純電動汽車用液冷板沖擊散熱性能的模擬分析

張永棟，鄭少鵬

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣東 廣州 510640）

隨著電動汽車絕緣柵雙極晶體管（Insulate Gate Bipolar Transistor, IGBT）模塊熱功率的不斷提升，需要更為強(qiáng)大的散熱性能，傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱無法滿足要求，故使用液冷的方法來散熱，可以取得更好的效果。水冷系統(tǒng)不僅可以將電子組件的工作溫度控制在理想范圍內(nèi)，同時噪音也相對較低。在多種冷卻方式中，射流沖擊冷卻具有良好的表現(xiàn)。本文采用沖擊散熱的方式對電動汽車電子組件散熱性能進(jìn)行改善，采用數(shù)值模擬的方法，對比了傳統(tǒng)冷卻和沖擊冷卻的散熱性能，同時在維持相同冷板體積，相同熱源條件下，提升了整體傳熱性能。

1 概述

冷散熱模塊的原型如圖1所示，為側(cè)進(jìn)側(cè)出入出口的設(shè)計，底部熱源為分布式熱源，總發(fā)熱量為350 W，鰭片為交錯特征，如圖2所示。通過熱傳計算式可知，增加熱傳方法有三種：增加 熱傳系數(shù)、散熱面積或增加溫度差。原始鰭片（Case1）采用交錯特征為熱傳增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的一種，能夠增強(qiáng)壁面擾流破壞邊界層，使壁面附近流體重新發(fā)展，交錯特征可使熱傳效果有相對較明顯的提升。因優(yōu)化設(shè)計限定在固定體積內(nèi)，增大散熱面積勢必會減少流體通過截面，從而增大壓損。為控制壓降，使用交錯特征鰭片之間距須保持一定大小，造成總散熱面積大小之限制。同時，而此冷板操作流量多在4～10 L/min，屬低流量情形，由于壓降與流速的平方成正比，通過提升流速以提高熱傳系數(shù)的方法亦不可行。而沖擊冷卻（Case2）可以獲得較高的熱傳系數(shù)，同時改變散熱器入出口位置，來改善壓降并強(qiáng)化傳熱成為最具可行性的方案之一，如圖3所示。

圖1 原始散熱冷板結(jié)構(gòu)示意圖（Case1）

圖2 沖擊冷卻結(jié)構(gòu)示意圖（Case2）

圖3 交錯鱗片結(jié)構(gòu)

研究表明，利用數(shù)值模擬方法在較低的資源與時間成本下獲得較佳的結(jié)果。因此，本計劃采用數(shù)值仿真方法，分別研究原始交錯特征鰭片和沖擊散熱的散熱性能。

2 分析與模擬過程

2.1 研究假設(shè)與控制方程

為了能夠很好的模擬射流撞擊、分離流、二次流和旋流等中等復(fù)雜流動，本研究選用RNG-模型，并做出以下假設(shè)。

（1）假設(shè)流體流動不可壓縮，流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略；

（2）忽略重力效應(yīng)和輻射傳熱對系統(tǒng)的影響；

（3）流體和固體材料熱物理性質(zhì)是恒定的。

基于以上假設(shè)，控制方程描述如下。

用50%乙二醇溶液作為冷卻液，連續(xù)性方程為

針對此類缺陷改進(jìn)方案為等型殼焙燒后再插入不同于主體的材料，避免裂解材料隨殼體在高溫中被氧化。其中鑄件上蠟?zāi)Ｔ谛枰迦氩煌牧系牟课活A(yù)先設(shè)置了蠟塊，等制殼及焙燒完后敲去多出的型殼，再將不同材料插入此部位并用耐火泥堵住后澆注。以雙金屬連桿為例，敲去兩端型殼后的殼體如圖12所示，被敲位置用來放置另一種材料。

