汽车控制器散热水道的优化改进

张 琦，陈 彬，贾金信，郭长光

(1.广东省高速节能电机系统企业重点实验室，珠海 519070；2.珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070)

0 引 言

为了缓解能源危机和减轻大城市传统汽车排放所造成的环境污染，电动车是未来交通发展的趋势[1]。电动车关键技术之一是汽车整车控制器技术[2]。

电动汽车控制器中的IGBT模块是驱动系统中的关键部件，其安全性能直接影响电机驱动系统的可靠性。汽车行驶的路况复杂多变，电机需频繁起停、加速，在这个过程中IGBT模块会产生大量的热量，若热量无法及时传递出去，则会造成控制器温度迅速升高，有研究认为，器件工作温度每升高10 ℃，失效率增加1倍[3]。

目前常用的电机控制器冷却方式分为风冷及水冷两种，其中风冷散热结构简单、可靠性高，但散热能力远低于水冷，同等功率等级下的风冷散热器体积和质量较大[4]。

文献[5-10]以水为介质对直管、弯管和变截面管的流动阻力特性进行相关研究，得到影响沿程阻力系数和局部阻力系数的变化规律。

本文针对某型号汽车控制器，详细探究了影响控制器水道散热能力、流阻的因素，在综合考虑散热、流阻的前提下，完成了对控制器散热水道的优化。

1 模型及仿真

图1为某汽车控制器等效仿真模型。原IGBT发热模块等效为一定厚度的薄片，并对原模型的螺丝、螺孔等CFD仿真影响较小的结构进行简化、删除。

图1 控制器简化模型

1.1 网格剖分及求解计算

本次仿真优化基于实测额定工况，入口流量15 L/min，冷却液温度为20 ℃。

选用Fluent Meshing进行网格划分，完成划分后的网格如图2所示。

图2 网格剖分图

模型选用k-epsilon双方程模型，入口选用质量流量进口，出口选用压力出口。

1.2 结果分析

本次仿真结果最高温度326.6 K，流阻为1 276.6 Pa，温升和流线图如图3所示。

图3 温升与流线图

冷却液属于黏性流体，其在冷却水道流动时损失的能量分为沿程能量损失及局部能量损失两种。其中，沿程能量损失发生在整个流动过程，主要导致因素是黏滞力，可用沿程压强损失ΔPl表示，计算公式：

(1)

式中：λ为沿程阻力系数，其值与雷诺数、相对粗糙度有关；l为流经长度；d为当量直径；v为流速；g为当地重力加速度。

局部能量损失发生在流动过程中局部范围内，主要导致因素是局部结构的形状，可用局部压强损失ΔPζ表示，计算公式：

(2)

式中:ζ为局部阻力系数，通过实验确定；v为经过此局部结构时的流速。

流线图如图3所示，当流体流经局部突变处时，由于流体微团间相互碰撞、流体中产生漩涡等因素，流体的动能不可逆地转化成脉动能量。可通过改变局部结构的形状减少局部损失系数ζ，从而减少局部能量损失。

整个冷却水道的能量损失为各段能量损失的叠加，表现形式为总压强损失(流阻)：

ΔPf=∑ΔPl+∑ΔPζ

(3)

2 改进与优化

2.1 减少局部能量损失的优化

对原有的方形散热翅板进行适当调整，将原翅板相互垂直的边角优化为圆角，如图4所示。

图4 新旧翅板对比

2.2 结果分析

本次仿真结果最高温度327.3 K，同比升高0.2%；流阻为1 138.7 Pa，同比减小10.8%。

由图5可知，原方案中由于翅板直角而导致冷却液产生的旋涡大量减少，流阻得以降低。

图5 改进后温升与流线

本次优化中，将原先方形翅板的夹角删掉，导致冷却液与壳体有效接触面积有所减小。壳体散热公式：

Pi=hAΔT

(4)

式中：Pi为散热量；h为传热系数；A为冷却液与壳体有效接触面积；ΔT为冷却液与壳体的温度差。

由式(4)可知，有效接触面积减小，壳体的散热能力下降。

2.3 增强散热的优化

保持优化过的翅板结构尺寸不变，在此基础上适当减小翅板间的距离，由原来的8道翅板增加至9道翅板，如图6所示。

图6 增加翅板后的散热水道

本次仿真结果最高温度325.6 K，同比降低0.3%；流阻为1 187.7 Pa，同比减小7%。

图7 增加翅板后的温升与流线

3 对比分析

3.1 流阻变化分析

第一次，将原翅板的90°夹角更改为圆角，减少冷却液流经时由于流动分离形成剪切层造成的能量耗散。

第二次，在保持圆角的基础上，增加翅板的数目，与原方案相较，流阻降低，与第一次优化相较，流阻增加，这是由于流经长度增加、局部损失部位增多导致的。

图8 三次方案流阻比较

3.2 温升变化分析

第一次优化(减少局部能量损失的优化)改进时，仅从减少局部能量损失方面角度进行优化，有效散热面积降低0.5%，控制器最高温度温度升高0.7 K；

第二次优化改进时，综合考虑散热与流阻，通过增加倒圆角后散热翅板数目的方式，增大有效散热面积4.4%，控制器最高温度降低了1 K。

图9 三次方案温升比较

3.3 优化前后实测对比

根据上述优化仿真方案，制作了二次优化方案后的电机控制器样机，如图10所示。图11为原方案温升测试结果与样机对比。可以看出，仿真值与实测值大致相同，温升确有下降。

图10 实测改进后样机

图11 改进前后仿真、实测温升曲线

3.4 最终方案

综合以上两点考量，优化后方案确定为9翅板、圆角，在多流量输入的对比中，温升最低、流阻居中。

4 结 语

本文通过对纯电动汽车控制器仿真优化与理论分析相结合的方式，探究了影响控制器水道散热能力的因素；在综合考虑散热、流阻的前提下，完成了对控制器散热水道的优化，流阻同比降低7%，温升同比降低0.3%。本次优化后的控制器与前代相比，散热加强，性能提高，为后续产品升级提供了案例及优化思路。