純電動汽車水冷電機控制器的熱仿真和熱分析

王淑旺，趙衛(wèi)健，唐志國，孫純哲，郗世洪

(1．合肥工業(yè)大學，安徽合肥230009;2．安徽巨一自動化裝備有限公司，安徽合肥230009)

0 引 言

隨著環(huán)境壓力的劇增和節(jié)能減排的發(fā)展需要，開發(fā)新能源汽車已是大勢所趨。在純電動汽車車用電驅(qū)動系統(tǒng)的研究過程中發(fā)現(xiàn)，控制器關鍵模塊IGBT 由于內(nèi)部元器件集成度高，單位體積內(nèi)的熱耗散程度非常高，在大電流、冷卻不足等情況下發(fā)熱量高，控制器容易燒毀，嚴重影響了控制器的質(zhì)量和可靠性。在探討IGBT 故障的型式實驗中，超過55%的失效是由于溫度過高引起的［1］。

考慮到過高的溫度會縮短設備壽命并導致可靠性降低，所以需要開發(fā)合理的散熱系統(tǒng)使其運行在可靠的溫度范圍內(nèi)。在目前的工程應用中，散熱分析大多依靠經(jīng)驗設計，缺乏相應的數(shù)值模擬或?qū)嶒烌炞C。王程、周漢義等通過實驗驗證了電路板銅箔厚度是影響電機控制器散熱的最主要因素，但缺少相應的數(shù)值模擬［2］。旭良、陶文銓等對某正方形截面叉排擾流柱的水冷散熱器進行了三維層流流動與換熱的數(shù)值模擬，但沒涉及湍流模型和實驗驗證［3］。

本文通過Fluent 軟件仿真模擬以及實驗研究，驗證了所設計的散熱器結構符合工程實際需求。同時建立了設計、仿真、實驗相結合的開發(fā)散熱系統(tǒng)的體系，對設計及優(yōu)化散熱器結構的工作有一定的指導意義。

1 影響散熱器結構設計的因素

本文基于研究院正在研發(fā)的新型五代水冷電驅(qū)動系統(tǒng)，采用額定功率為25 kW 的永磁無刷直流電機和容量為90 kV·A 的控制器。控制器的主要熱源為IGBT 模塊(型號為英飛凌FS800R07A2E3)，其實際總耗散功率約為2．3 kW。考慮到傳統(tǒng)的風冷散熱方式已經(jīng)難以滿足其可靠工作的要求，采用了水冷卻的散熱方式。

IGBT 模塊有既定的可容許最大結溫(Tj)，散熱設計時需使其控制在這個溫度以下。參考IGBT 廠商的相關資料［4］，取可容許最大結溫為125℃。所設計的水冷散熱結構必須保證IGBT 功率器件運行時其內(nèi)部結溫始終保持在允許范圍之內(nèi)，且盡可能降低，保證充分的余量(約20～30℃)。

2 散熱器系統(tǒng)的結構設計

根據(jù)IGBT 的散熱要求，對散熱器結構進行了初步設計。該散熱器由散熱板和冷卻水道兩部分組成，如圖1 所示。工作原理:冷卻液經(jīng)過水泵加壓，沿冷卻水道流過IGBT 所在的散熱器，在散熱器內(nèi)腔與IGBT 進行熱交換，將熱量帶走，進入換熱裝置進行循環(huán)。IGBT 的底部采用叉排散熱柱(如圖2 所示)，一方面提高了散熱器內(nèi)部流場的湍動強度，另一方面加大了散熱面積，提高了散熱效果。

3 數(shù)值模擬與仿真

3.1 仿真理論基礎

在數(shù)值模擬前，針對IGBT 的散熱問題，本文所做的簡化和假設如下:

(1)流體流動要遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律［5］。

(2)熱交換有熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式。由于熱輻射比重很小，所以在本次模擬中，忽略熱輻射的影響。

(3)假設入口處水的流速均勻分布，即入口平面各點的速度大小及方向相同。

(4)冷卻用水視作不可壓縮常物性流體，湍流流動。

3.2 幾何模型的建立

本文采用PRO/E 軟件進行建模。由于實際模型較為復雜，為了減小仿真系統(tǒng)的計算量，提高計算速度，需對模型進行合理簡化，即忽略掉一些安裝螺紋孔和倒角等影響較小的細節(jié)部分等。建立冷卻水模型時用元件操作的切除命令切割出冷卻水在散熱柱附近的凹槽。因模型是軸對稱模型，可取其一半進行分析。

3.3 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD 軟件強大的劃分網(wǎng)格能力對模型進行網(wǎng)格劃分。將全局最大網(wǎng)格尺寸設為0．01 m，散熱柱部分最大網(wǎng)格尺寸設為0．001 m，采用四面體網(wǎng)格劃分方式。劃分后模型網(wǎng)格總數(shù)為813 317個，節(jié)點數(shù)為124 532 個，IGBT 模塊和水流模塊自動耦合。內(nèi)部水流模型在散熱柱附近的網(wǎng)格細節(jié)如圖3 所示。檢查發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格質(zhì)量良好，無負值網(wǎng)格存在，滿足下一步計算的要求。

