汽車控制器散熱水道的優(yōu)化改進(jìn)

張 琦，陳 彬，賈金信，郭長光

(1.廣東省高速節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)企業(yè)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(jī)和減輕大城市傳統(tǒng)汽車排放所造成的環(huán)境污染，電動車是未來交通發(fā)展的趨勢[1]。電動車關(guān)鍵技術(shù)之一是汽車整車控制器技術(shù)[2]。

電動汽車控制器中的IGBT模塊是驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其安全性能直接影響電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。汽車行駛的路況復(fù)雜多變，電機(jī)需頻繁起停、加速，在這個過程中IGBT模塊會產(chǎn)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(rèn)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(jī)控制器冷卻方式分為風(fēng)冷及水冷兩種，其中風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但散熱能力遠(yuǎn)低于水冷，同等功率等級下的風(fēng)冷散熱器體積和質(zhì)量較大[4]。

文獻(xiàn)[5-10]以水為介質(zhì)對直管、彎管和變截面管的流動阻力特性進(jìn)行相關(guān)研究，得到影響沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)的變化規(guī)律。

本文針對某型號汽車控制器，詳細(xì)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(yōu)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(fā)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(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、刪除。

圖1 控制器簡化模型

1.1 網(wǎng)格剖分及求解計算

本次仿真優(yōu)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格剖分圖

模型選用k-epsilon雙方程模型，入口選用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口選用壓力出口。

1.2 結(jié)果分析

本次仿真結(jié)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(fā)生在整個流動過程，主要導(dǎo)致因素是黏滯力，可用沿程壓強(qiáng)損失ΔPl表示，計算公式：

(1)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，其值與雷諾數(shù)、相對粗糙度有關(guān)；l為流經(jīng)長度；d為當(dāng)量直徑；v為流速；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

局部能量損失發(fā)生在流動過程中局部范圍內(nèi)，主要導(dǎo)致因素是局部結(jié)構(gòu)的形狀，可用局部壓強(qiáng)損失ΔPζ表示，計算公式：

(2)

式中:ζ為局部阻力系數(shù)，通過實驗確定；v為經(jīng)過此局部結(jié)構(gòu)時的流速。

流線圖如圖3所示，當(dāng)流體流經(jīng)局部突變處時，由于流體微團(tuán)間相互碰撞、流體中產(chǎn)生漩渦等因素，流體的動能不可逆地轉(zhuǎn)化成脈動能量。可通過改變局部結(jié)構(gòu)的形狀減少局部損失系數(shù)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(xiàn)形式為總壓強(qiáng)損失(流阻)：

ΔPf=∑ΔPl+∑ΔPζ

(3)

2 改進(jìn)與優(yōu)化

2.1 減少局部能量損失的優(yōu)化

對原有的方形散熱翅板進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將原翅板相互垂直的邊角優(yōu)化為圓角，如圖4所示。

圖4 新舊翅板對比

2.2 結(jié)果分析

本次仿真結(jié)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(dǎo)致冷卻液產(chǎn)生的旋渦大量減少，流阻得以降低。

圖5 改進(jìn)后溫升與流線

本次優(yōu)化中，將原先方形翅板的夾角刪掉，導(dǎo)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(shù)；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(qiáng)散熱的優(yōu)化

保持優(yōu)化過的翅板結(jié)構(gòu)尺寸不變，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)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(jié)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(jīng)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(chǔ)上，增加翅板的數(shù)目，與原方案相較，流阻降低，與第一次優(yōu)化相較，流阻增加，這是由于流經(jīng)長度增加、局部損失部位增多導(dǎo)致的。

圖8 三次方案流阻比較

3.2 溫升變化分析

第一次優(yōu)化(減少局部能量損失的優(yōu)化)改進(jìn)時，僅從減少局部能量損失方面角度進(jìn)行優(yōu)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(yōu)化改進(jìn)時，綜合考慮散熱與流阻，通過增加倒圓角后散熱翅板數(shù)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(yōu)化前后實測對比

根據(jù)上述優(yōu)化仿真方案，制作了二次優(yōu)化方案后的電機(jī)控制器樣機(jī)，如圖10所示。圖11為原方案溫升測試結(jié)果與樣機(jī)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(jìn)后樣機(jī)

圖11 改進(jìn)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(yōu)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(jié) 語

本文通過對純電動汽車控制器仿真優(yōu)化與理論分析相結(jié)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(yōu)化，流阻同比降低7%，溫升同比降低0.3%。本次優(yōu)化后的控制器與前代相比，散熱加強(qiáng)，性能提高，為后續(xù)產(chǎn)品升級提供了案例及優(yōu)化思路。