車用電機控制器散熱結(jié)構(gòu)及熱仿真分析

童莉莉，丁永根，李星明

(1.上海電驅(qū)動股份有限公司，上海 201806； 2.上海汽車電驅(qū)動有限公司，上海 201806)

0 引 言

近年來，隨著國內(nèi)汽車工業(yè)技術(shù)水平的提高以及國家對新能源汽車發(fā)展的重點關(guān)注，新能源汽車技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的突破口，成為一項衡量國家綜合實力的重要指標[1-3]。新能源電動汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別在于電驅(qū)動系統(tǒng)，而電機控制器是電驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，電機控制器的性能，特別是散熱性能，將直接影響電機的輸出性能及電驅(qū)動系統(tǒng)運行的可靠性[4-6]。因此，為了保證整車輸出動力的穩(wěn)定性及可靠性，需要開發(fā)更好的電機控制器散熱系統(tǒng)以滿足整車工作要求。

當前，電機控制器的散熱方式主要有風冷和液冷兩種[7-8]。風冷散熱成本相對較低，但散熱能力有限。隨著電力電子器件功率的不斷增加，電機控制器更多采用具有更強散熱能力的液冷方式來提高系統(tǒng)的散熱能力。由于控制器內(nèi)部諸多耦合場之間存在相互制約關(guān)系，提升控制器散熱能力問題會涉及傳熱學、流體力學、計算流體力學等多方面，使得這些耦合場的分析、求解變得十分復雜和困難。因此，對電機控制器進行準確的熱仿真和熱分析就顯得尤為重要。

本文以某款混聯(lián)客車電機控制器為研究對象，對控制器的傳熱性能、IGBT功率模塊損耗進行分析，同時采用有限元分析軟件 ANSYS對影響控制器散熱性能的冷卻水道結(jié)構(gòu)、進水口流量、導熱硅脂層厚度等關(guān)鍵因素展開分析，總結(jié)各因素對控制器散熱性能的影響規(guī)律，相關(guān)研究成果可以為電機控制器散熱性能優(yōu)化提供理論指導。

1 控制器IGBT功率模塊傳熱分析

在電驅(qū)動系統(tǒng)中，電機控制器關(guān)鍵器件IGBT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，是電機控制器的主要熱源。在探討IGBT故障的形式試驗中，超過55%的失效是溫度過高引起的[9]。因此，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)。本文所研究的某款永磁同步電機控制器簡化模型如圖1所示。

圖1 電機控制器箱體結(jié)構(gòu)簡化模型

在3組IGBT功率模塊底部設(shè)置冷卻水回路，冷卻水由進水口進入，從出水口流出，通過水流的強制循環(huán)帶走IGBT功率模塊發(fā)熱產(chǎn)生的熱量。從傳熱機理上分析，IGBT功率模塊內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量，通過熱傳遞的方式經(jīng)箱體傳遞給冷卻介質(zhì)，在外部強制對流作用下將冷卻介質(zhì)攜帶的熱量傳遞出去，從而實現(xiàn)IGBT功率模塊溫度穩(wěn)定。

影響控制器散熱系統(tǒng)散熱效率的因素有多種，其中關(guān)鍵因素主要有冷卻水道結(jié)構(gòu)、冷卻水流量以及功率模塊與箱體接觸部位之間導熱硅脂層的厚度。

2 仿真理論基礎(chǔ)及損耗分析

2.1 仿真理論基礎(chǔ)

電機控制器熱分析問題是一個復雜過程，在仿真模擬過程中需要結(jié)合主要熱源點，給出一些相應(yīng)的簡化及假設(shè)：

(1)冷卻介質(zhì)在管道內(nèi)流動，需要遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律。一般情況下，熱量的傳遞方式包括熱傳導、熱對流和熱輻射。由于熱輻射對控制器散熱效果的影響比重較小，本文仿真模擬將主要針對熱傳導和熱對流對控制器散熱效果的影響。