圖3 水流模型在散熱柱周圍網(wǎng)格細節(jié)

3.4 邊界條件的定義

(1)模型設置

流體模型設置為三維定常不可壓模型。因為涉及到傳熱問題，需打開能量方程。因內(nèi)部水流湍動強度很大，故選擇標準k－epsilon 湍流模型。

(2)材料設置

設置IGBT 部分為solid，內(nèi)部水流為fluid，并將IGBT 材料設為鋁。冷卻水的物性參數(shù)如下:密度為998．2 kg /m3，粘性為0．001 003Pa·s。將IGBT 設為體熱源，計算并設定其熱流量密度:

(3)入口和出口設置

冷卻水先流過電機，再流過控制器。進水量為每5s10L，進入控制器時水溫約在55℃。入口邊界設為速度入口，水流速度設為4．43 m/s，湍動強度設為10%，水力直徑設為7．14 × 10－3m，入口水流溫度設為55℃;出口水流邊界設為自由出流。其中水流速度和水力直徑計算過程如下:

(4)壁面設置

根據(jù)傳熱學［6］，空氣自然對流換熱系數(shù)一般在5～20 W/(K·m2)，由于控制器內(nèi)部空氣對流較小，故將IGBT 外壁面邊界條件設為10 W/(K ·m2);流固耦合面溫度邊界條件設為耦合，該情況下Fluent 會自動計算耦合面的傳熱問題;設置對稱面邊界條件為symmetry，以方便計算結果的后處理。

3.5 Fluent 求解

本次求解算法采用耦合算法，求解過程更容易收斂，誤差更小。將能量方程的收斂精度設置為10－6，其他項的收斂精度設置為0．001;設置迭代1000 步，開始計算，在35 步時自動達到收斂。

3.6 結果分析

通過Fluent 軟件自帶的后處理器，求得溫度場和流場的分布情況如圖4 所示。

由圖4(a)可以看出，IGBT 模塊在遠離水流的部分溫度較高，最高溫度約穩(wěn)定在77．8℃。在圖4(b)中，內(nèi)部水流的出入口溫差約2℃，在IGBT 模塊附近溫度較高，局部溫度可達到65℃，可見水流能較好地帶走IGBT 模塊產(chǎn)生的熱量。由圖4(c)可知，壓力損失隨著流體的流動逐漸增大，在散熱柱周圍壓力變化較大，應是散熱柱擾流作用的結果。圖4(d)則表明進出口處流動發(fā)生改變的地方流體速度比較大，而在中部分布較為均勻。

圖4 熱仿真結果

綜上可知，IGBT 的溫度遠低于其可容許最大結溫125℃，能夠保證充分余量，此散熱結構能較好地滿足一定的需求。

4 實驗研究

仿真驗證表明，散熱器的結構符合散熱要求，下面將通過實驗來驗證實際效果如何。對實際控制器樣機進行溫升測試，利用埋藏在IGBT 熱源附近的三個熱敏電阻測量溫度值。在3 h 時溫度基本保持不變，可認為已達到穩(wěn)態(tài)。先后進行兩次實驗，將這三個測點的實驗測量數(shù)據(jù)和熱仿真數(shù)值模擬結果進行比較，比較結果如表1 所示。

表1 實驗值與仿真值的比較

比較發(fā)現(xiàn)，仿真值與的溫升實驗數(shù)據(jù)相差不多，偏差在5% 左右。可以說明，通過Fluent 軟件進行熱仿真數(shù)值模擬與實際工況吻合度較高，在一些情況下可替代實驗進行控制器散熱器結構的設計及優(yōu)化，大大節(jié)省了工程的成本。

5 結 語

本文基于Fluent 流體分析軟件對純電動汽車某新型電機控制器IGBT 模塊進行了三維溫度場和流場的仿真，直觀地表示出控制器IGBT 模塊冷卻系統(tǒng)的溫度分布情況和流場分布情況，方便對控制器散熱分析和結構改進。通過仿真和實驗，驗證了該控制器的散熱結構散熱效果良好，滿足該控制器穩(wěn)定運行的需求。

［1］ Janicki M，Napieralski A．Modelling electronic circuit radiation cooling using analytical thermal model［J］．Microelectronics Journal，2000(31):781－785．

［2］ 王程，周漢義，王海華．大功率串勵直流電機控制器功率板散熱設計分析［J］．微特電機，2008，36(12):11－12．

［3］ 謝旭良，陶文鈴，何雅玲．水冷散熱器傳熱與阻力特性的數(shù)值模擬［C］/ /中國工程物理學會第ll 屆學術會議論文集．2005:1175－1178．

［4］ Infineon Technologies．Calculation of Major IGBT Operating Parameters［R/OL］．Infineon Application Notes，1999［2012－11 －22］．http:/ /www．infineon．com

［5］ 王福軍．計算流體動力學分析［M］．北京:清華大學出版社，2004．

［6］ 夏雅軍．傳熱學［M］．北京:中國電力出版社，2000．