陳 亮，張 超，宋 蔚，鞠鵬飛

(1. 天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2. 天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384；3. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300)

1 引言

新能源純電動(dòng)汽車具有無尾氣排放，智能化，能效高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)作為我國汽車行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)[1，2]。對于電機(jī)控制器的散熱器的輕量化和散熱性能設(shè)計(jì)，一直作為新能源汽車重要的設(shè)計(jì)核心。有資料說明，對電子產(chǎn)品溫升每降低1℃，其可靠性的失效率將降低4%[3]，因此電機(jī)控制器的散熱性能的研究設(shè)計(jì)對新能源汽車的整體可靠性起到關(guān)鍵性作用。

Hamdi[4]研究了在散熱器肋片之間增加多個(gè)小棱形齒，有效的改善了散熱，降低了材料成本。Chyi-Tsong等[5]通過遺傳算法對平板肋片散熱器進(jìn)行了尋優(yōu)設(shè)計(jì)研究。劉蕾等[6]應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)響應(yīng)面法進(jìn)行梯形肋片參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到了設(shè)定條件下最優(yōu)散熱結(jié)果，并分析了不同參數(shù)的對散熱性能影響。曹茹[7]采取ANSYS Workbench的變分優(yōu)化技術(shù)，對梯形直肋散熱器進(jìn)行了肋片參數(shù)尋優(yōu)。劉超等[8]通過搭建SiC MOSFET管散熱系統(tǒng)的熱阻模型，應(yīng)用Matlab軟件優(yōu)化散熱器的參數(shù)，得出理論最優(yōu)值。申傳有等[9]對MOS管電機(jī)控制器的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了功耗計(jì)算、參數(shù)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Hamdi等[10]通過研究幾種溝槽及在不同尺寸參數(shù)對散熱器的層流和強(qiáng)迫對流散熱的影響，提高了努塞爾數(shù)，優(yōu)化了散熱器結(jié)構(gòu)。江超等[11]通過理論計(jì)算和仿真，驗(yàn)證了一款新型帶多齒的散熱器散熱性能。吳新淼等[12]運(yùn)用ANSYS CFX仿真軟件研究了不同翅片參數(shù)變量對散熱性能的影響，并分析出較合理的翅片散熱結(jié)構(gòu)。

2 原有光滑肋片散熱器設(shè)計(jì)

2.1 原有肋片散熱器結(jié)構(gòu)尺寸

原有成型的電機(jī)控制器樣機(jī)中的肋片散熱器結(jié)構(gòu)形式是采用的是光滑肋片排列，如圖1。

圖1 原有光滑肋片散熱器

散熱器原型的結(jié)構(gòu)示意圖及幾何尺寸，如圖2所示。其中散熱器材質(zhì)為鋁合金6063，空氣入口方向?yàn)轱L(fēng)速u的方向，光滑肋片肋片散熱器尺寸為：流向長度L=220mm，寬度W=180mm，基板厚度Hb=3.5mm，肋片的高度Hf=18.5mm，肋根厚度P1=1.5mm，肋頂厚度P2=0.9mm。

圖2 光滑肋片結(jié)構(gòu)圖

2.2 MOS管功率損耗計(jì)算

本電機(jī)控制器系統(tǒng)應(yīng)用的MOS管芯片在正常工作狀態(tài)下，發(fā)熱損耗主要來源于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其它因素產(chǎn)生的損耗可以忽略不計(jì)[13，14]，在額定工況下進(jìn)行損耗計(jì)算，MOS管芯片熱源的熱流密度為22286W/m2，每個(gè)MOS管芯片的熱功耗為10.52W。

3 多齒肋片散熱器設(shè)計(jì)

3.1 多齒肋片結(jié)構(gòu)尺寸

本文采用多齒肋片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在光滑的肋片表面上增加小齒，從肋片頂端開始呈交叉分布，小齒的厚度c=1mm，小齒中心到肋片頂端的距離d=1mm，以4個(gè)參數(shù)(肋片單側(cè)的小齒的數(shù)量Np，小齒的間距a，小齒的高度b和肋片數(shù)量Ni)作為設(shè)計(jì)變量，對肋片散熱器進(jìn)行多種參數(shù)組合設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 多齒肋片結(jié)構(gòu)圖

3.2 多齒肋片網(wǎng)格劃分

采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，ICEM是目前流行的CFD/CAE中具有高質(zhì)可靠性分析的專業(yè)的前處理器。本文中采用四面體劃分網(wǎng)格，ICEM中設(shè)置空氣域?yàn)?40mm×60mm×500mm。邊界層網(wǎng)格總高度為0.5mm，壁面法向高度比為1.2，設(shè)置邊界層為6層。

