賴晨光，呂 寶，陳 祎，胡 博

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

隨著再生能源的日益枯竭和排放規(guī)定的限制，開(kāi)發(fā)新能源汽車已是大勢(shì)所趨。電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器中的IGBT模塊作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件其散熱性能直接影響電機(jī)的輸出性能及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，電機(jī)的頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉會(huì)使IGBT功率模塊產(chǎn)生大量的熱，若不能及時(shí)把熱量傳遞出去將會(huì)造成IGBT被擊穿，控制器被燒毀，嚴(yán)重影響了控制器的質(zhì)量和可靠性[1]。目前，常用電機(jī)控制器的冷卻方式為水冷和自然風(fēng)冷。風(fēng)冷散熱效果遠(yuǎn)低于水冷，對(duì)于高功率控制器來(lái)說(shuō)更是如此?？刂破鞯纳嵩饕酗L(fēng)冷散熱器[2]、冷板散熱器[3]、熱管散熱器[4-5]等，目前大多數(shù)學(xué)者只針對(duì)控制器中的IGBT模塊進(jìn)行仿真分析，對(duì)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)較少，因此本文針對(duì)控制器水道內(nèi)的不同高度、不同形狀的擾流塊對(duì)水流均勻性、壓降及IGBT溫度產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，得到了擾流塊不同高度及形狀之間的規(guī)律，為前期開(kāi)發(fā)和優(yōu)化提供參考。

1 控制器功率模塊傳熱分析

電機(jī)控制器的主要發(fā)熱部件為IGBT模塊，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。在IGBT下方除了導(dǎo)熱硅膠和鋁基板外設(shè)置了1個(gè)1 mm深的冷卻水槽，其下方為電容模塊。冷卻水槽直接和鋁基板進(jìn)行對(duì)流傳熱，而IGBT的熱量是通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給導(dǎo)熱硅膠再經(jīng)鋁基板被冷卻介質(zhì)帶走。冷卻水槽內(nèi)加裝有擾流塊，其目的為：一是破壞固體表面的邊界層，增加冷卻液的湍動(dòng)能以帶走更多的熱量；二是使水流更加均勻地分布以增加散熱均勻性。根據(jù)傳熱學(xué)第二定律，在有溫度差異時(shí)，熱能會(huì)從溫度高的地方自發(fā)地傳遞到溫度低的地方[6]。傳熱方式分為3種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，其導(dǎo)熱規(guī)律由傅里葉定律給出[7]。熱傳導(dǎo)表達(dá)式為

Q=-λΑdt/dx

(1)

式中： Q為熱傳導(dǎo)熱流量; λ為材料導(dǎo)熱系數(shù); A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面積;dt/dx為溫度t在x方向的變化率。冷卻水道和鋁基板之間的換熱為對(duì)流換熱，對(duì)流換熱可用牛頓冷卻公式表達(dá)：

Q=-αAΔt

(2)

式中：Q為對(duì)流換熱量;α為對(duì)流換熱系數(shù);A為有效對(duì)流換熱面積; Δt為固體表面與冷卻液之間的溫差。

圖1 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

2.1 幾何模型建立

通過(guò)三維軟件CATIA建立了本文所研究的模型，如圖2所示。該控制器由水道、鋁基板、絕緣層、IGBT、鋁柱(正負(fù)極和三相線板)、外殼、底板等組成，絕緣層的厚度為0.4 mm。為防止水流直接沖擊內(nèi)流道造成能量損失，在入口處進(jìn)行拔模減緩水流的沖擊。水道內(nèi)的擾流塊由正方形、菱形、圓臺(tái)、平鋪4種方式組成，并按照4、5、4、5方式進(jìn)行排列，如圖3所示。

圖2 幾何模型

圖3 擾流塊排列方式

2.2 網(wǎng)格劃分

由于該控制器模型尺寸較小，故在進(jìn)行面網(wǎng)格操作時(shí)采用“三角形+四邊形” 網(wǎng)格策略，使其更貼合以避免失真。控制器外殼網(wǎng)格尺寸設(shè)為8 mm，內(nèi)部部件IGBT、鋁基板及鋁柱網(wǎng)格尺寸設(shè)為2 mm，絕緣層和擾流塊網(wǎng)格尺寸為0.2 mm。體網(wǎng)格采用切割體網(wǎng)格策略，最終生成68.5萬(wàn)個(gè)面網(wǎng)格、48萬(wàn)個(gè)體網(wǎng)格。

