新能源汽車散熱器的設計

宋濤

摘 ?要：電機控制器作為純電動汽車的控制核心，其電子集成技術和功率密度的要求不斷提高，因此散熱性能將直接影響到整車電驅動系統的可靠性。本文就新能源汽車散熱器的設計進行了詳細分析。

關鍵詞：新能源;汽車;散熱器;設計

引言

傳統內燃機冷卻液溫度最高不得超過120 ℃，而純電動汽車動力驅動單元的正常安全運行溫度比傳統內燃機的溫度要低得多，這就對電機散熱器的設計理念提出了不同的要求。因此需要進行全新的概念設計以及對新的概念設計進行可行性的分析評估。

1 冷卻系統的計算與匹配

（1）冷卻系的計算過程。主要集中在電動機、散熱器和風扇三者之間的匹配關系，現舉例說明其計算方法和計算過程。

（2）散熱器和風扇的匹配。根據散熱器和風扇提供的資料，可以繪制圖1，其中：風阻曲線A，散熱率曲線D，風扇的風量-風壓曲線B。曲線A，B，D所指空氣流量的風扇轉速均指在電動機額定轉速下的風扇轉速，即風扇轉速=電動機轉速×風扇速比，所指流量均是指風筒試驗臺上測得的理論數據。

（3）理論匹配點。散熱器和風扇的理論匹配點。通過散熱器的風量和前后產生的靜壓差與散熱器“風量-風阻”和風扇“風量-風壓”的兩條特性曲線相交所得的值幾乎一樣，其交點就是散熱器與風扇的理論匹配點。從圖1可以看出，曲線A和曲線B相交，其交點在C點，C點稱散熱器和散熱器的理論匹配點，從圖可知C點的空氣流量Q，壓差ΔP1，C點就是在電動機額定轉速。

（4）冷卻系的實際風量。按照冷卻系實際情況，修正后的實際風量Q1=Q×η。

（5）實際風量下的散熱器散熱率。在這空氣流量下，可以對應曲線D得出E點，E點為實際風量與散熱器散熱量的匯合點。E點的總坐標（H1）就是散熱器在這實際空氣流量下的散熱率。

（6）液-氣溫差。電動機額定工況下的水套散熱量為WW，通過

散熱器要散發掉這部分熱量需要“液-氣溫差”應為T1=WW/H1。

（7）上水室液溫與平均液溫溫差。水泵循環量GW，冷卻液的的比熱為cw=3.561kJ/kg.℃，密度為γw=1000kg/m3;則冷卻液通過散熱器后，其溫度應下降ΔT2=WW/GW×cw×γw，即上下水室溫差，取其平均值ΔT2/2，這等于上水室液溫與平均液溫（散熱器芯子中部）之差值。

（8）上水室液溫。電動機工作環境溫度為T，需要“液-氣溫差”為ΔT1，散熱器上水室的液溫比中部平均液高出ΔT2/2，因此工作環境為T時，上水室液溫應為：T3=T+ΔT1+ΔT2/2，即為電動機出口的冷卻液溫度。

（9）出水溫度與許用出水溫度的比較。將T3同電動機許用出水溫度TE比較，如果T3

2 水冷散熱器設計

式中：A—換熱面積（以發熱面積為被冷卻區域面積），cm2;Tmax—散熱器表面允許的最高溫度，℃;Tout—冷卻液體出口溫度，℃。根據所選芯片規格，可初步確定A=69.3cm2（Tmax≤100℃）;將相關參數代入式（2），計算得h1=2.26W/（cm2·℃）。該h1值較大，已接近傳統水冷散熱器（當量直徑de>1mm）的極限;且其尺寸相對很大，已不太適用IPU小型化的要求。

目前廣泛使用的具有大換熱系數（熱流密度可超過50W/cm2）的水冷散熱器主要為微通道水冷板和PIN-FIN冷板。微通道冷板散熱是一種利用微小通道供冷卻液流通來冷卻功率器件的冷卻技術。微通道冷板的通道水力學直徑一般在1～1000μm的范圍，其焊接工藝復雜，需設計焊接工藝結構來避免微槽道的變形、阻塞及焊縫滲漏等缺陷，因此微通道冷板內腔結構往往都比較復雜。高精密的加工及復雜的焊接工藝，使微通道冷板的成本較高;同時在汽車上使用時，由于其冷卻液往往并非是超純水，當通道過小時，冷卻液中的雜質易堵塞通道。

PIN-FIN散熱器就是肋為釘狀或針狀的散熱器，是目前效率較高的散熱器之一，主要加工工藝為冷鍛、金屬注射成形（MIM）、陶瓷注射成形（CIM）及其他一些軋制等變形工藝。采用冷鍛工藝生產的PIN-FIN散熱器，肋片的一致性高，焊接工藝比微通道冷板要簡單，批量生產的成本低于微通道冷板。在性能方面，由于PIN-FIN冷板的針狀肋不僅增加了水流的擾動及流道中水的湍流強度，而且還增加了換熱面積，故在同等條件和特征尺寸（通道高度和間距）下，相對于微通道冷板，PIN-FIN的熱阻較小，流阻較大。

在熱阻相同的情況下，PIN-FIN的特征尺寸比微通道要大，批量制造成本也更低，基于批量制造成本和實際使用情況（通道水力學直徑不能過小），本設計中水冷散熱器選用PIN-FIN冷板方案。

根據IGBT外形和IPU控制器的接口要求，對散熱器的結構進行初步設計，該散熱器由上下兩塊PIN-FIN冷板組成（圖2）。IGBT模塊直接焊接在冷板1上，冷板2壓接在IGBT上，兩塊冷板間通過O形密封圈實現水路密封。由于進、出口需在同一側，兩塊冷板間的水路為串聯。每塊水冷板均由散熱板和冷卻水流道兩部分組成。散熱板采用叉排散熱柱（圖3），一方面提高散熱器內部流暢的湍流強度;另一方面加大散熱面積，提高散熱效果。一般雙面散熱較單面散熱能力提高30%以上。

3 熱傳遞分析

IGBT 的熱傳遞路徑如圖4所示。熱量首先通過熱傳導的方式由襯板傳到散熱器，然后通過強迫液冷的方式傳導至外界環境中。為了減小襯板與散熱器間的熱阻，取消了傳統IGBT模塊中的基板層，將襯板直接焊接在冷板1上。冷板2與IGBT模塊間連接的最佳方式也應是焊接，但這對IGBT、散熱器的加工精度和焊接工藝要求高，目前較難實現，因此將冷板2壓接在IGBT上。同時，為了減小接觸熱阻，散熱器安裝面表面粗糙度達1.6以上，并在IGBT模塊與冷板2間均勻涂滿導熱硅膠，并用一定的預緊力壓緊。

4 結束語

冷卻系統設計提供理論依據，避免工作中的盲目性。但是計算結果只能是近似的，因為計算中所采用的數據必然存在誤差，所以工作中往往仍得依靠經驗和參考同類型車輛冷卻系的數據。

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