(2)為了有效分析散熱器流道內(nèi)部流場及其溫度場的變化，需要做一些基本假設(shè)來簡化問題。以下為本文仿真中用到的已知參數(shù)：

入水口水管直徑d=0.025 m；

冷卻介質(zhì)密度ρ=989 kg/m3；

流體運動粘度μ=0.000 577 kg/(m·s)。

結(jié)合上述相關(guān)參數(shù)，計算雷諾數(shù)：

考慮到外界干擾容易使流動變成湍流，對于工程中管流而言，當雷諾數(shù)[10]大于2 000，則為湍流流場，故由此判定本散熱模塊為湍流流場。

2.2 功率模塊損耗分析

電機控制器中主要熱源就是IGBT功率模塊，其輸出的最大功率受系統(tǒng)熱設(shè)計的限制，而準確地計算功率模塊的損耗是散熱設(shè)計的前提，因此有必要對IGBT功率模塊的損耗進行分析。相關(guān)研究[11-12]發(fā)現(xiàn)，IGBT功率模塊的損耗主要以IGBT及FWD的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗為主，由于FWD功率損耗相對于IGBT損耗小很多，所以本文只考慮IGBT產(chǎn)生的功率損耗。根據(jù)IGBT功率模塊的特性及參數(shù)，基于SVPWM控制模式對IGBT模塊進行功率損耗計算[13]。當開關(guān)頻率較低時，IGBT通態(tài)損耗占總損耗的比例非常大，其通態(tài)損耗如下式：

(1)

此外，開關(guān)器件IGBT在開通和關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生開關(guān)損耗，開關(guān)損耗占總損耗的比例與開關(guān)的頻率有關(guān)，開關(guān)頻率越高，損耗越大。開通和關(guān)斷時的損耗分別如下式：

(2)

(3)

式中：psw_I為開通時損耗；psw_II為關(guān)斷時損耗。

3 控制器熱仿真結(jié)果分析

3.1 水道結(jié)構(gòu)對控制器散熱效果的影響

本文針對控制器散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計兩種水道結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。對比分析在進水流量8 L/min，水溫65 ℃，環(huán)境溫度65 ℃，額定工況條件下水道結(jié)構(gòu)對控制器散熱效果的影響。

圖2 兩種水道結(jié)構(gòu)模型

圖3為兩種水道結(jié)構(gòu)模型下控制器整體溫度及流速矢量分布。可以發(fā)現(xiàn)，在進水流量為8 L/min，初始水溫65 ℃，環(huán)境溫度65 ℃，穩(wěn)定工況條件下，S形和直線形結(jié)構(gòu)的控制器芯片最高溫度分別為115.5 ℃、129.2 ℃；峰值工況下工作60 s后，S形和直線形結(jié)構(gòu)的控制器芯片最高溫度分別為146.2 ℃、150.6 ℃。由此可見，在相同工況條件下，S形水冷結(jié)構(gòu)更加利于控制器散熱。對比分析兩種水道結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，S形水道內(nèi)平均有效散熱面積為0.137 m2，水流速為0.374 m/s，直線形水道內(nèi)平均有效散熱面積為0.103 m2，水流速為0.165 m/s。由此可見，S形水道結(jié)構(gòu)內(nèi)水流速更加均勻，且有效散熱面積更大，冷卻介質(zhì)在單位時間內(nèi)吸收的熱量更多，控制器在穩(wěn)定及峰值工況下IGBT模塊芯片的溫度也相對較低。