其中，、分別是流體沿著軸、軸、軸的速度分量。

動量方程為

其中，，分別是冷卻液的密度和動力粘度；是流體壓力。

流體區(qū)域的能力方程

其中，，分別是流體比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。

固體、流體區(qū)域的能力方程為

其中，、是固體、流體的導(dǎo)熱系數(shù)。定義為出口邊界的溫度；、分別是固體和工作流體的平均溫度。

其中，為總發(fā)熱量；為散熱器基板總面積。

熱阻定義為

其中，為熱源平均溫度，為入出口截面均溫，為輸入熱通量。

泵浦功率定義為

2.2 模擬邊界條件設(shè)定

因為鋁合金良好的可塑性、輕便性以及50%乙二醇溶液具備良好的抗凍性，所以本文采用鋁合金制造散熱器，冷卻液選取50%乙二醇溶液，具體參數(shù)如表1所示。

表1 固體和液體材料物性參數(shù)

3 結(jié)果討論與分析

3.1 壓降損失

壓降損失是評估散熱器整體性能的主要指針之一，壓降損傷的大小對散熱器需要的泵功率有著顯著影響，壓降越大，散熱器的穩(wěn)定性越差。從圖4可以看出，與Case1相比，Case2雖流道中流體轉(zhuǎn)彎數(shù)目多，但由于中間有部分挖空，鰭片尺寸減少，整體壓降反而變小，隨著體積流量的增加，減少的趨勢也在變大。這也說明了在引起壓降方面，鰭片面積和復(fù)雜程度占主要部分。

圖4 不同體積流量下的壓降損失

3.2 底板溫度分布

散熱器主要目的之一是降低基板熱源上的最高溫度，圖5展示了兩種散熱器方案底板的溫度分布和熱梯度，溫度單位為開爾文（K），入口流量為4 L/min。對于兩種散熱器情況都顯示，沿著流動方向，溫度逐漸升高，最高溫度顯示在出口附近，溫度差沿流向更大。兩種散熱器最高溫度分布為308.78 K、308.03 K，從圖中可以清楚地看到原始散熱器方案Case1雖然具有較大的散熱面積，但是還是出現(xiàn)了比較高的溫度，Case2溫度分布相對更加均勻，最高溫度要小，顯示了沖擊散熱的良好性能。

圖5 兩種散熱器底板溫度分布

3.3 熱阻對比分析

散熱性能分析中，熱阻是關(guān)鍵的參數(shù)之一，與電阻類似，它反映阻止熱量傳遞的能力，熱阻越小說明散熱器散熱性能越好。兩種散熱器泵浦功率和總熱阻之關(guān)系如圖6所示。可以清楚地看到，在所有情況下，較高的泵浦功率產(chǎn)生較低的熱阻，在相同的泵浦功率下，所設(shè)計的沖擊散熱器具有較低的熱阻。此外，并且在較高的泵浦功率下，這種現(xiàn)象變得更加明顯。

圖6 兩種散熱器不同泵功率的熱阻變化

4 結(jié)論

本文對沖擊散熱器進(jìn)行了分析研究，并與傳統(tǒng)散熱器進(jìn)行了比較研究，詳細(xì)討論兩者之間的壓降損失、泵功率、基底的熱分布。在上述討論 的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：

（1）沖擊散熱流體流動垂直與加熱面，使得流程與鰭片上的熱分布更加協(xié)同，從而改善了散熱性能。在相同泵功率下，沖擊散熱器熱阻小于傳統(tǒng)散熱器。

（2）所有方案的底板最高溫度都出現(xiàn)在出口位置，沖擊散熱器底板最高溫度低于傳統(tǒng)道散熱器，同時沖擊散熱器溫度分布要優(yōu)于傳統(tǒng)散熱器，平均溫度更底。

（3）通過對比相同泵浦功率下的熱阻，沖擊散熱器整體性能進(jìn)一步提升，在泵浦功率為0.2 W時比傳統(tǒng)散熱器熱阻降低19.5%。