
體積非常小；
冷板利用率高。
圖5 逆變器結構爆炸圖
2
雙層水冷技術
模塊雙面壓接間接水冷散熱器，通過在模塊兩側涂抹導熱硅脂以及設計絕緣結構或其他形式的絕緣以及散熱連接。冷卻液在流道中流經模塊兩側將熱量帶走。
技術討論｜4680的模組設計更新
▲圖6.電池系統的設計理念
也就是說，我們不光能從容量、體積布置效率、機械結構和水冷等多個維度去比較這個設計理念，這種設計本身還得看電芯的迭代速度有多快。
▲圖7.水冷設計的差異
小結：我的理解，以后的電池包都不能維修，就看電芯的PPM是否能往極限制造的方式走，這個完全決定結構CTC要不要做，如果沒有可靠的電芯伙伴，連參與這場比賽的資格都沒有。要是電芯的缺陷大，整個設計就是挖了大坑讓自己跳。
GaN氮化鎵正在進入汽車領域
圖1 2021年Yole更新的GaN的應用推廣時間表
一、GaN System和BMW
2017年，GaN系統（GaN Systems）獲得了寶馬i Ventures的戰略性投資，再加上臺達有落地的硬件層面的設計，Rohm和安森美的生態可以使得GaN Systems走得更穩一些。
圖2 看GaN的投資是往下游走，臺達和BMW確認了落地路徑
從競爭態勢來看，競爭對手EPC（Efficient Power conversion）走的是自己封裝的路線。
圖3 GaN器件的市場競爭
備注：有好幾家初創公司的情況，需要后續一家家進行跟蹤，包括Transphorm、Cambridge Semicoductor、SEMICOA、Advanced Analogic Technologies和Solitron Devices。
二、GaN器件應用的目標
目前來看，GaN器件在應用中主要包括48V系統的功率電子、車載充電機和DCDC，將來可以擴展到逆變器。而無線充電、手機無線充電和激光雷達都可能會用到這個。
圖4 整車里面GaN器件的應用
以OBC來說，使用GaN的器件，可以實現尺寸上減少到原來的五分之一，充電效率可以增加到98%，這也可以減小散熱的結構。
圖5 GaN器件對OBC帶來的效益
在DCDC方面，可以從水冷設計改換為風冷，由于功率密度從1kW/L升到2kW/L，這個效能在多合一里面起到的作用非常直接。
圖6 GaN器件對于DCDC帶來的效益
在這個方面，Denso做了不少的嘗試，可以把整體的設計體積降低80%，基本是顛覆了原有的設計方法。
展開 美國新勢力Lucid 的電池冷卻方案
▲圖3.Lucid的21700電芯的正負極連接和Busbar
這都是為了頂部的散熱設計，現在好多整車企業都很喜歡這種頂端的散熱設計，讓電芯的頂部和散熱板進行連接，讓電芯和外部進行熱隔離。
▲圖4.Lucid的水冷設計
Lucid采用頂部是平面冷卻的方式，在非受力的情況下，通過間隙控制保證冷板與底部的良好接觸，在這里水冷板直接和電芯貼合的部分采用了導熱絕緣的材料，在保證貼合的情況下進行絕緣處理。
▲圖5.Lucid的水冷板
Lucid也采用了一套分布式的電池管理系統，把采樣板內置在模組里面，然后BMS主系統單獨做了一塊板，如下所示。
▲圖6.Lucid的內置CMU采樣板
BMU的位置被放置在一個模組的頂部，如下所示。
▲圖7.BMU的位置在一個模組上方
Part 2
和特斯拉的頂部冷卻（4680）方式做對比
當然特斯拉想做的，是在底部做支撐和泄壓排放，然后在頂部做電氣連接和絕緣設計，并且通過導熱膠的部分，讓母排的熱量充分散出去。
相比較Lucid頂部做電氣連接嵌塑的方法，這種電氣絕緣和導熱散熱模式效果可能更直接一些。再加上里面本來就有的散熱板，面向400V900A的特別容易發熱的充電曲線，這個設計并不過分。
▲圖7.特斯拉的4680散熱設計對比
