張 琦，陳 彬，賈金信，郭長(zhǎng)光

(1.廣東省高速節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070)

0 引 言

為了緩解能源危機(jī)和減輕大城市傳統(tǒng)汽車(chē)排放所造成的環(huán)境污染，電動(dòng)車(chē)是未來(lái)交通發(fā)展的趨勢(shì)[1]。電動(dòng)車(chē)關(guān)鍵技術(shù)之一是汽車(chē)整車(chē)控制器技術(shù)[2]。

電動(dòng)汽車(chē)控制器中的IGBT模塊是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其安全性能直接影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。汽車(chē)行駛的路況復(fù)雜多變，電機(jī)需頻繁起停、加速，在這個(gè)過(guò)程中IGBT模塊會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若熱量無(wú)法及時(shí)傳遞出去，則會(huì)造成控制器溫度迅速升高，有研究認(rèn)為，器件工作溫度每升高10 ℃，失效率增加1倍[3]。

目前常用的電機(jī)控制器冷卻方式分為風(fēng)冷及水冷兩種，其中風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但散熱能力遠(yuǎn)低于水冷，同等功率等級(jí)下的風(fēng)冷散熱器體積和質(zhì)量較大[4]。

文獻(xiàn)[5-10]以水為介質(zhì)對(duì)直管、彎管和變截面管的流動(dòng)阻力特性進(jìn)行相關(guān)研究，得到影響沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)的變化規(guī)律。

本文針對(duì)某型號(hào)汽車(chē)控制器，詳細(xì)探究了影響控制器水道散熱能力、流阻的因素，在綜合考慮散熱、流阻的前提下，完成了對(duì)控制器散熱水道的優(yōu)化。

1 模型及仿真

圖1為某汽車(chē)控制器等效仿真模型。原IGBT發(fā)熱模塊等效為一定厚度的薄片，并對(duì)原模型的螺絲、螺孔等CFD仿真影響較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化、刪除。

圖1 控制器簡(jiǎn)化模型

1.1 網(wǎng)格剖分及求解計(jì)算

本次仿真優(yōu)化基于實(shí)測(cè)額定工況，入口流量15 L/min，冷卻液溫度為20 ℃。

選用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格剖分圖

模型選用k-epsilon雙方程模型，入口選用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口選用壓力出口。

1.2 結(jié)果分析

本次仿真結(jié)果最高溫度326.6 K，流阻為1 276.6 Pa，溫升和流線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 溫升與流線(xiàn)圖

冷卻液屬于黏性流體，其在冷卻水道流動(dòng)時(shí)損失的能量分為沿程能量損失及局部能量損失兩種。其中，沿程能量損失發(fā)生在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程，主要導(dǎo)致因素是黏滯力，可用沿程壓強(qiáng)損失ΔPl表示，計(jì)算公式：

(1)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，其值與雷諾數(shù)、相對(duì)粗糙度有關(guān)；l為流經(jīng)長(zhǎng)度；d為當(dāng)量直徑；v為流速；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

局部能量損失發(fā)生在流動(dòng)過(guò)程中局部范圍內(nèi)，主要導(dǎo)致因素是局部結(jié)構(gòu)的形狀，可用局部壓強(qiáng)損失ΔPζ表示，計(jì)算公式：

(2)

式中:ζ為局部阻力系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定；v為經(jīng)過(guò)此局部結(jié)構(gòu)時(shí)的流速。

流線(xiàn)圖如圖3所示，當(dāng)流體流經(jīng)局部突變處時(shí)，由于流體微團(tuán)間相互碰撞、流體中產(chǎn)生漩渦等因素，流體的動(dòng)能不可逆地轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能量?？赏ㄟ^(guò)改變局部結(jié)構(gòu)的形狀減少局部損失系數(shù)ζ，從而減少局部能量損失。

整個(gè)冷卻水道的能量損失為各段能量損失的疊加，表現(xiàn)形式為總壓強(qiáng)損失(流阻)：

ΔPf=∑ΔPl+∑ΔPζ

(3)

