王淑旺，趙衛(wèi)健，唐志國(guó)，孫純哲，郗世洪

(1．合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009;2．安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司，安徽合肥230009)

0 引 言

隨著環(huán)境壓力的劇增和節(jié)能減排的發(fā)展需要，開發(fā)新能源汽車已是大勢(shì)所趨。在純電動(dòng)汽車車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究過程中發(fā)現(xiàn)，控制器關(guān)鍵模塊IGBT 由于內(nèi)部元器件集成度高，單位體積內(nèi)的熱耗散程度非常高，在大電流、冷卻不足等情況下發(fā)熱量高，控制器容易燒毀，嚴(yán)重影響了控制器的質(zhì)量和可靠性。在探討IGBT 故障的型式實(shí)驗(yàn)中，超過55%的失效是由于溫度過高引起的［1］。

考慮到過高的溫度會(huì)縮短設(shè)備壽命并導(dǎo)致可靠性降低，所以需要開發(fā)合理的散熱系統(tǒng)使其運(yùn)行在可靠的溫度范圍內(nèi)。在目前的工程應(yīng)用中，散熱分析大多依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，缺乏相應(yīng)的數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證。王程、周漢義等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路板銅箔厚度是影響電機(jī)控制器散熱的最主要因素，但缺少相應(yīng)的數(shù)值模擬［2］。旭良、陶文銓等對(duì)某正方形截面叉排擾流柱的水冷散熱器進(jìn)行了三維層流流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬，但沒涉及湍流模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［3］。

本文通過Fluent 軟件仿真模擬以及實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的散熱器結(jié)構(gòu)符合工程實(shí)際需求。同時(shí)建立了設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的開發(fā)散熱系統(tǒng)的體系，對(duì)設(shè)計(jì)及優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)的工作有一定的指導(dǎo)意義。

1 影響散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素

本文基于研究院正在研發(fā)的新型五代水冷電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用額定功率為25 kW 的永磁無刷直流電機(jī)和容量為90 kV·A 的控制器?？刂破鞯闹饕獰嵩礊镮GBT 模塊(型號(hào)為英飛凌FS800R07A2E3)，其實(shí)際總耗散功率約為2．3 kW。考慮到傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式已經(jīng)難以滿足其可靠工作的要求，采用了水冷卻的散熱方式。

IGBT 模塊有既定的可容許最大結(jié)溫(Tj)，散熱設(shè)計(jì)時(shí)需使其控制在這個(gè)溫度以下。參考IGBT 廠商的相關(guān)資料［4］，取可容許最大結(jié)溫為125℃。所設(shè)計(jì)的水冷散熱結(jié)構(gòu)必須保證IGBT 功率器件運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部結(jié)溫始終保持在允許范圍之內(nèi)，且盡可能降低，保證充分的余量(約20～30℃)。

2 散熱器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)IGBT 的散熱要求，對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。該散熱器由散熱板和冷卻水道兩部分組成，如圖1 所示。工作原理:冷卻液經(jīng)過水泵加壓，沿冷卻水道流過IGBT 所在的散熱器，在散熱器內(nèi)腔與IGBT 進(jìn)行熱交換，將熱量帶走，進(jìn)入換熱裝置進(jìn)行循環(huán)。IGBT 的底部采用叉排散熱柱(如圖2 所示)，一方面提高了散熱器內(nèi)部流場(chǎng)的湍動(dòng)強(qiáng)度，另一方面加大了散熱面積，提高了散熱效果。

3 數(shù)值模擬與仿真

3.1 仿真理論基礎(chǔ)

在數(shù)值模擬前，針對(duì)IGBT 的散熱問題，本文所做的簡(jiǎn)化和假設(shè)如下:

(1)流體流動(dòng)要遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律［5］。

(2)熱交換有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式。由于熱輻射比重很小，所以在本次模擬中，忽略熱輻射的影響。

(3)假設(shè)入口處水的流速均勻分布，即入口平面各點(diǎn)的速度大小及方向相同。

(4)冷卻用水視作不可壓縮常物性流體，湍流流動(dòng)。

3.2 幾何模型的建立

本文采用PRO/E 軟件進(jìn)行建模。由于實(shí)際模型較為復(fù)雜，為了減小仿真系統(tǒng)的計(jì)算量，提高計(jì)算速度，需對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，即忽略掉一些安裝螺紋孔和倒角等影響較小的細(xì)節(jié)部分等。建立冷卻水模型時(shí)用元件操作的切除命令切割出冷卻水在散熱柱附近的凹槽。因模型是軸對(duì)稱模型，可取其一半進(jìn)行分析。

3.3 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD 軟件強(qiáng)大的劃分網(wǎng)格能力對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將全局最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為0．01 m，散熱柱部分最大網(wǎng)格尺寸設(shè)為0．001 m，采用四面體網(wǎng)格劃分方式。劃分后模型網(wǎng)格總數(shù)為813 317個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為124 532 個(gè)，IGBT 模塊和水流模塊自動(dòng)耦合。內(nèi)部水流模型在散熱柱附近的網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖3 所示。檢查發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格質(zhì)量良好，無負(fù)值網(wǎng)格存在，滿足下一步計(jì)算的要求。

圖3 水流模型在散熱柱周圍網(wǎng)格細(xì)節(jié)