比較期待3月份等4680Model Y完成交付，實際產品設計出來以后，我們看這一代產品和國內電池的性能差異。
展開 變流器整機熱設計仿真案例
1.2 具體應用方法
熱設計在結構設計的最初就必須參與其中，它跟結構設計相符相成。CFD軟件中前處理模塊是整個熱分析的過程中的前期準備階段模塊，它的功能是3D建模，相當于solidworks、proe等軟件的3D建模；熱分析求解模塊是在繪圖模塊的基礎上進行細化，包括環境溫度的設定、重力、結構材料的設定和其它一些重要數據的設定，這部分很關鍵，是整個熱設計成功與否的關鍵；后處理模塊是后期設計的改進，它能幫助我們更準確的了解整個系統的熱流走向和內溫的高低。
2、CFD軟件在變流器系統中的實際應用
2.1 散熱方案選擇
當采用自然對流冷卻和強迫風冷無法滿足電子設備的溫控要求時，就必須借助于外部水系統來提供強制冷卻，對于采用液冷的電子設備，其熱設計應著重考慮多個問題：
① 選用合適的冷卻介質和冷卻設備；
② 選用的合適的液冷散熱器件；
③ 設計合適的熱流風道；
2.2 應用實例
2MW全功率變流器是通過CFD流體動力學軟件在實際中獲得的應用案例，整柜分為并網柜、網側功率柜和機側功率柜，內部采用功率單元水冷設計，柜內其余部件的余熱利用水風換熱器降低整柜溫度，整體柜內溫度較低且熱流流線合理，結構設計和電器接線也很合理。下面是具體的分析。
2.3.1 結構初稿設計
a) 機柜暫定為三柜，總外形尺寸為：3000（W）×650（D）×2200（H）,整柜密閉并采用水風交換和水冷交換散熱。
b) 機柜從左到右為并網柜1個，寬度800mm；功率柜2個，寬度1100mm+1100mm。
c) 并網柜設計為單開門，功率柜都設計為雙開門。
展開 氮化鎵繼消費領域之后再瞄準汽車市場
圖3 GaN器件對OBC帶來的效益
在DCDC方面，可以從水冷設計改換為風冷，由于功率密度從1kW/L升到2kW/L，這個效能在多合一里面起到的作用非常直接。
圖4 GaN器件對于DCDC帶來的效益
車用氮化鎵存在的挑戰
盡管新能源汽車對于GaN而言是一個具有未來的全新應用場景，但是如今依然面臨著挑戰。在新能源汽車領域，GaN面臨最大的挑戰在于，由于車規級認證過程較慢，對器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時面臨硅器件和SiC器件的競爭。
同時，由于硅基GaN功率器件的工作電壓較低，而耐高壓的SiC基GaN功率器件又比較貴，Yole預估GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動車上進行部署。
因此只有GaN做得足夠好、成本足夠低，才可以有較強的競爭力，否則難以進行大規模應用和普及。
展開 如何看待奔馳EQC的電機冷卻液泄漏召回？
奧迪工程師對于轉子水冷的設計考量
Part 2 創新的代價
在目前的電動汽車企業的開發里面，驅動系統分解為電機設計、逆變器設計和整體的熱管理設計，都在車企的核心里面。主要的目的是通過電驅動系統的效率提升，能夠讓整車效能更高一些。
從技術選擇來看日美（混動車型和特斯拉）系傾向于電動機油冷技術，而歐系（BBA）傾向于電動機水冷技術，在第一代車型方面，奔馳和奧迪都和德國ZF一起協作，電機轉子水冷技術雖然難度較高，但是能帶來的收益還是客觀存在的。
這技術的設計門檻在于水封，而且我們能看到由于歐洲車企目前也是從第一代純電車型到第二代純電車型的技術迭代過程中，設計上越復雜的技術，原有傳統汽車企業需要很長的時間去迭代和分析，然后控制整體的故障率。
我個人的理解來看，好多技術沖在前面，是需要制造工藝和售后質量的同志緊密跟隨，從組織結構上創新需要全員參與和幫忙一起解決問題。
