劉永軍（廈門市福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建 廈門　361003）

車載三合一輔助控制器熱仿真及實(shí)驗(yàn)分析

劉永軍
（廈門市福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建 廈門361003）

依托電動(dòng)汽車水冷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，以一種新型車載三合一輔助控制器的主要發(fā)熱源IGBT模塊及

DC-DC電源為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，借助專業(yè)熱分析軟件Icepak，進(jìn)行車載三合一輔助控制器的熱仿真分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

水冷系統(tǒng)；控制器；熱仿真；Icepak

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的快速發(fā)展，系統(tǒng)集成度逐漸提高，新型車載三合一輔助控制器關(guān)鍵模塊IGBT及DC-DC電源，由于內(nèi)部大功率元器件數(shù)量的增加，集成化的布置使得單位體積內(nèi)熱流密度不斷加大、熱功耗升高，在大電流及冷卻不足的情況下，導(dǎo)致內(nèi)部件溫升高，容易造成燒毀［1］，影響整車安全及可靠性。

相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的強(qiáng)制風(fēng)冷過(guò)程進(jìn)行了模擬分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明模擬結(jié)果是可靠的［2］。本文通過(guò)ANSYSIcepak軟件仿真模擬及實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究［3］，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)是否符合整車實(shí)際使用需求。同時(shí)，建立了設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的散熱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)體系，為以后設(shè)計(jì)及進(jìn)一步優(yōu)化控制器的散熱系統(tǒng)奠定了一定的基礎(chǔ)，具有指導(dǎo)意義。

1　控制器設(shè)計(jì)要求

采用合理有效的散熱設(shè)計(jì)，控制產(chǎn)品內(nèi)部元器件的溫升，使其工作溫度不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所要求的最高溫度［4］，以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行，提高可靠性。新型車載三合一輔助控制器即是助力轉(zhuǎn)向、空壓機(jī)、DC-DC電源集成控制器，其主要熱源為IGBT模塊（英飛凌FP50R12KT4，其PIGBT功耗=42.7 W）及欣瑞特DC-DC電源模塊，其總功耗如表1所示。每個(gè)IGBT模塊有6個(gè)IGBT芯片（每個(gè)芯片的功耗為7.13 W）和6個(gè)Diode芯片（每個(gè)芯片的功耗為2.18 W）。

表1　模塊功耗表

由于三合一控制器的集成設(shè)計(jì)，體積較小，傳統(tǒng)風(fēng)冷無(wú)法滿足其可靠工作的要求，而強(qiáng)制水冷散熱的效率為自然風(fēng)冷散熱的20倍［4］，故采取強(qiáng)制水冷的散熱方式。散熱系統(tǒng)包括散熱板及冷卻水道兩部分。散熱板吸收IGBT模塊及DC-DC電源模塊所產(chǎn)生的的熱量，通過(guò)水道內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)帶走熱量，如此往復(fù)，進(jìn)行換熱循環(huán)。

IGBT模塊及DC-DC電源本身有其可容許的最大結(jié)溫（Tj），設(shè)計(jì)時(shí)需要控制其不超過(guò)此溫度［5］，所設(shè)計(jì)的散熱板結(jié)構(gòu)必須保證IGBT及DC-DC電源模塊運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部結(jié)溫處在允許范圍之內(nèi)，并盡可能低，保證余量。模塊溫升要求如表2所示。

表2　模塊溫升要求

2　散熱系統(tǒng)特性參數(shù)確定

為提高散熱性能、加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，通常采用50%乙二醇水溶液作為水道內(nèi)的冷卻介質(zhì)。根據(jù)IGBT模塊和DC-DC電源模塊發(fā)熱量計(jì)算冷卻介質(zhì)的流量及流速。

2.1冷卻介質(zhì)流量計(jì)算

根據(jù)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法［6］，假定散熱板進(jìn)口水溶液溫度Tin=45℃，出口水溶液溫度Tout=50℃；則水溶液定性溫度：

47.5℃時(shí)50%乙二醇水溶液的物性參數(shù)如表3所示。

表3　47.5℃時(shí)50%乙二醇水溶液的物性參數(shù)

則所需要的50%乙二醇水溶液的流量［7］：

即水溶液的流量約為1 L/min。

2.2入口流速計(jì)算

水道直徑d=10 mm，流道中心距離70 mm。

口流速為0.21 m/s。

3　仿真分析及實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1仿真模型的建立

本文使用有限體積方法，即將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。研究對(duì)象是水冷單元，該單元包括水冷板和水冷流道、IGBT模塊和DC-DC電源模塊。水冷板尺寸為203 mm×309 mm×20 mm，IGBT和DC-DC電源分別布置在散熱板的兩側(cè)［8］，水冷板具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 水冷板流道模型

邊界條件的設(shè)定如下：根據(jù)IGBT模塊功耗和DC-DC電源模塊功耗計(jì)算所需流量，冷卻介質(zhì)為50%乙二醇水溶液，設(shè)定進(jìn)水流速為0.21 m/s，出水為自由流速［9］。