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算過(guò)程中為消除網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的誤差，需進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[8]。本文采用相同質(zhì)量的4種不同網(wǎng)格尺寸對(duì)控制器進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，IGBT的溫度差值最大為0.127 ℃，誤差為0.15%，管道總壓降最大差值為961 Pa，誤差為2.51%。水道內(nèi)各個(gè)支口的質(zhì)量流量也是檢驗(yàn)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的重要參數(shù)。如圖4～6所示，通過(guò)不同網(wǎng)格尺寸計(jì)算出的支口速度幅值變化較小，且3個(gè)支道進(jìn)口面積相同，最大誤差為2.8%，三者最大誤差都小于仿真允許誤差5%，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求?？紤]仿真精度和計(jì)算時(shí)間成本，選取網(wǎng)格數(shù)為48萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖4 水道A支口速度分布

圖5 水道B支口速度分布

圖6 水道C支口速度分布

3 數(shù)值計(jì)算及分析

3.1 邊界條件及求解器設(shè)置

本研究選取穩(wěn)態(tài)計(jì)算的數(shù)值模擬方法。IGBT單個(gè)熱功率為53.5 W，共36個(gè)，冷卻液采用50%乙二醇，絕緣層采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的絕緣橡膠，其余部件采用壓鑄鋁，各部件材料屬性見(jiàn)表2。初始溫度為50 ℃，入口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，大小為0.176 kg/s；出口設(shè)置為壓力出口，相對(duì)壓力設(shè)置為0 Pa；流場(chǎng)的湍流模型選用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型，流場(chǎng)求解器基于couple算法，開(kāi)啟能量方程和重力場(chǎng)。

表2 材料屬性

3.2 仿真結(jié)果分析

本次仿真模型選取高度為0.7 mm的正方形擾流塊，通過(guò)Star-ccm+軟件自帶的后處理器，求得溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布情況。圖7為整個(gè)控制器的溫度場(chǎng)云圖，從標(biāo)尺可以看出最高溫度為79.826 ℃，最大溫升為29.826 ℃，溫度分布梯度較為明顯地沿y軸方向依次增大，出入口溫度溫差為2.8 ℃，最高溫度出現(xiàn)在主要熱源IGBT上。如圖8所示，沿y軸第3排的IGBT平均溫度高達(dá)78 ℃，主要由于其排列較為緊密導(dǎo)致溫升變大，沿x負(fù)半軸方向溫度依次升高是由于水道截面變小使得第3列IGBT的溫度較高。絕緣層靠近出口處溫度為52.357 ℃，接近初始溫度，其最大溫升為25 ℃，貼合IGBT處溫度最高的情況，如圖9所示。圖10為速度矢量圖，最大速度為3.47 m/s，出現(xiàn)在入口處。由于擾流塊的作用使得流道內(nèi)的水流產(chǎn)生局部加速，能帶走更多的熱量，并且3個(gè)支道的水流分布較為均勻，避免了功率器件局部過(guò)熱的發(fā)生。流道壓力呈順壓梯度分布，隨著動(dòng)能的變化壓力損失逐漸變大，在支道出入口冷卻液速度的變化是由于橫截面的改變導(dǎo)致其壓力波動(dòng)較大，出入口處總壓降為 30 759.7 Pa，如圖11所示。從水道流線圖12可看出：水流無(wú)斷流產(chǎn)生，冷卻液都能夠順利通過(guò)水道，冷卻液在出口處呈螺旋狀流出。這主要是由于勢(shì)能的增加和液體沖擊水道壁面造成流體改變方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，便于冷卻液流出水道。

