浅谈液冷-1

Davin

笔者受邀写一篇液冷的分享，回想刚接触到液冷是在21年做电力电子PCS和变频器的项目，当时国内做液冷的同行和厂家都不太多，参照的经验多参考汽车液冷的方向。目前国内液冷方向蓬勃发展，似乎各行各业都有液冷的应用方向，AI算力、新能源汽车、储能PACK、储能PCS、光模块等等，相关液冷概念股票在市场内都是大涨几倍，各个同行聊天的话题都是离不开液冷，厂家都想往液冷方向发展。
本文将从下面三个方向分享下个人心得，欢迎批评交流！
风冷VS液冷

AI算力领域:
风冷方式：面临严峻瓶颈。其散热效率低、噪音大，且难以满足高密度算力集群的散热需求。在政策要求数据中心PUE（电源使用效率）降至1.2以下的背景下，风冷系统因空调能耗占比高（可达35%）而难以达标。
液冷方式：正成为高算力场景的主流选择。其导热效率是空气的15-25倍，能显著降低能耗，将PUE控制在1.1-1.2的理想区间，空调能耗可降至15%以下。英伟达已明确表示，从B100产品开始，其未来所有产品都将采用液冷技术。

动力电池PACK领域：
风冷方式：早期应用广泛，结构简单、成本低。但其换热系数低，冷却/加热速度慢，电池箱内部温度均匀性差，在应对高能量密度电池和大倍率快充时力不从心，且防尘防水设计难度大。
液冷方式：已成为中高端车型的主流选择。液体介质换热系数高、热容量大，冷却速度快，能更精确地将电池温度控制在最佳工作区间（如15-35℃），显著提升电池安全性、寿命和快充性能。

储能PACK领域：
风冷方式：在早期和小型储能系统中应用较多。但其散热效率低、能耗高，为了达到相同降温效果，能耗可能是液冷的2-3倍。且受环境温度影响大，难以保证大型电池簇内部温度均匀，存在热失控风险。
液冷方式：已成为大型储能项目的主流方案。其通过液冷板与电芯间接接触，散热能力是空气的数千倍，能精准控温，将电芯温差控制在3℃以内，极大提升系统安全性和电池寿命。液冷系统还能提升能量密度、节省占地面积、降低辅助能耗。

储能PCS（变流器）/变频器/充电桩领域：
风冷方式：在中小功率功率模块中常见，但散热能力有限，难以满足未来更大功率、更高集成度的需求。
液冷方式：正成为高功率功率模块的优选方案。采用液冷散热的功率模块，其功率模块和磁性元件的工作温度更稳定，有助于提升转换效率（如结合碳化硅器件，效率可突破99.3%）和功率密度。在储能领域全液冷设计的PCS能与液冷电池PACK组成统一的热管理系统，简化系统结构，提升整体能效和可靠性。

光模块领域
风冷方式：是目前光模块散热的主要方式，通过设备内部风扇和风道设计进行散热。但随着功耗增加，其散热余量变小。
液冷方式：尚未大规模商用，但已成为前沿探索方向。对于未来超高功耗（如数瓦至十瓦级）的CPO（共封装光学）或NPO（近封装光学）等先进封装形态的光引擎，其发热密度极高，风冷可能无法满足需求。在1.6T光模块冷板式液冷有望成为解决方案，通过为光模块或共封装的光电芯片集成微通道冷板，进行高效散热。
总体来看，液冷技术凭借其高效、精准、节能、高功率密度适配等核心优势快速发展，解决风冷无法解决的痛难点问题

液冷的痛难点问题
北京理想汽车曾由于冷却液防腐性能不足，特定条件下会导致冷却回路中动力电池和前电机控制器的冷却铝板腐蚀渗漏，导致车辆出现故障灯点亮、动力受限及无法上电的情形，极端情况下会造成动力电池热失控，存在安全隐患召回了对应生产批次的汽车。以上充分说明了液冷应用场景的痛难点问题，笔者简要统计了液冷应用过程三种的痛难点问题：
泄露问题：
1.密封件老化或损坏：长期使用后，密封垫片、O型圈等密封件可能出现磨损、变形或老化，导致连接处密封失效。
2.管路腐蚀与磨损：冷却液中的杂质、酸碱度变化或环境湿度等因素可能加速管路腐蚀，或因振动、摩擦导致管路磨损，形成泄漏点。
3.管道接头松动：设备运行中的振动、热胀冷缩或安装时紧固不足，可能使管道接头逐渐松动，引发泄漏。
4.冷板制造缺陷：冷板焊接工艺不佳、内部流道存在微小孔隙或裂缝，可能在运行中逐渐扩大，导致冷却液泄漏。
5.外部物理损伤：安装、维护过程中对管路或冷板的碰撞、挤压，可能造成局部损坏，引发泄漏。