3.3 多齒肋片結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)置

由于MOS管芯片被環(huán)氧樹脂外殼包覆，樣機(jī)的控制器箱體安裝在散熱器板上，MOS管芯片和PCB鋁基板密閉在箱體內(nèi)，以及考慮排除箱體內(nèi)部電容，銅排等器件會(huì)發(fā)少量熱量等復(fù)雜因素的影響。因此為了簡化仿真模型和苛刻的要求散熱器性能，各接觸面的設(shè)置如圖4。其中各接觸傳導(dǎo)面的面積熱阻均為0.001m2K/W。

圖4 不同域的接觸面剖視圖

仿真分析類型為穩(wěn)態(tài)模擬，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議的要求，本電機(jī)控制器的工作環(huán)境溫度范圍為-40℃～+55℃，因此選取最高的55℃為仿真分析的環(huán)境溫度，參考大氣壓為1atm。肋片散熱系統(tǒng)的雷諾數(shù)計(jì)算如下

目前國內(nèi)外對于難治性哮喘還沒有統(tǒng)一的定義。2010年中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)分會(huì)哮喘學(xué)組將其定義為采用包括吸入性激素和長效β2受體激動(dòng)劑(LABA)兩種或更多種的控制藥物規(guī)范治療至少6個(gè)月仍不能達(dá)到良好控制的哮喘[1]；2014年ERS/ATS工作組將其定義為在過去1年內(nèi)超過50%的時(shí)間應(yīng)用全球哮喘防治創(chuàng)議(GINA)4～5級治療方案或全身激素以控制病情發(fā)展，或在上述治療下仍表現(xiàn)為未控制的哮喘[2]。在此背景下，多種治療難治性哮喘的新藥物和方法應(yīng)運(yùn)而生，其中BT作為首選非藥物方法被引入。

(1)

式(1)中，ρ代表空氣密度ρ=1.076kg/m3，u代表空氣域入口空氣的風(fēng)速u=2m/s，空氣域的出口設(shè)置為靜壓0Pa，Dh代表散熱系統(tǒng)的水力半徑為Dh=0.064m，μ代表空氣的動(dòng)力粘性系數(shù)μ=1.985×10-5Pa·s，計(jì)算得出雷諾數(shù)Re=6938。由經(jīng)典流體力學(xué)理論可知，當(dāng)Re>2300，空氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流，考慮到肋片表面平滑，無旋轉(zhuǎn)和曲面流體，設(shè)置湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的工程通用兩方程k-ε湍流模型[15]。忽略空氣的可壓縮項(xiàng)，熱量傳輸模型選擇熱能方程，壁面均設(shè)置為無滑移壁面。差分格式為高精格式，收斂殘差類型為平均殘差，當(dāng)各變量的平均殘差小于1.0×10-5時(shí)，即認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。

3.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

表1給出采用不同網(wǎng)格的全局網(wǎng)格尺度和網(wǎng)格數(shù)量時(shí)散熱器原型中MOS管芯片溫升的變化。由表可知，隨著全局網(wǎng)格尺度變小和網(wǎng)格數(shù)的增加，MOS管芯片溫升由網(wǎng)格1時(shí)的38.14K降低至網(wǎng)格5時(shí)的37.32K。相對而言，進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)，溫升變化較小，因此可認(rèn)為網(wǎng)格4條件下已滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求。

表1 不同網(wǎng)格參數(shù)時(shí)MOS管芯片溫升

4 方案仿真分析對比

在原有的光滑肋片兩側(cè)表面上增加小齒，小齒分布為交叉狀態(tài)，如圖3，通過改變肋片的小齒的數(shù)量Np，小齒的間距a，小齒的高度b和肋片數(shù)量Ni，將各變量進(jìn)行多組參數(shù)組合進(jìn)行散熱器肋片設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)各變量數(shù)值如表2所示，并分別為No.1-No.8進(jìn)行命名。

改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的是在保持或降低原有樣機(jī)的芯片溫升性能的前提下，盡可能地實(shí)現(xiàn)肋片散熱器輕量化。為了評價(jià)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案與原設(shè)計(jì)方案的區(qū)別，本文采用MOS管芯片溫升減小百分比Tsub描述散熱特性，以肋片質(zhì)量減少百分比msub來描述肋片散熱器輕量化特性，其計(jì)算公式分別如下：

(2)

(3)

其中，T表示MOS管溫升，m為肋片質(zhì)量，下標(biāo)new為改進(jìn)設(shè)計(jì)，下標(biāo)original為原設(shè)計(jì)。當(dāng)Tsub為正值時(shí)，表示改進(jìn)設(shè)計(jì)的MOS管芯片溫升小于原設(shè)計(jì)值，散熱性能增加；當(dāng)msub為正值時(shí)，表示改進(jìn)設(shè)計(jì)的肋片質(zhì)量減小，輕量化特征增加。

