混合動力汽車電控模塊的水冷散熱優化設計

摘 要：【目的】混合動力汽車電控模塊的水冷散熱設計是確保電控系統在各種工況下穩定運行的關鍵技術。為提升電控模塊的穩定性和可靠性，開展水冷散熱結構的優化設計。【方法】通過數值模擬分析影響模塊水冷散熱性能的因素，包括散熱器入口流量、進出口位置及散熱器流道結構。【結果】仿真結果表明，增加入水口流速能在一定程度上降低模塊溫度，但效果隨著流速增加而遞減。同時，出入水口的合理布局對提高散熱效率至關重要，錯位型仿翅柱流道設計相較于傳統直柱型流道，在散熱效果和溫度分布均勻性方面有顯著提升。【結論】錯位型仿翅柱流道設計能有效改善電控模塊的散熱性能，有助于模塊維持在適宜的工作溫度，對混合動力汽車電控模塊的散熱設計具有重要的工程意義。

關鍵詞：電控模塊；水冷；散熱；仿真

中圖分類號：TM41" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）02-0052-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.010

Abstract： [Purposes] The design of water-cooled heat dissipation for hybrid electric vehicle electric control modules is critical for ensuring stable operation under various conditions. This study focuses on optimizing the water-cooled heat dissipation structures to enhance the module’s stability and reliability. [Methods] Using numerical simulation， factors influencing the water-cooled heat dissipation performance of the module are analyzed， including the inlet flow rate of the radiator， the position of the inlet and outlet， and the flow channel structure of the radiator. [Findings] Simulation results show that increasing the inlet flow rate can reduce the module temperature to a certain extent， but the effect diminishes as the flow rate increases. At the same time， the rational layout of the inlet and outlet is crucial for improving heat dissipation efficiency. The staggered fin flow channel design significantly improves the heat dissipation effect and temperature distribution uniformity compared to the traditional straight fin flow channel. [Conclusions] The staggered fin flow channel design can effectively improve the heat dissipation performance of the electric control module， help maintain the module at a suitable working temperature， and has important engineering significance for the heat dissipation design of HEV electric control modules.

Keywords： electric control module; water-cooled; heat dissipation; simulation

0 引言

混合動力汽車結合了內燃機和電動機兩種動力源，旨在提高燃油效率，減少尾氣排放。電控模塊作為混合動力汽車的核心組件之一，負責管理和協調內燃機和電動機的工作，確保動力輸出的平順性和經濟性［1］。隨著混合動力汽車的發展，電控模塊整體呈現功能復雜、集成度高的發展趨勢，其散熱問題也愈發凸顯，如果熱量不能有效管理，將導致模塊性能下降甚至損壞，從而嚴重影響整車的安全性和可靠性［2］。因此，必須采用高效的冷卻方式及合理的散熱設計，才能保證電控系統安全運行。

水冷散熱系統因其高效的熱管理能力，被廣泛應用于混合動力汽車的電控模塊冷卻工作中。水冷散熱系統能夠提供連續的冷卻流體循環，有效地將熱量從熱源傳遞到散熱器，并最終散發到環境中，以維持電控模塊在適宜的溫度范圍內工作。這種散熱方式特別適合于發熱量大且空間受限的應用場景。在設計混合動力汽車電控模塊的水冷散熱結構時，需要考慮多種因素，包括冷卻流體的流動特性、電控模塊的功率、系統的重量和體積及成本等［3］。優化這些參數對于實現電控模塊的長期穩定運行至關重要。

本研究旨在探討混合動力汽車電控模塊水冷散熱結構的設計方法，通過數值模擬的方式分析模塊水冷散熱性能的影響因素，并提出一種高效的電控模塊水冷散熱結構，為混合動力汽車電控模塊的散熱設計提供科學依據和工程實踐指導。

1 電控模塊水冷散熱結構

水冷散熱結構利用冷卻液在封閉系統中通過對流換熱的方式來傳遞和散發熱量。冷卻液（R134a型）在系統中循環流動，吸收電控模塊產生的熱量，然后流向散熱器，進而散發到外界空氣中［4］。電控模塊水冷散熱系統通常由散熱器、管道、連接件和控制單元等組成，其設計靈活性較強，可以根據車輛的具體需求和空間限制進行定制。優化的設計方案可以實現電控模塊的良好散熱，有效降低溫度，滿足混合動力汽車對電控系統穩定性和可靠性的要求。

電控模塊水冷散熱結構示意如圖1所示。本研究通過調整入水口的流速、出水口與入水口的位置、散熱通道的結構進行相關流體仿真，觀察參數變化對模塊散熱性能的影響，從而設計能夠增加電控模塊的壽命和可靠性的優化散熱設計方案。

2 電控模塊流體散熱仿真研究

根據圖1的結構示意，建立如圖2所示的仿真模型，各結構由下到上的材料參數見表1。

2.1 流道入水口流速對模塊散熱的影響

水冷系統可以對冷卻液的溫度和流量進行精確控制，從而優化散熱效果。根據相關研究，流速的增加可以提高散熱性能，因為流體更快地流動有助于帶走更多的熱量，從而降低電控模塊的溫度［5］。但流速的選擇也需要平衡，過高的流速可能會導致額外的能量消耗和潛在的系統振動問題，所以需要進行恰當的流速設計，從而有效減小熱阻，提高整體散熱效率。

