電機控制器串聯(lián)式水道仿真及優(yōu)化

黃梟凱，張正興，胥巧麗

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

隨著能源轉(zhuǎn)型的變革、排放法規(guī)的限制以及國家政策的大力推進(jìn)，新能源汽車的發(fā)展早已勢不可擋。作為新能源汽車電控系統(tǒng)中的核心零部件之一，IGBT功率模塊的散熱效率對整車的安全性、可靠性至關(guān)重要。但由于IGBT功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)和導(dǎo)通電流時會產(chǎn)生大量損耗，損失的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，表現(xiàn)為半導(dǎo)體元件發(fā)熱。若不能及時且有效地對IGBT進(jìn)行散熱降溫，則會造成器件失效甚至燒毀，對系統(tǒng)及整車的安全性構(gòu)成極大危害。所以，在推進(jìn)電動汽車發(fā)展的進(jìn)程中，提高散熱水道的散熱效率，降低IGBT模塊的結(jié)溫是一項至關(guān)重要的課題［1］。

目前，電機控制器主要采用風(fēng)冷散熱器［2］及液冷散熱器［3-4］。液冷散熱器雖然成本較高且結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但相比于風(fēng)冷散熱器，其散熱能力大幅度提升，更能滿足大功率IGBT的散熱要求。本文對采用串聯(lián)式冷板散熱器的電機控制器進(jìn)行熱仿真，分析得到IGBT模塊結(jié)溫不均勻的仿真結(jié)果。對此，本文提出根據(jù)IGBT模塊結(jié)溫特性區(qū)域化設(shè)計翅柱高度。熱仿真結(jié)果表明，本方案有助于提升IGBT模塊結(jié)溫的均溫性，為后期控制器殼體設(shè)計、加工提供了理論基礎(chǔ)。

1 控制器IGBT模塊傳熱分析

IGBT模塊為電機控制器的主要熱源，如圖1、圖2所示，在IGBT模塊安裝位置下方設(shè)置有S型冷卻水道，冷卻水道向外設(shè)置有進(jìn)出水嘴。IGBT與控制器通過螺釘固定連接，其間涂敷有散熱硅脂以隔絕空氣。

冷卻液直接與鋁基板及其上的翅柱進(jìn)行對流換熱，IGBT生成的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞給導(dǎo)熱硅脂、鋁基板及翅柱，再由冷卻液循環(huán)帶走。散熱翅柱的設(shè)置有利于增加散熱器的換熱表面積并提升冷卻液的湍流強度，以增強散熱水道的散熱能力。為改善串流水道前后均溫性較差的不足，本方案創(chuàng)新性提出根據(jù)前后溫度不同，差異化設(shè)置翅柱高度：3塊IGBT模塊對應(yīng)水道區(qū)域翅柱高度依次升高。

圖1 電機控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 電機控制器水道內(nèi)部結(jié)構(gòu)截面圖

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在有溫度差異時，熱能會從溫度高的地方自發(fā)地傳遞到溫度低的地方［5］。傳熱方式分為3種：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射，其規(guī)律由傅里葉定律給出［6］。熱傳導(dǎo)表達(dá)式為：

式中：Q——熱傳導(dǎo)熱流量；λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)；A——垂直于導(dǎo)熱方向的截面積；dt／dx——溫度t在x方向的變化率。

冷卻液與鋁基板及其散熱翅柱間的熱對流可用牛頓冷卻公式表達(dá)：

式中：Q——對流換熱量；∝——對流換熱系數(shù)；A——有效對流換熱面積；Δt——固體表面與冷卻液之間的溫差。

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

通過三維軟件Creo建立了冷卻水道及IGBT模塊的模型，并對模型進(jìn)行了一定簡化以提高仿真效率，冷卻水道及IGBT簡易模型如圖3所示。

將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench平臺下的Mesh中，對幾何模型使用自動劃分網(wǎng)格方法，設(shè)置全局網(wǎng)格控制的各個屬性參數(shù)，確保劃分得到高品質(zhì)的網(wǎng)格。

圖3 冷卻水道及IGBT簡易模型

3 數(shù)值計算及分析

3.1 邊界條件及求解器設(shè)置

本研究以峰值功率運行下的數(shù)值進(jìn)行模擬仿真分析。在峰值工況下，IGBT模塊的熱功率約為2.33kW，共3個。冷卻液采用50%乙二醇溶液，絕緣層采用導(dǎo)熱系數(shù)為2.8（W／（m·K））的導(dǎo)熱硅脂，其余部件采用6系鋁合金，各部件材料屬性見表1。

表1 材料屬性

初始溫度為60℃，流量設(shè)置為20L／min；出口設(shè)置為壓力出口，相對壓力設(shè)置為0Pa；流場選用k-ε湍流模型，忽略輻射換熱及重力的影響。

3.2 仿真結(jié)果分析

對于不同區(qū)域翅柱高度差異分別設(shè)置4組對比數(shù)據(jù)，不同翅柱直徑的數(shù)值模擬結(jié)果見表2。

其中，h為翅柱直徑，Δh為不同區(qū)域間翅柱高度差，h1c=h2c=h3c=h4c， Δh=hC-hB=hB-hA， Δh4＞Δh3＞Δh2＞Δh1=0。

對以上4組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行熱仿真，各組基板溫度仿真結(jié)果如圖4所示。

表2 不同翅柱直徑的數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 各組基板溫度仿真結(jié)果圖

將1、3兩組進(jìn)行對比，由圖4可以看出，相比于相同高度的翅柱方案，采用階梯式高度的翅柱方案，熱源最高溫度略高但熱源間均溫性顯著提高。綜合比較，散熱效果較前者有較大提升。

將2、4組進(jìn)行對比，由圖4可以看出，隨著翅柱高度差增大，熱源溫度逐漸升高，熱源間均溫性先提高，后降低。這是因為隨著翅柱高度差 加大，水道蓋板與翅柱間的間隙擴大，與翅柱換熱的冷卻液減少，由此會對散熱器的散熱性能帶來負(fù)面影響。綜合比較，第3組散熱效果最優(yōu)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合熱力學(xué)定律對IGBT散熱特性進(jìn)行了理論分析。針對電機控制器串聯(lián)式水道IGBT均溫性差的固有劣勢，在對某大功率液冷電機控制器的散熱性能進(jìn)行熱仿真分析后，提出了根據(jù)熱源位置差異化設(shè)計散熱翅柱的改進(jìn)方案。經(jīng)過仿真對比分析，該方案對IGBT均溫性有較大提升，為改善串聯(lián)式翅柱液冷散熱器的均溫性，提升控制器的散熱能力給予了一種新的設(shè)計應(yīng)用思路。