基于回歸分析法的電機(jī)控制器散熱翅片優(yōu)化

何海斌， 胡文濤， 阮曉東， 吳杰， 吳鋒， 王雷， 尹濟(jì)崇

(1. 浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 杭州 310027； 2. 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程系， 杭州 310027； 3. 寧波中策動力機(jī)電集團(tuán)有限公司， 寧波 315033)

為應(yīng)對能源危機(jī)與環(huán)境污染問題，新能源汽車在各國得到了越來越多的關(guān)注與發(fā)展。其中，增程式電動汽車是新能源汽車的重要組成部分，而增程器是該類型汽車的關(guān)鍵核心技術(shù)[1-2]。

在增程系統(tǒng)中，電機(jī)控制器的散熱性能至關(guān)重要，其是控制器核心部件絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)損壞的重要原因[3-4]。目前，隨著IGBT模塊朝大功率方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的風(fēng)冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷方式已不能滿足電機(jī)控制器的散熱要求，而更為高效的水冷散熱方式正逐漸成為主流方向[5-6]。所謂水冷散熱，即在熱源位置處安放一塊散熱翅片板，并在翅片板下方設(shè)計冷卻水道，利用冷卻液帶走模塊產(chǎn)生的大部分熱量。

目前，中外學(xué)者已針對電機(jī)控制器的散熱系統(tǒng)開展了詳細(xì)的研究工作。王淑旺等[7]針對一款新型水冷電機(jī)控制器設(shè)計了相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，并基于FLUENT軟件對其進(jìn)行散熱分析，得出了其溫度場和流場的詳細(xì)分布。丁杰等[8]利用FLUENT軟件，對翅柱式水冷散熱器的換熱性能進(jìn)行了仿真計算，得到了水冷散熱器內(nèi)部槽道的流速分布、IGBT元件與水冷散熱器的溫度場分布。姜坤等[9]利用ICEPAK軟件對不同流量、結(jié)構(gòu)參數(shù)下IGBT模塊翅針散熱器的散熱性能進(jìn)行了仿真分析，總結(jié)得到了翅針各主要參數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律。賴晨光等[10]以一款60 kW水冷電機(jī)控制器為研究對象，利用STAR CCM+軟件對其進(jìn)行仿真計算，分析了水道內(nèi)不同高度、不同形狀的擾流塊對控制器散熱性能的影響規(guī)律。應(yīng)保勝等[11]針對叉排針柱式IGBT水冷散熱器散熱的局限性，提出了一種叉排針柱多種間隙布置的水冷散熱器，并利用ICEPACK軟件對其散熱性能進(jìn)行了仿真驗證。

因此，現(xiàn)基于SOLIDWORKS軟件，詳細(xì)分析研究翅片長度、厚度以及寬度對電機(jī)控制器散熱性能的影響，并在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用回歸分析法，以保證壓降、提高散熱性能為目標(biāo)，對控制器散熱翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期為電機(jī)控制器散熱翅片的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 控制器結(jié)構(gòu)

電機(jī)控制器內(nèi)部空間狹小，集成有眾多元器件。當(dāng)正常工作時，內(nèi)部元器件將產(chǎn)生大量熱量，其中，IGBT占發(fā)熱器件總功耗的90%以上，其散熱效率直接影響了控制器整體的散熱效果。如圖1所示，控制器的水冷回路安裝于箱體內(nèi)部底面的IGBT模塊下方，IGBT產(chǎn)生的熱量通過散熱翅片傳遞到冷卻水道中，并通過冷卻液的循環(huán)帶走。控制器的水道結(jié)構(gòu)如圖2所示，冷卻水道采用U型結(jié)構(gòu)，安放于控制器翅片下方，控制器發(fā)熱源共6個，安放在散熱翅片上方。

圖1 控制器熱源位置分布Fig.1 Location of the heat sources

圖2 控制器的水道結(jié)構(gòu)Fig.2 Waterway structure of the controller

2 仿真模型的搭建與驗證

控制器水道中的流體在冷卻過程中，涉及流體、固體以及外界環(huán)境三者之間的熱交換。其中，熱輻射在IGBT的散熱過程中占比較小，因此，在計算過程中，主要考慮固體之間的熱傳導(dǎo)，以及固體與流體之間的熱對流。

2.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

在SOLIDWORKS軟件中對電機(jī)控制器的實物模型進(jìn)行三維建模，并將其導(dǎo)入SOLIDWORKS FLOW SIMULATION模塊中，生成高質(zhì)量網(wǎng)格。

原型中，控制器翅片長度L為7 mm，厚度T為1 mm，寬度W為5 mm，翅片數(shù)量為756片，結(jié)構(gòu)如圖3所示。在邊界條件設(shè)置上，根據(jù)控制器的實際應(yīng)用環(huán)境情況，將環(huán)境溫度設(shè)置為120 ℃，冷卻介質(zhì)采用50%乙二醇溶液，進(jìn)口溫度設(shè)置為65 ℃，冷卻介質(zhì)出口壓力條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，控制器主體部分的材料設(shè)置為ADC12鋁合金，散熱基板材料設(shè)置為6063鋁合金，控制器進(jìn)口流量設(shè)置為10 L/min。

