汽車控制器散熱水道的優化改進

張 琦，陳 彬，賈金信，郭長光

(1.廣東省高速節能電機系統企業重點實驗室，珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070)

0 引 言

為了緩解能源危機和減輕大城市傳統汽車排放所造成的環境污染，電動車是未來交通發展的趨勢[1]。電動車關鍵技術之一是汽車整車控制器技術[2]。

電動汽車控制器中的IGBT模塊是驅動系統中的關鍵部件，其安全性能直接影響電機驅動系統的可靠性。汽車行駛的路況復雜多變，電機需頻繁起停、加速，在這個過程中IGBT模塊會產生大量的熱量，若熱量無法及時傳遞出去，則會造成控制器溫度迅速升高，有研究認為，器件工作溫度每升高10 ℃，失效率增加1倍[3]。

目前常用的電機控制器冷卻方式分為風冷及水冷兩種，其中風冷散熱結構簡單、可靠性高，但散熱能力遠低于水冷，同等功率等級下的風冷散熱器體積和質量較大[4]。

文獻[5-10]以水為介質對直管、彎管和變截面管的流動阻力特性進行相關研究，得到影響沿程阻力系數和局部阻力系數的變化規律。

本文針對某型號汽車控制器，詳細探究了影響控制器水道散熱能力、流阻的因素，在綜合考慮散熱、流阻的前提下，完成了對控制器散熱水道的優化。

1 模型及仿真

圖1為某汽車控制器等效仿真模型。原IGBT發熱模塊等效為一定厚度的薄片，并對原模型的螺絲、螺孔等CFD仿真影響較小的結構進行簡化、刪除。

圖1 控制器簡化模型

1.1 網格剖分及求解計算

本次仿真優化基于實測額定工況，入口流量15 L/min，冷卻液溫度為20 ℃。

選用Fluent Meshing進行網格劃分，完成劃分后的網格如圖2所示。

圖2 網格剖分圖

模型選用k-epsilon雙方程模型，入口選用質量流量進口，出口選用壓力出口。

1.2 結果分析

本次仿真結果最高溫度326.6 K，流阻為1 276.6 Pa，溫升和流線圖如圖3所示。

圖3 溫升與流線圖

冷卻液屬于黏性流體，其在冷卻水道流動時損失的能量分為沿程能量損失及局部能量損失兩種。其中，沿程能量損失發生在整個流動過程，主要導致因素是黏滯力，可用沿程壓強損失ΔPl表示，計算公式：

(1)

式中：λ為沿程阻力系數，其值與雷諾數、相對粗糙度有關；l為流經長度；d為當量直徑；v為流速；g為當地重力加速度。

局部能量損失發生在流動過程中局部范圍內，主要導致因素是局部結構的形狀，可用局部壓強損失ΔPζ表示，計算公式：

(2)

式中:ζ為局部阻力系數，通過實驗確定；v為經過此局部結構時的流速。

流線圖如圖3所示，當流體流經局部突變處時，由于流體微團間相互碰撞、流體中產生漩渦等因素，流體的動能不可逆地轉化成脈動能量。可通過改變局部結構的形狀減少局部損失系數ζ，從而減少局部能量損失。

整個冷卻水道的能量損失為各段能量損失的疊加，表現形式為總壓強損失(流阻)：

ΔPf=∑ΔPl+∑ΔPζ

(3)

2 改進與優化

2.1 減少局部能量損失的優化

對原有的方形散熱翅板進行適當調整，將原翅板相互垂直的邊角優化為圓角，如圖4所示。

圖4 新舊翅板對比

2.2 結果分析

本次仿真結果最高溫度327.3 K，同比升高0.2%；流阻為1 138.7 Pa，同比減小10.8%。

由圖5可知，原方案中由于翅板直角而導致冷卻液產生的旋渦大量減少，流阻得以降低。

圖5 改進后溫升與流線

本次優化中，將原先方形翅板的夾角刪掉，導致冷卻液與殼體有效接觸面積有所減小。殼體散熱公式：

Pi=hAΔT

(4)

式中：Pi為散熱量；h為傳熱系數；A為冷卻液與殼體有效接觸面積；ΔT為冷卻液與殼體的溫度差。

由式(4)可知，有效接觸面積減小，殼體的散熱能力下降。

2.3 增強散熱的優化

保持優化過的翅板結構尺寸不變，在此基礎上適當減小翅板間的距離，由原來的8道翅板增加至9道翅板，如圖6所示。

圖6 增加翅板后的散熱水道

本次仿真結果最高溫度325.6 K，同比降低0.3%；流阻為1 187.7 Pa，同比減小7%。

圖7 增加翅板后的溫升與流線

3 對比分析

3.1 流阻變化分析

第一次，將原翅板的90°夾角更改為圓角，減少冷卻液流經時由于流動分離形成剪切層造成的能量耗散。

第二次，在保持圓角的基礎上，增加翅板的數目，與原方案相較，流阻降低，與第一次優化相較，流阻增加，這是由于流經長度增加、局部損失部位增多導致的。

圖8 三次方案流阻比較

3.2 溫升變化分析

第一次優化(減少局部能量損失的優化)改進時，僅從減少局部能量損失方面角度進行優化，有效散熱面積降低0.5%，控制器最高溫度溫度升高0.7 K；

第二次優化改進時，綜合考慮散熱與流阻，通過增加倒圓角后散熱翅板數目的方式，增大有效散熱面積4.4%，控制器最高溫度降低了1 K。

圖9 三次方案溫升比較

3.3 優化前后實測對比

根據上述優化仿真方案，制作了二次優化方案后的電機控制器樣機，如圖10所示。圖11為原方案溫升測試結果與樣機對比。可以看出，仿真值與實測值大致相同，溫升確有下降。

圖10 實測改進后樣機

圖11 改進前后仿真、實測溫升曲線

3.4 最終方案

綜合以上兩點考量，優化后方案確定為9翅板、圓角，在多流量輸入的對比中，溫升最低、流阻居中。

4 結 語

本文通過對純電動汽車控制器仿真優化與理論分析相結合的方式，探究了影響控制器水道散熱能力的因素；在綜合考慮散熱、流阻的前提下，完成了對控制器散熱水道的優化，流阻同比降低7%，溫升同比降低0.3%。本次優化后的控制器與前代相比，散熱加強，性能提高，為后續產品升級提供了案例及優化思路。