圖7 控制器溫度云圖

圖8 IGBT溫度云圖

圖9 絕緣層溫度云圖

圖10 水道速度云圖

圖11 水道壓力云圖

圖12 水道流線云圖

從以上分析結(jié)果可知：IGBT的溫度遠(yuǎn)低于其可容許的最大溫限125 ℃，避免了熱害的發(fā)生并保證充分熱余量，水道的均勻性也較為理想，故此散熱結(jié)構(gòu)能較好地滿足需求。

3.3 擾流塊不同高度參數(shù)下控制器整體數(shù)值模擬結(jié)果

本文選用的擾流塊最低高度是在滿足現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上制定的，水槽總高度為1 mm，擾流塊最小高度為0.6 mm，在模型、擾流塊、流量相同情況下，對(duì)不同高度的擾流塊分別進(jìn)行模擬仿真。擾流塊模型高度如圖13所示，仿真結(jié)果如表3所示。

圖13 擾流塊模型高度(mm)

表3 不同高度擾流塊仿真結(jié)果

由表3數(shù)值模擬結(jié)果可知:隨著擾流塊高度增大，熱源IGBT的最大溫差為0.465 ℃，最大誤差為0.58%。擾流塊高度的增加使得可供冷卻液流過(guò)的橫截面積減小，但在相同流量下增強(qiáng)了冷卻液流動(dòng)的速度，提高了散熱效率。隨著擾流塊高度的增加，控制器水道內(nèi)的壓降也急劇變大，最大壓差為19 649.7 Pa，從滿足散熱性能和成本兩方面考慮，擾流塊的高度應(yīng)選取0.7 mm最為合適。

3.4 不同擾流塊參數(shù)下控制器整體仿真結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果，選取0.7 mm作為擾流塊的高度，建立了如圖14所示的體積相同的擾流塊模型，保證了冷卻液所流過(guò)的橫截面相同。將3種擾流塊與無(wú)擾流塊水道進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如表4所示。

圖14 不同擾流塊模型

由表4可以分析得到:擾流塊的形狀對(duì)熱源溫度影響較小，最大溫差為0.23 ℃，相對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)溫差可忽略不計(jì)，但在未安裝擾流塊的水道中IGBT的溫度最高達(dá)到82.975 ℃，最大溫度誤差為3.79%，說(shuō)明水道中安裝擾流塊有利于控制器的散熱。對(duì)比3種擾流塊可以發(fā)現(xiàn)：菱形的壓降最小，圓臺(tái)次之，正方形擾流塊的壓降最大。這是由于菱形比圓臺(tái)和正方形的迎水面都小，對(duì)水流的阻礙較小，使得壓力損失變小。對(duì)比速度數(shù)據(jù)得出正方形擾流塊的速度最大，其原因是迎水面的變大引起流體經(jīng)過(guò)表面時(shí)發(fā)生分離得以加速。從速度跡線圖15可看出：加裝擾流塊和未加裝擾流塊的水道水流流動(dòng)趨勢(shì)相同，但圓臺(tái)擾流塊在第3支道口處出現(xiàn)了斷流，會(huì)影響散熱效果，而未安裝擾流塊的水道水流速度較小且水道兩側(cè)的水流與中間相比流速更小，這樣會(huì)引起IGBT局部溫度過(guò)高。從圖16對(duì)比3種擾流塊對(duì)水流均勻性的影響發(fā)現(xiàn)：菱形擾流塊的均勻性相對(duì)較差，正方形擾流塊次之，圓臺(tái)最好，但是圓臺(tái)的斷流會(huì)影響散熱效果?？傮w分析來(lái)看：菱形擾流塊在滿足散熱性能和工藝要求下能達(dá)到工程要求。

表4 不同擾流塊數(shù)值模擬結(jié)果

圖15 不同擾流塊速度跡線

圖16 不同擾流塊平均流速

4 結(jié)論

1) 在保證網(wǎng)格質(zhì)量相同的情況下，采用不同網(wǎng)格尺寸仿真結(jié)果變化較小，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性小于5%的要求。

2) 在滿足工藝要求的情況下，不同高度的擾流塊對(duì)IGBT溫度影響較小，但對(duì)速度和壓降影響較為明顯。

3) 擾流塊加裝與否對(duì)IGBT溫度影響較大，但不同形狀的擾流塊對(duì)IGBT溫度無(wú)明顯影響。