將所有改進(jìn)設(shè)計(jì)方案(No.1-No.8)進(jìn)行CFX仿真分析，計(jì)算得到的肋片性能Tsub和msub如表2所示。

表2 不同方案的參數(shù)仿真分析對比表

No.1方案的肋片散熱器在肋片單側(cè)增加5個(gè)小齒，空氣與肋片之間的對流散熱面積大幅增加，MOS管芯片的溫升下降13.1%，但同時(shí)肋片質(zhì)量增加了31.63%，導(dǎo)致無法達(dá)到散熱器的輕量化要求。相對于No.1方案，No.2方案中保證小齒數(shù)量不變，將小齒肋片的高度減小，使得肋片質(zhì)量增大值由No.1方案的31.63%減小至20.53%，但由于對流換熱面積稍微減小，MOS管芯片的溫升下降值稍有增大。No.3方案在保留No.2方案中小齒設(shè)計(jì)參數(shù)不變的條件下，將肋片散熱器的肋片數(shù)量減少至22個(gè)，從而使得肋片的質(zhì)量進(jìn)一步減小，但由于對流換熱面積的減小導(dǎo)致MOS芯片的溫升增加?？偟膩砜?，No.1-No.3方案盡管散熱器的傳熱性能有所增加，但肋片的質(zhì)量也同時(shí)增加，不利用肋片的輕量化設(shè)計(jì)。No.4方案中將散熱器肋片數(shù)量進(jìn)一步減少為18個(gè)，同時(shí)肋片單側(cè)的小齒數(shù)減少為3個(gè)，小齒的間距增大為5mm，散熱器肋片的重量較原設(shè)計(jì)減輕4.36%，但由于肋片上換熱面積減少較多，使得MOS管芯片的溫升稍高于原設(shè)計(jì)。

No.5方案與No.4相比，肋片數(shù)量減少了2個(gè)使得肋片間距變大，且小齒高度參數(shù)變大，散熱效果得到提高，散熱器肋片的輕量化進(jìn)一步增強(qiáng)，相對于現(xiàn)有樣機(jī)肋片重量減輕了6.41%，MOS管芯片溫升低于原樣本約1%。圖5和圖6分別為原光滑肋片和No.5方案的MOS溫升云圖，可以看出N.o5方案相比原光滑肋片溫升要低。圖7和圖8分別為原光滑肋片和No.5方案的肋片的壁面換熱系數(shù)云圖，可以看出圖8中的肋片的小齒區(qū)域內(nèi)明顯地加強(qiáng)了壁面換熱系數(shù)值。

以No.5方案為基礎(chǔ)，逐漸減小肋片上小齒的高度至b=2.0mm(No.8方案)、b=1.5mm(No.9方案)，盡管重量得以進(jìn)一步減輕，但由于對流換熱面積的減小，使得MOS管芯片的溫升高于原設(shè)計(jì)。No.8方案中小齒的幾何尺寸、個(gè)數(shù)和位置均保持不變，僅將肋片數(shù)減小到14個(gè)，盡管肋片重量減輕，但同時(shí)散熱器的換熱性能減弱，導(dǎo)致MOS管芯片的溫升高于原設(shè)計(jì)約9.08%。

綜上可知，通過多次調(diào)整肋片數(shù)、肋片單側(cè)小齒數(shù)、小齒高度、小齒間距，分析結(jié)果表明No.5方案為本文所有研究方案中的最佳方案，該方案不僅實(shí)現(xiàn)了MOS管芯片溫升下降，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了肋片總重量的減輕。

圖5 原光滑肋片的MOS溫升云圖

圖6 No.5方案的MOS溫升云圖

圖7 原光滑肋片的壁面換熱系數(shù)云圖

圖8 No.5方案的肋片壁面換熱系數(shù)云圖

5 結(jié)論

通過在原有的光滑肋片上增加小齒，進(jìn)行多組參數(shù)組合對比分析。

1)相對于原有的光滑肋片結(jié)構(gòu)，多齒肋片結(jié)構(gòu)增加了肋片對流散熱的表面積和換熱系數(shù)，肋片的整體散熱性能得到提升，同時(shí)單個(gè)肋片的重量也相應(yīng)的增加。

2)通過采取減少肋片的數(shù)量和改變小齒的尺寸參數(shù)的方法，來實(shí)現(xiàn)肋片散熱器的輕量化。最終通過多組數(shù)值仿真分析對光滑肋片進(jìn)行了設(shè)計(jì)對比，在相同的工況和保持原有的散熱性能的情況下，重量輕化了6.41%。