2 改進(jìn)與優(yōu)化

2.1 減少局部能量損失的優(yōu)化

對(duì)原有的方形散熱翅板進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將原翅板相互垂直的邊角優(yōu)化為圓角，如圖4所示。

圖4 新舊翅板對(duì)比

2.2 結(jié)果分析

本次仿真結(jié)果最高溫度327.3 K，同比升高0.2%；流阻為1 138.7 Pa，同比減小10.8%。

由圖5可知，原方案中由于翅板直角而導(dǎo)致冷卻液產(chǎn)生的旋渦大量減少，流阻得以降低。

圖5 改進(jìn)后溫升與流線(xiàn)

本次優(yōu)化中，將原先方形翅板的夾角刪掉，導(dǎo)致冷卻液與殼體有效接觸面積有所減小。殼體散熱公式：

Pi=hAΔT

(4)

式中：Pi為散熱量；h為傳熱系數(shù)；A為冷卻液與殼體有效接觸面積；ΔT為冷卻液與殼體的溫度差。

由式(4)可知，有效接觸面積減小，殼體的散熱能力下降。

2.3 增強(qiáng)散熱的優(yōu)化

保持優(yōu)化過(guò)的翅板結(jié)構(gòu)尺寸不變，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)減小翅板間的距離，由原來(lái)的8道翅板增加至9道翅板，如圖6所示。

圖6 增加翅板后的散熱水道

本次仿真結(jié)果最高溫度325.6 K，同比降低0.3%；流阻為1 187.7 Pa，同比減小7%。

圖7 增加翅板后的溫升與流線(xiàn)

3 對(duì)比分析

3.1 流阻變化分析

第一次，將原翅板的90°夾角更改為圓角，減少冷卻液流經(jīng)時(shí)由于流動(dòng)分離形成剪切層造成的能量耗散。

第二次，在保持圓角的基礎(chǔ)上，增加翅板的數(shù)目，與原方案相較，流阻降低，與第一次優(yōu)化相較，流阻增加，這是由于流經(jīng)長(zhǎng)度增加、局部損失部位增多導(dǎo)致的。

圖8 三次方案流阻比較

3.2 溫升變化分析

第一次優(yōu)化(減少局部能量損失的優(yōu)化)改進(jìn)時(shí)，僅從減少局部能量損失方面角度進(jìn)行優(yōu)化，有效散熱面積降低0.5%，控制器最高溫度溫度升高0.7 K；

第二次優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，綜合考慮散熱與流阻，通過(guò)增加倒圓角后散熱翅板數(shù)目的方式，增大有效散熱面積4.4%，控制器最高溫度降低了1 K。

圖9 三次方案溫升比較

3.3 優(yōu)化前后實(shí)測(cè)對(duì)比

根據(jù)上述優(yōu)化仿真方案，制作了二次優(yōu)化方案后的電機(jī)控制器樣機(jī)，如圖10所示。圖11為原方案溫升測(cè)試結(jié)果與樣機(jī)對(duì)比?？梢钥闯?，仿真值與實(shí)測(cè)值大致相同，溫升確有下降。

圖10 實(shí)測(cè)改進(jìn)后樣機(jī)

圖11 改進(jìn)前后仿真、實(shí)測(cè)溫升曲線(xiàn)

3.4 最終方案

綜合以上兩點(diǎn)考量，優(yōu)化后方案確定為9翅板、圓角，在多流量輸入的對(duì)比中，溫升最低、流阻居中。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)控制器仿真優(yōu)化與理論分析相結(jié)合的方式，探究了影響控制器水道散熱能力的因素；在綜合考慮散熱、流阻的前提下，完成了對(duì)控制器散熱水道的優(yōu)化，流阻同比降低7%，溫升同比降低0.3%。本次優(yōu)化后的控制器與前代相比，散熱加強(qiáng)，性能提高，為后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)提供了案例及優(yōu)化思路。