汽车电源模块散热技术探究

汽车电源模块散热技术探究

郝楚

江苏云意电气股份有限公司，江苏省徐州市，221116

摘要：随着汽车电子化程度的不断提升，汽车电源模块承担着越来越多的功能和负载，其功率密度也在不断增加，导致的散热问题成为制约汽车电源模块性能和可靠性的重要因素。本文探讨了散热原理及当前应用的技术，重点介绍了空气冷却、水冷、相变材料和热管散热技术，寻求创新解决方案，有助于提升汽车电源模块的性能和可靠性。

关键词：汽车；电源模块；散热技术

一、引言

汽车电源模块负责管理和供应电能，支持车辆的各种功能和系统运行。随着汽车电子化水平的不断提升和车辆功能的不断增加，汽车电源模块所承受的热负荷也在不断增加，散热问题逐渐凸显，成为制约汽车电源模块性能和可靠性的重要因素之一。

汽车电源模块的散热问题直接影响着电子器件的工作效率和寿命。高温环境会导致电子器件性能下降，甚至损坏，从而影响汽车的安全性和可靠性。特别是在电子设备密集型的现代汽车中，如电动汽车和智能驾驶汽车，对散热技术的要求更为苛刻[1]。有效的散热技术可降低汽车电子设备的功耗，提高汽车电子器件的工作效率和可靠性，延长其使用寿命，提升车辆的整体性能和竞争力。

二、汽车电源模块散热原理

（一）散热机理概述

散热就是将产生的热量从一个物体传递到另一个物体或介质中，以降低其温度的过程，热量通过热传导、对流和辐射这三种方式进行传递。在汽车电源模块中，内部的电子器件在工作时会产生大量的热量，热量不能有效地散发出去，会导致电子器件的温度升高，进而影响到其性能和寿命[2]。

（二）热传导、对流与辐射

汽车电源模块散热主要通过热传导、对流和辐射三种方式实现。热传导是指热量通过物质内部的分子振动和碰撞传递的过程，常见于导热材料或接触面间。对流是指热量通过流体（如空气或液体）的流动传递的过程，通常利用风扇或泵等设备增强散热效果。辐射是指热量通过电磁波辐射传递的过程，所有温度高于绝对零度的物体都会发射热辐射，其强度与温度的四次方成正比。在汽车电源模块中，这三种散热方式常常同时存在，相互作用，共同发挥作用，以降低模块内部温度。

（三）汽车电源模块散热特点分析

汽车电源模块的散热特点需要特别关注。这些模块常安装在车辆引擎舱或控制单元附近，受到车辆运动和引擎热量的影响，环境复杂且空间狭小。电池模块通常需在极端温度条件下工作，如高温地区或极端气候条件下，对散热需求更为迫切，以应对长时间高负荷运行的需求。因此，散热设计至关重要，需要在有限空间内有效散发产生的热量，以确保模块的稳定性和可靠性。

三、当前散热技术及其应用

（一）空气冷却技术

空气冷却技术是常见且有效的汽车电源模块散热方法，其基本原理是利用自然或强制对流将热量从模块表面传递到周围空气中，从而降低模块内部温度，广泛应用于各种类型的汽车电子设备中，在不同环境和工况下展现出良好的散热效果。

空气冷却技术涉及散热风扇、散热片和散热通道等组件。散热风扇安装在电源模块周围或内部，利用产生气流并将热量带走来加速散热过程。散热片由高导热材料制成，用于增大散热表面积，提高热量传递效率。而散热通道则用于引导气流，优化散热效果，热量能够有效地从模块内部排出。

在实际应用中，空气冷却技术广泛应用于汽车电源模块的散热设计中。例如，在发动机舱内，通过合理布置散热风扇和散热片，有效地降低模块温度，提高电子器件的工作效率和可靠性[3]。在一些高性能汽车中采用更先进的多通道散热设计，以满足更高的散热需求。

（二）水冷散热技术

水冷散热技术是汽车电源模块散热的一种先进方法。相较于传统的空气冷却技术，水冷散热技术在应对高温环境和高负荷工作时表现更为出色，其原理是利用水作为传热介质，水循环将热量从电源模块传递到散热器，再通过散热器的表面散发到周围环境中。水泵将冷却水从散热器抽入，经过电源模块吸收热量后，再通过水管路返回至散热器，实现循环往复。