圖3 不同水道結(jié)構(gòu)模型下控制器穩(wěn)態(tài)整體溫度及分布

3.2 水流量對控制器散熱效果的影響

圖4為S形水道結(jié)構(gòu)在不同水流量條件下控制器整體溫度分布。可以發(fā)現(xiàn)，在初始水溫65 ℃，環(huán)境溫度65 ℃，穩(wěn)定工況條件下，隨著冷卻水流量增大(8 L/min→14 L/min→20 L/min)，控制器芯片最高溫度依次為115.5 ℃、108.2 ℃和105.5 ℃；在峰值工況條件下，控制器運行60 s后，隨著水流量增大，IGBT模塊芯片最高溫度由160.5 ℃降低到146.2 ℃。可見，當水道結(jié)構(gòu)和初始工況條件相同情況下，增加冷卻水流量，可以顯著降低控制器IGBT模塊芯片最高溫度。但是進一步分析發(fā)現(xiàn)，當水流量由14 L/min→20 L/min時，溫度下降只有2.7 ℃，幅度較8 L/min→14 L/min小。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：當流量較小時，隨著流量的增加，冷卻水流速增加，流動時擾動更加劇烈，帶走熱量的速度也越快；當流量增加到一定程度以后，限制控制器散熱的主要因素已經(jīng)改變，增加流量對散熱器散熱能力的提升影響較小。因此，單一的通過增大水流量的方式并不能獲得最佳散熱效果。

圖4 不同水流量條件下控制器穩(wěn)態(tài)整體溫度分布

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，當冷卻水流量不同時，流道內(nèi)流阻壓降損失不同，流量在8 L/min→14 L/min→20 L/min范圍變化時，水道內(nèi)流阻壓降損失依次為4.43 kPa、5.91 kPa、9.45 kPa，流阻壓降損失隨冷卻水流量增加而逐漸增大。因此，當流量達到一定范圍以后繼續(xù)增加不僅會增加壓降損失，還會帶來不必要的能量浪費。

3.3 導熱硅脂層厚度對控制器散熱效果的影響

控制器箱體與IGBT模塊之間主要以熱傳遞的方式進行熱量傳導，通常情況下，箱體(金屬材料)的導熱系數(shù)要比IGBT模塊(非金屬材料)高，導熱系數(shù)不同使二者之間存在接觸熱阻。因此，在IGBT模塊安裝時有必要在箱體和模塊之間涂抹導熱硅脂來減少二者之間的接觸熱阻，增加傳熱效率。圖5為不同厚度的導熱硅脂對控制器IGBT模塊芯片溫度的影響。可以發(fā)現(xiàn)，在初始水溫65 ℃，環(huán)境溫度65 ℃，S形水道結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定工況條件下，當導熱硅脂層(導熱系數(shù)2.6 W/(m·K))厚度逐漸減小(100 μm→50 μm→0)時，控制器IGBT模塊芯片最高溫度依次為103 ℃、108 ℃和110 ℃；在峰值工況條件下，控制器運行60 s后，IGBT模塊芯片最高溫度也由163 ℃降低到136 ℃。由此可見，導熱硅脂對控制器散熱效果影響顯著。

圖5 不同導熱硅脂層厚度條件下控制器IGBT模塊溫度分布

4 結(jié) 語

(1)電機控制器內(nèi)主要熱源為IGBT功率模塊，其輸出的最大功率受系統(tǒng)熱設(shè)計的限制，理論計算IGBT功率模塊的熱損耗大約為2 652 W。

(2)控制器冷卻水道結(jié)構(gòu)對散熱效果影響明顯，冷卻水在水道內(nèi)主要以湍流形式流動，且S形水道結(jié)構(gòu)較直線形散熱效果更好，穩(wěn)態(tài)及峰值工況條件下IGBT功率模塊芯片溫度更低。

(3)冷卻介質(zhì)流量對控制器散熱性能影響明顯，當流量增大時，控制器穩(wěn)態(tài)工作時IGBT功率模塊芯片最高逐漸降低，當流量為20 L/min時芯片最高溫度為105.5 ℃，但是繼續(xù)增大流量后，溫度降低幅值會逐漸減小，影響控制器散熱性能的關(guān)鍵因素發(fā)生轉(zhuǎn)變。

(4)添加導熱硅脂對IGBT功率模塊芯片溫度影響明顯，當導熱硅脂層厚度為100 μm控制器穩(wěn)態(tài)工作時芯片最高溫度約為103 ℃。