引言

隨著環(huán)境壓力的劇增,加上節(jié)能減排的發(fā)展需求,開發(fā)以純電動汽車為代表的新能源汽車已是大勢所趨。電動汽車電機控制器具有體積小、集成度高、熱流密度大等特點,其主要器件IGBT模塊的損耗產生的熱流密度大多已超過10w/cm2,轉化為熱量的損耗若沒有及時被散熱器帶走,積累的熱量將會使控制器的溫度達到100℃以上,這會導致其加速損壞。因此,需要選擇散熱效率高的水冷散熱方式來滿足控制器中IGBT的散熱需求。

本文以電機控制器中IGBT模塊水冷散熱回路為研究對象,應用有限元仿真軟件對散熱翅片尺寸、數量、冷卻水流量對散熱性能的影響進行了仿真模擬,總結了各主要參數對散熱性能的影響規(guī)律,其結論可以為電機控制器IGBT模塊水冷散熱器的優(yōu)化設計提供參考。

1水冷散熱結構

電機控制器穩(wěn)定運行時,IGBT器件的損耗占機箱內發(fā)熱器件總功耗的90%以上,IGBT模塊的散熱效率直接影響了電機控制器整體的散熱效果。如圖l所示,控制器箱體外部底面的水冷回路的位置在安裝于箱體內部底面的IGBT模塊下方,IGBT的熱損耗通過其安裝凸臺傳導至水冷回路中的散熱翅片,并通過進、出水管的冷卻水循環(huán)對其進行散熱。

2傳熱與流阻分析

2.1冷卻水傳熱分析

從傳熱機理方面分析,IGBT模塊內部芯片產生的熱量通過安裝凸臺傳導至水冷回路中的散熱翅片,流道內的冷卻水通過與散熱翅片進行熱交換,從而將熱量帶走。這其中共進行了熱傳導、熱對流兩個傳熱過程。

熱傳導是熱量從溫度較高的IGBT芯片傳至溫度較低的散熱翅片的過程,其基本定律可用傅里葉定律描述:

式中,負號表示熱量向低溫處傳遞:0為熱傳導熱流量:入為材料的導熱系數:A為垂直于導熱方向的截面積:dl/dx為溫度l在x方向的變化率。

熱對流是指循環(huán)流動的冷卻水與散熱翅片壁面接觸時發(fā)生的熱交換過程,其基本定律為牛頓冷卻公式:

式中,0為對流換熱量:h為對流換熱系數:A為有效對流換熱面積:Al為固體表面與冷卻液之間的溫差。

2.2冷卻水流阻分析

流阻是冷卻水流經散熱翅片產生的壓力損失,是評價水冷散熱器性能的指標之一。冷卻水流經散熱回路的水頭損失即為散熱回路的流阻,其流動滿足不可壓縮粘性流體一元流動的伯努利方程。水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失,計算公式為:

式中,hf為沿程水頭損失:hj為局部水頭損失:入為沿程壓力損失系數:,為流道內水的平均流速:1為流道長度:d為管道直徑:E為局部壓力損失系數。

3流道翅片結構設計

由水冷散熱回路的傳熱分析與流阻分析可知,散熱翅片與冷卻水的傳熱面積與溫差越大,傳熱效率越高:同時,流道越長,水流速度越快,換熱就越充分,而水冷散熱系統(tǒng)的流阻則會越大:即水冷散熱器的熱阻與流阻性能呈反向變化。水冷散熱器的流道散熱翅片結構如圖2所示,影響水冷散熱器性能的參數主要包括翅片尺寸w×L、翅片數量N、進水流量0。通過調整翅片結構、進水量,可使散熱系統(tǒng)的熱阻與流阻達到最優(yōu)狀態(tài),以獲得最佳散熱效果。