（三）相变材料散热技术

相变材料散热技术是一种新兴的汽车电源模块被动散热方法。该技术利用相变材料的特性，在相变过程中吸收或释放大量热量，实现对汽车电源模块温度的控制和调节。在汽车电源模块中应用相变材料散热技术，将相变材料置于散热结构中，如散热片或散热管中。当模块温度升高时，相变材料吸收热量发生相变，降低模块内部温度；反之，当温度下降时，相变材料释放吸收的热量，维持温度稳定，这一过程高效、无需外部能源，能有效解决汽车电源模块的高温散热问题。相变材料散热技术具有广泛的应用前景，能延长电子器件寿命、提高汽车可靠性和节能环保。同时，实现了温度自动调节，提高了系统智能化水平，满足高性能汽车对散热技术的更高要求[4]。

（四）热管散热技术

热管散热技术利用热管作为热量传递的媒介，在模块内部和外部之间传递热量，从而有效地降低模块内部温度，保证电子器件的正常工作。热管是一种由密封管道内充满工作流体的热传导元件，其内部工作流体在加热后蒸发成气体，然后通过对流和传导将热量带到热管的冷端，再由冷端释放热量，冷凝成液体，完成热量传递的过程。

在汽车电源模块中应用热管散热技术，将热管置于模块内部或散热结构中，与散热片或散热通道等组件结合使用。当汽车电源模块产生热量时，热管内的工作流体被加热蒸发，形成高压气体，然后通过热管管壁传导到热管的冷端。在冷端，工作流体冷却凝结成液体，释放热量，并通过对流和传导将热量传递到散热结构或周围环境中。热管循环过程持续进行使模块内部的热量得以迅速有效地传递和散发，从而降低模块温度，保护电子器件的正常工作。

四、散热技术优化与设计

（一）散热系统设计原则

汽车电源模块散热系统设计的核心原则是要确保高效散热的同时，考虑到系统的稳定性、可靠性和节能性，需要合理设计散热结构，确保散热面积充足，并且能够有效地与周围环境进行热量交换；合理散热系统的布局和空间利用，尽可能减小系统体积，提高系统的集成度和整体性能[5]。同时，还需要考虑到散热系统与其他汽车组件的协调性，确保散热效果不受其他因素的影响。

（二）散热材料选择与优化

常见的散热材料有金属、塑料和陶瓷。每种材料都有独特的导热性能和机械性能。在选择散热材料时，需全面考虑导热性、强度和耐腐蚀性等因素，以及与其他组件的匹配性。金属是常用的散热材料之一，具有良好的导热性和强度。铝和铜是常见的金属散热材料，能有效将热量传递到散热结构中。塑料是轻质、廉价的散热材料，常用于低功率和低温度环境下的散热应用，导热性较差，但可通过添加填充材料或表面处理等提高散热效率。陶瓷是耐高温、耐腐蚀的散热材料，常用于特殊环境下。

（三）散热结构设计与优化

散热结构设计是确保散热系统高效运行的核心。在设计过程中，需要综合考虑散热材料的选择、布局以及与其他组件的协调性。要考虑导热性能和散热表面积，以确保热量能够有效地传递到周围环境中。不同的材料，如金属、塑料和陶瓷，各有其独特的特点，需根据实际需求来选择最合适的材料。在优化结构形状和布局方面，可采取一些措施来提高散热效率。如，增加散热结构的表面积可以增加热量的散发面，从而提高散热效果；同时，减小空气阻力可以促进空气流动，加速热量的散发。通过仿真分析和实验验证来确保设计方案的可行性和有效性，评估散热结构设计的效果，指导后续的设计优化工作；而实验验证则能够验证仿真结果的准确性，并对散热系统的性能进行真实的验证和改进。

结论

本研究系统地探究了汽车电源模块散热技术，分析了散热原理和当前技术。在散热技术的优化与设计方面，应综合考虑散热系统设计原则、散热材料选择和散热结构设计等因素，以提高散热系统的效率和可靠性。未来，还需要进一步研究和改进散热技术，满足汽车电子设备在不同工况下的散热需求，推动汽车产业的可持续发展。

参考文献

[1]王晓红,林玉桓.新能源汽车电池用散热装置创新设计[J].内燃机与配件,2024,(04):90-92.

[2]李太科,黄瑛.散热管型对汽车散热器传热性能的影响研究[J].机械设计与制造,2024,(01):47-51+57.

[3]彭开国,李时明,黄宸武,等.汽车发动机散热风扇仿生翼型气动特性研究[J].宜春学院学报,2023,45(03):49-54.

[4]吴勇,檀生辉,伍旭东,等.基于Fluent的汽车动力电池风冷散热分析[J].汽车实用技术,2022,47(12):11-16.

[5]吴勇,檀生辉,伍旭东,等.汽车动力电池液冷散热过程数值模拟[J].内燃机与配件,2022,(09):26-29.