本研究針對散熱流道的入水口流速變化來進行仿真計算，觀察流速對電控模塊散熱的影響。本研究分別設置入水口流速為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/s，仿真結果如圖4所示，其中橫坐標為入水口流速，縱坐標為模塊的最高溫度，當電控模塊散熱流道的入水口流速越大，模塊的整體溫度分布與預想的一樣，逐漸降低，但變化程度趨緩。不同入水口流速的溫度分布如圖5所示。由圖5可知，隨著入水口流速的增加，模塊的整體溫度分布隨之變化。

雖然入水口流速越快，發熱模塊的溫度越低，但在實際混合動力汽車中，其水冷散熱模塊的入水口速度不能無限大，因為水冷散熱系統的設計必須考慮流體動力學、材料強度、密封性能及系統的穩定性和安全性［6］。如果入水口速度過快，可能會導致水流沖擊過強，損壞水泵、管道和連接部件，同時也可能引起系統壓力過高，超出系統設計的承受范圍，從而引發泄漏或其他安全問題。因此，水冷散熱系統的設計通常會包含壓力限制閥和流量調節裝置，將流速控制在合理的范圍內。

2.2 入水口和出水口位置對模塊散熱的影響

混合動力汽車電控模塊的水冷散熱系統入水口和出水口的位置可能會對冷卻液的流動路徑、流量分布及散熱效率產生影響。在理想情況下，冷卻液應該能夠均勻流過電控模塊的下方，帶走產生的熱量，而入水口和出水口的位置不合適，則會導致冷卻液在通道內部的流動受阻或不均勻，從而減小熱交換效率，導致電控模塊過熱，影響其正常工作和壽命［7］。

在設計和維護混合動力汽車電控模塊的水冷散熱系統時，應使入水口和出水口的位置能夠有助于冷卻液流動，避免短路流和死區，以保持電控模塊在最佳工作溫度下運行。本研究設計3種出入水口的不同位置，如圖6（a）所示，對應的溫度分布仿真結果如圖6（b）所示。由圖6可知，出入水口都設置在熱源的中間位置，且位于流道的兩側效果最好。

如果需要更改這些接口的位置，應進行詳細的流體分析和測試，以評估其對散熱性能的具體影響，并確保修改后的系統能夠滿足性能要求，在不改變散熱流道的前提下，出入水口的新位置應與現有的冷卻系統兼容，包括管道、泵和其他相關設備［8］。

2.3 流道結構改變對模塊散熱的影響

較高功率的電控模塊要求散熱系統具有更高的散熱效率和更強大的散熱能力。這可能涉及更復雜的冷卻系統設計，如更大的散熱片、更高效的冷卻液循環系統或者更先進的冷卻技術（如液冷系統）。為了適應大功率電控模塊的散熱需求，需要對冷卻系統進行優化設計。本研究設計了兩種不同的仿翅柱散熱流道，模型如圖7所示，圖7（a）為直柱型流道，圖7（b）為錯位型流道。

通過仿真分析模塊的溫度分布可以看出，錯位型流道比直柱型流道對模塊的散熱效果提升更顯著，不同流道結構的模塊溫度分布如圖8所示。由圖8可知，凸同時錯位型流道設計使模塊的整體溫度分布更均勻，在實際運用中更加可靠。

通過仿真結果可以看出，錯位型翅柱比直柱型翅柱更加有助于提高散熱效率，并確保電控模塊在各種工況下都能保持適宜的工作溫度。大功率電控模塊的集成化設計要求散熱系統與其他系統（如電機冷卻系統和電池冷卻系統）進行有效整合，以便系統化設計和管理，以提高整個動力系統的能效和可靠性。

3 結語

本研究通過對直流道進行數值模擬分析，計算了不同的入口流速及出（入）水口的位置變化對混合動力汽車電控模塊散熱的影響，進而在直流道的基礎上優化設計出仿翅柱型流道，分析得出錯位型仿翅柱流道設計對發熱模塊的散熱及整體溫度分布有明顯的提高和改善。研究成果可以推廣到其他類似模塊中，具有重要的工程意義。

參考文獻：

［1］許敏，張亦嘉.中國混合動力汽車動力總成技術進展［J］.汽車安全與節能學報，2024，15（3）：269-294.

［2］張寶徠，劉剛，陳天宇.電動汽車動力電池液冷系統優化研究［J］.機電信息， 2024（18）：60-63，67.

［3］王志望，高勇飛，譚成舟，等. 混合動力汽車動力總成冷卻系統及混合動力汽車： CN201720174743.X［P］. 2017-11-10.

［4］李清龍，張鵬，張明.R134a與R1234yf汽車制冷系統的充注量及性能試驗研究［J］.中國汽車，2022（2）：21-25，46.

［5］李小平，劉其源，蔡麗娟，等.熱成形模具冷卻系統水槽及入水口參數對水流速度分布影響［J］.重慶理工大學學報（自然科學），2014，28（6）：63-67.

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［7］曾波.高效換熱器設計及其在暖通系統中的性能優化策略［J］.城市建設理論研究（電子版），2024（29）：118-120.

［8］劉曉鵬.高性能微型壓電泵結構設計及實驗研究［D］.長春：吉林大學，2023.