4水冷散熱數值模擬

4.1幾何模型簡化

根據水冷散熱系統(tǒng)的三維模型,對其進行簡化。簡化對傳熱影響較小的幾何特征,如螺紋孔、倒圓角、螺釘螺母、密封圈等:將每只IGBT模塊的幾何模型簡化為傳熱基板、IGBT芯片熱源、FRD芯片熱源、器件封裝外殼:將計算模擬區(qū)域包含為IGBT模塊、箱體及水冷回路內部流動的冷卻水。

4.2邊界條件設置

根據工程應用中的工況,將環(huán)境溫度設置為55℃,冷卻液采用純水,進水溫度設置為60℃。通過IGBT模塊的工作參數,計算得到一個單元的IGBT損耗為106w,FRD損耗為68w。設置最大迭代步數為300步。

4.3數值模擬結果與分析

4.3.1散熱翅片數量對散熱的影響

設置翅片寬度w為4mm,翅片間x方向的間距為6mm,翅片間y方向的間距為2mm,在冷卻水流量Q=9L/min時,對翅片數量分別為36、72、108的情況進行仿真模擬。使用Icepak軟件對水冷散熱系統(tǒng)進行模擬仿真,散熱仿真模擬結果如表1所示。當散熱翅片數量為36時,水冷散熱機箱整體溫度分布云圖如圖3所示,冷卻水在水冷回路中的壓力分布云圖如圖4所示。

通過表1數值模擬結果可知,散熱翅片數量越多,流固接觸面積越大,在流量相同的條件下,冷卻水壓降增大、流速增加,增強了散熱效果。但散熱翅片數量也不宜過多,過多的翅針一方面會使散熱系統(tǒng)的壓降AP增大,降低水冷系統(tǒng)效率；另一方面也會增加加工工藝難度。

4.3.2散熱翅片寬度對散熱的影響

設置翅片數量為108,翅片長度為23mm,翅片間y方向的間距為2mm,在冷卻水流量Q=9L/min時,對不同寬度的翅片冷卻系統(tǒng)進行仿真模擬。散熱仿真結果如表2所示。

通過表2數值模擬結果可知,隨著散熱翅片寬度增大,IGBT結溫降低,同時,冷卻水壓降增大、流速增加。在散熱翅片寬度為8mm時,冷卻水壓降顯著增大,同時使冷卻循環(huán)水泵能耗隨之上升,綜合IGBT結溫與冷卻水壓降數值,散熱翅片的最優(yōu)寬度選擇為6mm。

4.3.3冷卻水流量對散熱的影響

由上述對不同尺寸的翅片仿真模擬結果分析可知,當翅片數量為108,翅片尺寸為23mm×6mm,翅片間x方向的間距為4mm,翅片間y方向的間距為2mm時,水冷散熱系統(tǒng)具有更好的散熱效果。

在上述參數下,對不同冷卻水進水流量下的熱源溫度模擬仿真結果如圖5所示。

由IGBT結溫與流量關系曲線可知,隨著冷卻水進水流量的增加,IGBT結溫逐漸降低,但降低的幅度呈減小趨勢:由冷卻水壓降與流量關系曲線可知,隨著冷卻水進水流量的增加,壓降呈增大趨勢,且增長幅度呈增大趨勢。綜合分析可見,冷卻水流量過大,會降低水冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率。因此,在滿足散熱器壓降條件下,散熱器進水流量為16L/min時,水冷散熱系統(tǒng)具有更好的散熱性能。當冷卻水流量為16L/min時,水冷散熱機箱整體溫度分布云圖如圖6所示,冷卻水在水冷回路中的壓力分布云圖如圖7所示。

5結語

本文通過對電機控制器水冷散熱的傳熱與流阻分析,從影響散熱性能的翅片尺寸、翅片數量、冷卻水流量三個因素入手,利用散熱仿真軟件對IGBT散熱結溫與冷卻水壓降進行了仿真模擬,總結了不同翅片參數與流量對散熱性能的影響規(guī)律,并得到了電機控制器IGBT水冷散熱系統(tǒng)的最佳散熱效果。在工程應用中,同時還需結合加工工藝、成本、重量等因素綜合考慮,以獲得散熱效果與經濟效益。