小結：從客觀來看，我們之前傾向認為的驅動系統正逐漸由車企主導并拿回去的趨勢中，主機廠也會把一部分采購訂單放在外面——因為不可能完全兜住所有的風險。這次奔馳還能拉著ZF一起來看問題在哪里，如果全部壓在奔馳的電機工程師身上，這事情就麻煩了。
展開 新能源pack系統散熱解決方案-液冷板選型和設計
壓式液冷板
沖壓式液冷板具有流道可任意設計、接觸面積大、換熱效果好、生產效率高、耐壓與強度好等優點，但由于其需要開模，因此成本較高，且對平整度要求高，安裝難度大
3.吹脹式液冷板
吹脹式液冷板具有成本低、換熱效果好、生產效率高等優點，但由于其材質偏軟，因此在耐壓與強度方面存在較大的短板。
4.平行流管式液冷帶
平行流管式液冷帶具有換熱效果好、適用于圓柱形電芯的優點，但由于其結構復雜，因此成本高。
5.型材加攪拌摩擦焊
這種將型材通過攪拌摩擦焊連接成型的液冷板具有可靠性好、承重能力好、表面平整度好、換熱效果好等優點，但由于其厚度較厚且加工方式復雜，因此成本高、重量重且空間占有率高。
6為了驗證液冷板的性能與安全可靠性，需要對液冷板進行如下三個方面的測試
出貨檢測
外觀檢測；
尺寸檢測；
常溫密封性。
2.熱性能測試
冷卻性能測試；
加熱性能測試
形式測試：
低溫密封性試驗
壓降測試
爆破試驗
靜壓強度
耐高溫試驗
耐低溫試驗
壓力交變試驗
鹽霧試驗
帶載振動試驗
內部腐蝕性試驗
進回水接頭拉拔力測試
水冷散熱器的設計原則
1基材的選擇：盡量避免一個系統中有兩種電極電位差較大的金屬，減少電化學腐蝕。
2冷板種類選擇:基于液冷系統的結構和是否承載重去選擇
3 流量的確定：由于水冷的系統比較龐大，一般不會對整個系統做仿真分析，而是先設定水冷散熱器流量，再根據對應的系統流動阻力匹配水泵?？偀崃亢凸べ|的物性參數確定后，流量和溫升成反比
若溫升較高，則水冷系統的換熱器（冷卻水用）需要設計的比較大；若溫升過低，則需要選用比較大的水泵。
展開 
東鍋快速設計系統項目案例分享
：
水冷壁設計：
四、 快速設計系統的帶來的價值
超過30項的軟件功能開發，主要體現如下：
五、 Windchill協同設計平臺應用，平臺搭建包含：
1、 Windchill系統安裝配置；
2、 Windchill與Enovia集成開發；
結語
隨著現代先進機械設計方法的快速發展，三維設計、工藝和制造一體化的發展趨勢，我們可以看到，三維CAD與PDM/PLM系統的集成，使企業的設計資料能夠有效的管理起來，與工藝系統集成，使三維模型的應用不僅限于研發部門，而且深入到生產制造環境，使三維CAD的應用能夠發揮更大的價值。
展開 CPU冷卻器：液體冷卻與空氣冷卻
這些散熱片的設計是為了最大限度地暴露在較冷的空氣中，從而吸收金屬中的熱量。然后，連接的風扇將熱的空氣吹離散熱器。
被動冷卻是怎樣的？
與標準空氣冷卻器相比，被動式冷卻器不太常見，但在理論上是相似的。它們依靠特別設計的散熱器來吸收和散發熱量，而不需要使用風扇。對于有低噪音要求的設備，這類散熱器非常有用，但大多數游戲計算機都使用空氣冷卻器或液體冷卻器。
空氣冷卻器的效率會因諸多因素而有所不同，比如構建時使用的材料（例如，銅的傳導性優于鋁，但鋁更便宜），以及連接到 CPU 散熱器的風扇的大小和數量。這就是 CPU 空氣冷卻器的尺寸和設計會有不同的原因。
大空氣冷卻器通常散熱更好，但并不總是有足夠的空間來容納較大的散熱解決方案，特別是在小型電腦中。接下來將進一步探討空氣冷卻的優點，以及何為液體冷卻。
1.2 液體冷卻
與空氣冷卻器一樣，有多種選項可供選擇，但大多數都分為兩類：一體式 (AIO) 冷卻器或自定義冷卻循環。在這里，我們將主要關注一體式 (AIO) 冷卻器，盡管這兩者中液體如何冷卻 CPU 的基本原理是相同的。