圖3 控制器散熱翅片結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the cooling fins

2.2 仿真計算與分析

利用SOLIDWORKS FLOW SIMULATION模塊，對額定工況下(IGBT發(fā)熱功率200 W，Diode發(fā)熱功率48.8 W)的控制器進(jìn)行仿真計算，其結(jié)果如圖4所示。

對仿真數(shù)據(jù)分析可知，控制器IGBT結(jié)點溫度為72.29 ℃，出口溫度為66.13 ℃，冷卻水道進(jìn)出口壓降為9 254.86 Pa。

2.3 模型驗證

為驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在增程器電機(jī)控制器臺架的基礎(chǔ)上，搭建了溫度和壓力測試實驗臺，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

基于上述試驗平臺，對額定工況下控制器出口及IGBT的溫度進(jìn)行了測量，其結(jié)果如表1所示。

圖4 控制器溫度場與壓力流線示意圖(原型)Fig.4 Schematic diagram of temperature field and pressure streamline (Prototype)

圖5 增程器電機(jī)實驗臺Fig.5 Test bench of the range-extender motor

表1 控制器出口溫度和IGBT結(jié)點溫度隨時間變化表Table 1 Table of changes of controller outlet temperature and IGBT junction temperature with time

對比仿真與試驗結(jié)果可知，兩者誤差小于2%，因此，該仿真模型具有較高的仿真精度。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 散熱翅片的長度對控制器散熱的影響

更改散熱翅片長度將直接改變控制器散熱面積，進(jìn)而影響散熱效果?；谏衔慕⒌臄?shù)值仿真模型，詳細(xì)研究了翅片長度分別為5、6、7、8 mm時控制器的散熱特性，其仿真計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同翅片長度仿真結(jié)果Table 2 Simulation results with different fin lengths

其中，翅片長度為8 mm時，控制器的數(shù)值仿真結(jié)果如圖6所示。

由上述結(jié)果可知，當(dāng)控制器的翅片長度由5 mm增加到8 mm時，控制器的散熱面積由61 175.37 mm2增加到88 391.37 mm2，雖然控制器的進(jìn)出口壓降由4 653.12 Pa增加到14 775.84 Pa，但I(xiàn)GBT的結(jié)點溫度由最高的73.82 ℃下降到71.76 ℃，說明通過增大控制器的散熱翅片長度，可有效降低IGBT的結(jié)點溫度。

3.2 散熱翅片厚度對控制器散熱性能的影響

控制器散熱翅片厚度也直接影響控制器的散熱面積大小。為探究翅片厚度對控制器散熱性能的影響，研究了翅片厚度分別為0.5、1、1.5、2 mm時控制器的散熱特性，仿真結(jié)果如表3所示。

其中，當(dāng)翅片厚度為2 mm時，控制器的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 控制器溫度場與壓力流線示意圖(L=8 mm)Fig.6 Schematic diagram of temperature field and pressure streamline (L=8 mm)

表3 不同翅片厚度結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Table 3 Simulation results with different fin thickness

圖7 控制器溫度場與壓力流線示意圖(T=2 mm)Fig.7 Schematic diagram of temperature field and pressure streamline (T=2 mm)

由表3可知，控制器的散熱翅片厚度由0.5 mm增加到2 mm時，控制器的散熱面積由72 881.25 mm2增加到93 086.26 mm2，雖然IGBT的結(jié)點溫度由73.82 ℃下降到71.96 ℃，但控制器進(jìn)出口的壓降急劇上升，由4 653.12 Pa增加到66 937 Pa，說明翅片厚度對進(jìn)出口壓降較為敏感，增加翅片厚度，雖能降低IGBT結(jié)點溫度，但同時會造成控制器進(jìn)出口壓降急劇增加，進(jìn)而影響冷卻水的循環(huán)流動。

3.3 散熱翅片的寬度對控制器散熱的影響

與控制器翅片長度和厚度一樣，控制器翅片的寬度也會影響控制器的散熱面積，進(jìn)而影響電機(jī)控制器的散熱性能。為探究翅片寬度對控制器散熱性能的影響，依次研究了翅片寬度為4、5、6、7、7.5、7.7、7.8 mm時控制器的散熱特性，仿真結(jié)果如表4所示。

其中，當(dāng)控制器翅片寬度為7 mm時，控制器仿真結(jié)果如圖8所示。

表4 不同翅片寬度結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Table 4 Simulation results with different fin width

圖8 控制器溫度場與壓力流線示意圖(W=7 mm)Fig.8 Schematic diagram of temperature field and pressure streamline (W=7 mm)

由表4可知，隨著控制器翅片寬度的逐漸增加，控制器熱源的結(jié)點溫度與進(jìn)出口壓降逐漸降低，當(dāng)寬度為7.5 mm左右時，節(jié)點溫度與壓降達(dá)到最低值，分別為71.9 ℃和8 213.8 Pa。但當(dāng)翅片寬度繼續(xù)增加時，節(jié)點溫度與進(jìn)出口壓降又呈現(xiàn)上升趨勢，由此說明翅片寬度應(yīng)控制在7.5 mm以下。