3.2仿真結(jié)果分析

對(duì)ANSYSIcepak進(jìn)行仿真［10］。圖2為水冷板中冷卻介質(zhì)50%乙二醇水溶液的流動(dòng)軌跡，可以看出，在流道中冷卻介質(zhì)的流速在逐漸增加。圖3為水冷板流道內(nèi)流體的溫度云圖，可以看出，在熱源集中的地方（同時(shí)覆蓋IGBT和DC-DC電源模塊的水冷板部分區(qū)域）流體溫度明顯高于其他地方，在熱源不集中的地方，整個(gè)流道內(nèi)流體的溫度分布比較均勻，避免了水冷板部分區(qū)域集中過(guò)熱的現(xiàn)象。

圖2　水冷板流道流動(dòng)軌跡圖

圖3　水冷板流道內(nèi)流體溫度云圖

圖4為水冷板溫度云圖（DC-DC電源側(cè)），可以看出，由于DC-DC電源的發(fā)熱區(qū)域較大，整體溫度分布比較均勻；圖5為水冷板溫度云圖（IGBT模塊側(cè)），可以看出，由于對(duì)IGBT模塊進(jìn)行了精細(xì)建模（精確到芯片級(jí)），可以清楚看出芯片最下方水冷板上的溫度分布，此時(shí)水冷板上溫度最高區(qū)域集中在芯片的最下方，最高溫度65.08℃，這個(gè)溫度也是以后計(jì)算芯片結(jié)溫的重要參數(shù)。

圖4　水冷板溫度云圖（DC-DC電源側(cè)）

圖5　水冷板溫度云圖（IGBT模塊側(cè)）

圖6為水冷板流道內(nèi)流體的壓力分布云圖，可以看出，本文選取的進(jìn)水流速v=0.21 m/s，造成的流道阻力為250 Pa，一般水泵完全可以滿足。該進(jìn)水流速既可以滿足散熱要求，也可以減少水泵成本。

圖6　流道內(nèi)流體壓力云圖

3.3逆變模塊IGBT工作結(jié)溫計(jì)算

IGBT模塊（英飛凌FP50R12KT4）熱阻值如表4所示。

表4　IGBT模塊熱阻值

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，計(jì)算IGBT的結(jié)殼溫差：

在設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度下，IGBT芯片平均結(jié)溫：

3.4實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)是對(duì)輔助控制器整體設(shè)計(jì)合理程度的綜合評(píng)估。利用IGBT模塊及DC-DC模塊附件預(yù)埋的兩個(gè)溫度傳感器，提高熱電偶法測(cè)量溫度。在環(huán)境溫度45℃下，在規(guī)定電源電壓范圍內(nèi)，按照最小電壓、額定電壓、最大電壓取三組電壓，以適配電機(jī)為負(fù)載，輸出100%額定電流（或110%額定有功功率）、額定電壓、頻率的條件下工作運(yùn)行2.5 h后溫度基本不變，可認(rèn)為達(dá)到熱平衡。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行兩次，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5　實(shí)驗(yàn)及仿真溫度　℃

結(jié)果表明，ANSYSIcepak軟件仿真與實(shí)驗(yàn)溫升測(cè)試結(jié)果值相差不多，偏差在2℃范圍內(nèi)［11］，內(nèi)部關(guān)鍵元器件均符合其溫升規(guī)定且與最高溫度值相差較多，滿足GJB/-Z35-93溫升要求。這說(shuō)明，用軟件進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)際工況測(cè)試結(jié)果吻合，方法合理可靠，結(jié)果可信。在以后的開(kāi)發(fā)或者產(chǎn)品改進(jìn)升級(jí)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，為節(jié)省開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)成本，提升產(chǎn)品研發(fā)速度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，在某些情況下，可用模擬仿真代替繁雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文基于ANSYS Icepak分析軟件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)車載三合一輔助控制器電源模塊進(jìn)行了三維溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的仿真分析，直觀真實(shí)地展現(xiàn)了電源模塊的溫度分布情況和流場(chǎng)分布情況，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為產(chǎn)品的散熱形式及散熱結(jié)構(gòu)選擇做出有利的導(dǎo)向。本車載三合一輔助控制器已經(jīng)進(jìn)行了小批量試制，并已上線運(yùn)行，產(chǎn)品運(yùn)行溫度得到有效控制，性能優(yōu)越。

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修改稿日期：2016-04-25

Thermal Simulation and Test Analysis of Trinity Auxiliary Controller for Electric Vehicle on Board

Liu Yongjun
（Xiamen FuGongEVTech Co.，Ltd，Xiamen 361003，China）

Based on the development project of electric vehicle water cooling system，the authors take the main heating source of a new type of vehicular trinity auxiliary controller，including IGBT module and DC-DC power supply，as the research object，design the corresponding cooling system according to the actual working conditions，and carry out the thermal simulation analysis and test validation of the vehicular trinity auxiliary controller by the professional thermal analysis software Icepak.

coolingsystem；controller；thermal simulation；Icepak

U464.138

A

1006-3331（2016）04-0016-04

劉永軍（1988-），男，應(yīng)用工程師；主要從事電機(jī)及其控制器系統(tǒng)冷卻及儲(chǔ)能應(yīng)用的研究工作。