與空氣冷卻類似，冷卻過程從連接到 CPU IHS 的基板開始。IHS 上附有一層導熱膏，方便兩個表面之間更好地傳熱?；宓慕饘俦砻媸?em>水冷頭的一部分，水冷頭設計為裝填冷卻液。
當冷卻液通過水冷頭時，會從基板吸收熱量。然后，冷卻液繼續在系統中行進，向上通過一兩根管子到達散熱器。散熱器將液體暴露在空氣中，幫助其冷卻，然后，連接到散熱器的風扇將熱量吹離冷卻器。接下來，冷卻液重新進入水冷頭，循環再次開始。
展開 汽車大觀｜3.0T+9AT/9HAT超級動力總成 長城汽車進階的武器？
與此同時，長城汽車6Z30 3.0T發動機通過雙VGT增壓器、雙電子節氣門、集成水冷中冷設計等，減少渦輪遲滯，大幅提升瞬態響應速度，實現越野場景下動力性能的全面優異表現。
以現款奧迪Q7搭載的3.0T發動機為例，其最大功率為250kW，最大扭矩為500N·m。
長城汽車6Z30 3.0T發動機動力表現強悍，但并沒有在燃油經濟性上妥協。
通過VVT技術控制氣門開閉時間、雙噴系統降低廢氣排放、高冗余材料強度等設計，不但使發動機的熱效率達到了38.5%，排放標準也達到了國6b+RDE。
長城汽車6Z30 3.0T發動機高強度曲軸
在可靠性方面，長城汽車6Z30 3.0T發動機采用高強度曲柄連桿系統，疲勞安全系數達設計標準130%，為車輛在全地形和大功率輸出環境下，帶來更高的可靠性，保證發動機在全地形、全環境實際使用場景的更高可靠性。
據了解，長城汽車選擇了夾角為60°的V型6缸方案，這是因為V型結構比直列結構發動機運行時噪音更小，同時，V型發動機結構可以更加緊湊，長度比直列結構可縮短約20%，為發動機艙騰出空間，更方便、從容地布置其它部件。
9AT的考量
與這臺長城旗艦發動機搭配的是長城自研的中國首款自創9AT自動變速器。
為什么選擇搭配9AT變速器？長城汽車蜂巢易創傳動板塊研發副總裁陳曉峰指出，經過長時間的研究考證，長城汽車發現9AT變速器是目前所有AT變速器中的“最優解”，擋位少則燃油經濟性低，擋位多則制造成本更高。
長城汽車這臺9AT變速器采用緊湊高效的離合器設計、自主開發的液力自動變速器結構方案優選程序以及智能集成的電子液壓模塊等技術，實現變速器性能突破。在保證變速器尺寸可控的情況下實現了高達600N·m的變速器承載能力。
展開 2021年春季----電子產品散熱理論設計與ANSYS ICEPAK仿真實戰技術高級培訓班招生簡章
專業熱設計人必學必會182講散熱理論設計視頻培訓課程，了解本課程請點擊下面鏈接：
ANSYS ICEPAK 視頻培訓課程，了解本課程請點擊下面鏈接：
南京青松熱設計工作室精彩視頻教程：
電子產品散熱理論設計視頻培訓課程：
專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程（國內首套有關散熱理論設計的系統培訓課程）
ANSYS ICEPAK 視頻培訓課程：
我所理解的熱仿真---ANSYS ICEPAK電子散熱仿真全套原創視頻教程
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新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與ANSYS ICEPAK熱仿真
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電解電容的發熱損耗計算與分析
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