電機控制器串聯式水道仿真及優(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）

隨著能源轉型的變革、排放法規(guī)的限制以及國家政策的大力推進，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、可靠性至關重要。但由于IGBT功率半導體器件在開關和導通電流時會產生大量損耗，損失的能量會轉化為熱能，表現為半導體元件發(fā)熱。若不能及時且有效地對IGBT進行散熱降溫，則會造成器件失效甚至燒毀，對系統(tǒng)及整車的安全性構成極大危害。所以，在推進電動汽車發(fā)展的進程中，提高散熱水道的散熱效率，降低IGBT模塊的結溫是一項至關重要的課題［1］。

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

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置有S型冷卻水道，冷卻水道向外設置有進出水嘴。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行對流換熱，IGBT生成的熱量通過熱傳導傳遞給導熱硅脂、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)新性提出根據前后溫度不同，差異化設置翅柱高度：3塊IGBT模塊對應水道區(qū)域翅柱高度依次升高。

圖1 電機控制器內部結構圖

圖2 電機控制器水道內部結構截面圖

根據熱力學第二定律，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、熱對流、熱輻射，其規(guī)律由傅里葉定律給出［6］。熱傳導表達式為：

式中：Q——熱傳導熱流量；λ——材料導熱系數；A——垂直于導熱方向的截面積；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：

式中：Q——對流換熱量；∝——對流換熱系數；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。

將幾何模型導入到ANSYS Workbench平臺下的Mesh中，對幾何模型使用自動劃分網格方法，設置全局網格控制的各個屬性參數，確保劃分得到高品質的網格。

圖3 冷卻水道及IGBT簡易模型

3 數值計算及分析

3.1 邊界條件及求解器設置

本研究以峰值功率運行下的數值進行模擬仿真分析。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，絕緣層采用導熱系數為2.8（W／（m·K））的導熱硅脂，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℃，流量設置為20L／min；出口設置為壓力出口，相對壓力設置為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 仿真結果分析

對于不同區(qū)域翅柱高度差異分別設置4組對比數據，不同翅柱直徑的數值模擬結果見表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組數據分別進行熱仿真，各組基板溫度仿真結果如圖4所示。

表2 不同翅柱直徑的數值模擬結果

圖4 各組基板溫度仿真結果圖

將1、3兩組進行對比，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面影響。綜合比較，第3組散熱效果最優(yōu)。

4 結論

本文結合熱力學定律對IGBT散熱特性進行了理論分析。針對電機控制器串聯式水道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行熱仿真分析后，提出了根據熱源位置差異化設計散熱翅柱的改進方案。經過仿真對比分析，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計應用思路。