4 控制器翅片尺寸優(yōu)化設(shè)計

控制器的翅片尺寸主要由翅片長度L、寬度W以及厚度T組成，這些參數(shù)將會影響控制器IGBT結(jié)點溫度和控制器進(jìn)出口壓降。為優(yōu)化散熱系統(tǒng)，采用回歸分析的方法，對控制器翅片長度L、翅片寬度W和翅片厚度T三個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4.1 回歸分析

首先，建立試驗方案，如表5所示。隨后，將仿真結(jié)果代入回歸函數(shù)進(jìn)行分析。

為降低模型的復(fù)雜度，節(jié)約計算成本，利用麥夸特法與通用全局優(yōu)化算法對上述試驗結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，其目標(biāo)函數(shù)如式(1)所示，分析結(jié)果如表6所示，所有擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R均大于0.98。

fi(L,T,W)=aL2+bL+cT2+dT+

eW2+fW+g

(1)

式(1)中：a、b、c、d、e、f、g為常數(shù)；i為第i個參數(shù)，具體計算公式為

表5 試驗方案和結(jié)果Table 5 Test protocol and results

表6 回歸分析結(jié)果Table 6 Results of regression analysis

(2)

式(2)中：Temp為IGBT結(jié)點溫度，℃；Pres為進(jìn)出口壓降，Pa。

基于上述回歸分析結(jié)果，建立優(yōu)化函數(shù)為

(3)

此外，基于控制器結(jié)構(gòu)，對翅片長度L、厚度T以及寬度W的取值范圍進(jìn)行限定，其取值范圍為

(4)

利用差分算法對上式進(jìn)行求解，可得翅片長度L=7.23 mm，厚度T=1.00 mm，寬度W=7.09 mm，此時，在保持進(jìn)出口水壓相同的情況下，可將IGBT結(jié)點溫度由72.29 ℃降低為71.81 ℃。

若將進(jìn)出口壓降限制提高1倍，即最大壓降為18 509.72 Pa時，則可以建立優(yōu)化函數(shù)為

(5)

同樣的，利用差分算法對其進(jìn)行求解，可得翅片長度L=8.00 mm，厚度T=1.12 mm，寬度W=6.70 mm，此時，IGBT的結(jié)點溫度可進(jìn)一步降低為71.01 ℃。

4.2 優(yōu)化結(jié)果驗證

為驗證優(yōu)化結(jié)果，對優(yōu)化后翅片的散熱性能進(jìn)行了仿真計算，其結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 優(yōu)化后控制器溫度場與壓力流線示意圖 (Pres=9 254.86 Pa)Fig.9 Schematic diagram of temperature field and pressure streamline for the optimized controller (Pres=9 254.86 Pa)

圖10 優(yōu)化后控制器溫度場與壓力流線示意圖 (Pres=19 857.69 Pa)Fig.10 Schematic diagram of temperature field and pressure streamline for the optimized controller (Pres=19 857.69 Pa)

由圖9可知，當(dāng)翅片尺寸優(yōu)化為L=7.23 mm，T=1.00 mm，W=7.09 mm時，控制器進(jìn)出口壓降為9 265.03 Pa，與初始狀態(tài)9 254.86 Pa相當(dāng)，但I(xiàn)GBT的結(jié)點溫度由72.29 ℃降低為71.76 ℃，與回歸方程誤差為0.07%，散熱效果顯著提升。

由圖10可知，當(dāng)翅片尺寸優(yōu)化為L=8.00 mm，T=1.120 mm，W=6.70 mm時，控制器進(jìn)出口壓降為19 857.69 Pa，為初始狀態(tài)的2倍左右，此時IGBT的結(jié)點溫度由72.29 ℃降低為71.15 ℃，散熱效果顯著提升。

綜上所述，上文所建回歸方程具有較高的擬合精度，其對控制器散熱翅片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

增程器電機(jī)控制器主要是通過控制器內(nèi)部的散熱翅片來進(jìn)行散熱的，基于通過探究不同翅片尺寸下控制器的散熱性能，得到以下結(jié)論。

(1) 增加翅片長度，可有效降低IGBT結(jié)點溫度，但進(jìn)出口壓降略有增大。

(2) 翅片寬度對進(jìn)出口壓降較為敏感，增大翅片寬度能降低IGBT結(jié)點溫度，但會同時導(dǎo)致壓降急劇增大。

(3) 增大翅片長度，能降低IGBT結(jié)點溫度與進(jìn)出口壓降，且在7.5 mm左右時達(dá)到最小值。

(4) 采用回歸分析的方法，通過建立回歸方程，對控制器的翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，翅片長度L=7.23 mm，厚度T=1.00 mm，寬度W=7.09 mm，在保持進(jìn)出口水壓相同的情況下，IGBT結(jié)點溫度由72.29 ℃降低為71.76 ℃，達(dá)到了提高控制器散熱性能的目的。該方法在控制器散熱翅片的結(jié)構(gòu)設(shè)計上具有一定的指導(dǎo)價值。