冷却液问题
1.冷却液中的酸性物质、氯离子或缓蚀剂消耗不足，可能导致金属部件（如铜、铝、铁）发生腐蚀。例如，去离子水型冷却液若未及时补充缓蚀剂，易出现腐蚀现象，腐蚀可能引发部件穿孔、泄漏，导致设备短路、性能下降，甚至引发安全事故。
2.水基冷却液（如去离子水、乙二醇水溶液）在光照、适宜温度下易滋生藻类、细菌等微生物，微生物附着在管道、冷板表面，形成生物粘泥，降低传热效率，堵塞流道，影响系统运行，微生物代谢产物可能改变冷却液酸碱度，加速腐蚀。

腐蚀问题
在液冷系统中，腐蚀是一项挑战，可能导致系统泄漏和性能下降，不能忽视，热传导表面的污垢主要导致这种腐蚀，它会导致系统热性能的逐渐下降，同时，腐蚀沉积物可能会导致管道直径减少，这会降低流速，并最终可能需要更换系统组件。
1.        外部腐蚀：多是使用环境影响，盐雾、酸度、高湿环境中，应对措施通常为在金属表面与腐蚀性环境之间建立屏障发挥作用，广泛应用的方式包括在金属表面涂覆钝化化合物和涂料。
2.        内部腐蚀：分为整体腐蚀和局部腐蚀两类。整体腐蚀表现为金属损耗在整个表面均匀分布，一般不会让系统迅速失效，因为在金属彻底损坏前，其损耗速度是可以被察觉的。局部腐蚀则更难预测，常以点蚀的形式出现，可能快速穿透金属形成空洞或孔洞。气蚀是另一种常见的局部腐蚀，当液体局部压力低于其蒸汽压力时，会形成蒸汽团，进而产生气泡；气泡破裂时会释放巨大能量，可能严重损坏泵等系统组件，导致噪音增大、效率下降。这些潜在的腐蚀问题会影响系统的可靠性，还可能带来高昂的维护和组件更换成本。
内部腐蚀的应对措施有以下几点 ：
1）调控 pH 值：定期检测并调整冷却系统中的 pH 值，让其维持在合适区间，以此降低腐蚀风险。  
2）使用腐蚀抑制剂：选用合适的腐蚀抑制剂，它们能附着在金属表面形成保护膜，使金属钝化，从而防止腐蚀发生。
3）保持水流稳定：确保冷却系统内水流稳定，避免出现死水区，减少腐蚀发生的可能性。
4）关注水质：考虑自然水质，尤其是氯化物含量和硬度。要控制氯化物含量，避免或减少使用氯化物超过 100 ppm 的自来水。硬水可能导致水垢生成，使用去离子水、软化水或反渗透水是较好的选择。
5）选择适配的抑制剂：针对不同金属选择相应的腐蚀抑制剂，每种抑制剂都有其独特的优缺点。

怎么看待液冷未来的发展？
1.        液冷与AI融合，根据负载实时调节泵速和阀门，此处不仅仅只是简易的泵或者压缩机的调速功能，而是根据不同的负载对应不同的冷却通道，如高负载情况下采用微通道，低负载简易流道。笔者曾有幸听过英伟达GB200的冷板设计思路，里面设计了多种流道通路，正是对应了不同的负载对应不同的冷却通道，还包括了流道堵塞时的“泄”的功能。
2.        液冷与系统的融合，如储能领域液冷PACK和液冷PCS的融合，数据中心液冷算力与电源的融合。
3.        液冷与产业的融合，笔者简易提一个思路，数据中心产业的余热回收用于储热。