3.4 邊界條件的定義

(1)模型設(shè)置

流體模型設(shè)置為三維定常不可壓模型。因?yàn)樯婕暗絺鳠釂栴}，需打開能量方程。因內(nèi)部水流湍動(dòng)強(qiáng)度很大，故選擇標(biāo)準(zhǔn)k－epsilon 湍流模型。

(2)材料設(shè)置

設(shè)置IGBT 部分為solid，內(nèi)部水流為fluid，并將IGBT 材料設(shè)為鋁。冷卻水的物性參數(shù)如下:密度為998．2 kg /m3，粘性為0．001 003Pa·s。將IGBT 設(shè)為體熱源，計(jì)算并設(shè)定其熱流量密度:

(3)入口和出口設(shè)置

冷卻水先流過電機(jī)，再流過控制器。進(jìn)水量為每5s10L，進(jìn)入控制器時(shí)水溫約在55℃。入口邊界設(shè)為速度入口，水流速度設(shè)為4．43 m/s，湍動(dòng)強(qiáng)度設(shè)為10%，水力直徑設(shè)為7．14 × 10－3m，入口水流溫度設(shè)為55℃;出口水流邊界設(shè)為自由出流。其中水流速度和水力直徑計(jì)算過程如下:

(4)壁面設(shè)置

根據(jù)傳熱學(xué)［6］，空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)一般在5～20 W/(K·m2)，由于控制器內(nèi)部空氣對(duì)流較小，故將IGBT 外壁面邊界條件設(shè)為10 W/(K ·m2);流固耦合面溫度邊界條件設(shè)為耦合，該情況下Fluent 會(huì)自動(dòng)計(jì)算耦合面的傳熱問題;設(shè)置對(duì)稱面邊界條件為symmetry，以方便計(jì)算結(jié)果的后處理。

3.5 Fluent 求解

本次求解算法采用耦合算法，求解過程更容易收斂，誤差更小。將能量方程的收斂精度設(shè)置為10－6，其他項(xiàng)的收斂精度設(shè)置為0．001;設(shè)置迭代1000 步，開始計(jì)算，在35 步時(shí)自動(dòng)達(dá)到收斂。

3.6 結(jié)果分析

通過Fluent 軟件自帶的后處理器，求得溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布情況如圖4 所示。

由圖4(a)可以看出，IGBT 模塊在遠(yuǎn)離水流的部分溫度較高，最高溫度約穩(wěn)定在77．8℃。在圖4(b)中，內(nèi)部水流的出入口溫差約2℃，在IGBT 模塊附近溫度較高，局部溫度可達(dá)到65℃，可見水流能較好地帶走IGBT 模塊產(chǎn)生的熱量。由圖4(c)可知，壓力損失隨著流體的流動(dòng)逐漸增大，在散熱柱周圍壓力變化較大，應(yīng)是散熱柱擾流作用的結(jié)果。圖4(d)則表明進(jìn)出口處流動(dòng)發(fā)生改變的地方流體速度比較大，而在中部分布較為均勻。

圖4 熱仿真結(jié)果

綜上可知，IGBT 的溫度遠(yuǎn)低于其可容許最大結(jié)溫125℃，能夠保證充分余量，此散熱結(jié)構(gòu)能較好地滿足一定的需求。

4 實(shí)驗(yàn)研究

仿真驗(yàn)證表明，散熱器的結(jié)構(gòu)符合散熱要求，下面將通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證實(shí)際效果如何。對(duì)實(shí)際控制器樣機(jī)進(jìn)行溫升測(cè)試，利用埋藏在IGBT 熱源附近的三個(gè)熱敏電阻測(cè)量溫度值。在3 h 時(shí)溫度基本保持不變，可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。先后進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，將這三個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和熱仿真數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)值與仿真值的比較

比較發(fā)現(xiàn)，仿真值與的溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不多，偏差在5% 左右?？梢哉f明，通過Fluent 軟件進(jìn)行熱仿真數(shù)值模擬與實(shí)際工況吻合度較高，在一些情況下可替代實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制器散熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，大大節(jié)省了工程的成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Fluent 流體分析軟件對(duì)純電動(dòng)汽車某新型電機(jī)控制器IGBT 模塊進(jìn)行了三維溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的仿真，直觀地表示出控制器IGBT 模塊冷卻系統(tǒng)的溫度分布情況和流場(chǎng)分布情況，方便對(duì)控制器散熱分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制器的散熱結(jié)構(gòu)散熱效果良好，滿足該控制器穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

［1］ Janicki M，Napieralski A．Modelling electronic circuit radiation cooling using analytical thermal model［J］．Microelectronics Journal，2000(31):781－785．

［2］ 王程，周漢義，王海華．大功率串勵(lì)直流電機(jī)控制器功率板散熱設(shè)計(jì)分析［J］．微特電機(jī)，2008，36(12):11－12．

［3］ 謝旭良，陶文鈴，何雅玲．水冷散熱器傳熱與阻力特性的數(shù)值模擬［C］/ /中國(guó)工程物理學(xué)會(huì)第ll 屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．2005:1175－1178．

［4］ Infineon Technologies．Calculation of Major IGBT Operating Parameters［R/OL］．Infineon Application Notes，1999［2012－11 －22］．http:/ /www．infineon．com

［5］ 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

［6］ 夏雅軍．傳熱學(xué)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2000．