郭 松,張運吉

(貴州永紅散熱器有限責任公司,貴州 貴陽 550009)

0 引言

作為新能源汽車電控系統(tǒng)核心部件的IGBT模塊,其工作時會產(chǎn)生大量的熱量。近年來隨著IGBT模塊日趨小型化、集成化,雙面冷卻的IGBT模塊已經(jīng)在新能源汽車中大量采用,雙面水冷散熱器可以有效帶走IGBT模塊工作時所產(chǎn)生的熱量,確保IGBT模塊的熱穩(wěn)定性和可靠性。本文通過CAE仿真和臺架測試對雙面水冷散熱器的熱設(shè)計計算進行校核,確保雙面水冷散熱器能夠滿足使用要求。

1 雙面水冷散熱器的結(jié)構(gòu)

圖1 雙面水冷散熱器示意圖

如圖1和圖2所示,需進行冷卻的IGBT模塊被安裝在雙面水冷散熱器的上下兩個組件之間,冷卻液通過散熱器的管嘴流入散熱器,通過散熱器上與IGBT模塊貼合的功能面將模塊工作時的熱量帶走。

圖2 雙面水冷散熱器剖面圖(翅片未示出)

2 雙面水冷散熱器熱設(shè)計計算

2.1 設(shè)計要求

雙面水冷散熱器材質(zhì)為6063鋁材,流經(jīng)其中的冷卻介質(zhì)為防凍液(乙二醇50%+水50%),散熱器上沿冷卻液流動方向串聯(lián)均布3個IGBT模塊,設(shè)計要求見表1。

表1 雙面水冷散熱器設(shè)計輸入

2.2 熱設(shè)計計算

圖3 簡化后的傳熱計算 模型示意圖

因3個IGBT模塊發(fā)熱功率相同且串聯(lián)排布,為了簡化計算,將雙面水冷散熱器上的3個IGBT模塊合并,簡化為一個發(fā)熱源(發(fā)熱功率為3個模塊發(fā)熱功率之和),模塊發(fā)熱表面溫度均勻分布,散熱器上的散熱功能面與熱源大小相同。因每個IGBT模塊為雙面發(fā)熱并分別與散熱器的兩個散熱功能面進行貼合散熱,因此散熱器上每個與IGBT模塊接觸的散熱功能面上吸收的熱量為IGBT模塊總發(fā)熱量的一半。簡化后的傳熱計算模型如圖3所示,其換熱計算可按照GB/T 15428—1995《電子設(shè)備用冷板設(shè)計導則》中均溫冷板進行[1]。

散熱器中的鋸齒形翅片的尺寸示意圖及幾何參數(shù)如圖4所示。

圖4 鋸齒形翅片的尺寸示意圖及幾何參數(shù)

冷卻液出口溫度:

根據(jù)能量平衡方程,IGBT模塊發(fā)出的熱量與散熱器內(nèi)冷卻液帶走的熱量相等,可計算出冷卻液流經(jīng)散熱器后的出口溫度。

Q=qm·cp(t2-t1)

(1)

式中:Q—IGBT模塊單面的發(fā)熱量;qm—冷卻液的質(zhì)量流量;cp—冷卻液的定壓比熱容;t1—冷卻液入口溫度;t2—冷卻液出口溫度。

散熱器的換熱系數(shù):

(2)

式中:j—考爾本數(shù),與翅片的結(jié)構(gòu)形式和雷諾數(shù)相關(guān),可通過J-Re關(guān)系曲線圖查找其數(shù)值;G—單位面積的質(zhì)量流量;cp—冷卻液的定壓比熱容;Pr—普朗特數(shù),與流體的動力粘度系數(shù)、導熱系數(shù)和比熱容有關(guān)[2]:

(3)

其中:μ—流體導熱系數(shù);λ—流體動力粘度系數(shù)。

翅片效率[3]:

(4)

(5)

式中:H—鋸齒形翅片高度;h—散熱器的換熱系數(shù);μ—翅片材料導熱系數(shù);t—翅片厚度。

散熱器的總效率:

(6)

式中:S—鋸齒形翅片的傳熱面積;S1—散熱單元的總面積。

傳熱單元數(shù):

(7)

式中:h—散熱器的換熱系數(shù);η0—散熱器的總效率;S1—散熱單元的總面積;qm—冷卻液的質(zhì)量流量;cp—冷卻液的定壓比熱容。

散熱功能面平均溫度:

(8)

式中:t1—冷卻液入口溫度;t2—冷卻液出口溫度。

經(jīng)計算,雙面水冷散熱器功能面的平均溫度為40.63 ℃。

以上對雙面水冷散熱器的熱計算是基于均溫冷板的計算,得到的計算結(jié)果是散熱器功能面的平均溫度[1],在IGBT模塊實際工作的情況下,散熱器表面的溫度并不是均勻的,靠近冷卻液出口處的散熱器表面溫度由于吸收IGBT模塊工作時的熱量,會高于入口處的溫度。僅通過計算得出的平均溫度低于許用溫度,無法保證 IGBT 模塊正常工作。因此通過CAE仿真分析綜合模擬 IGBT 模塊與散熱器的相互作用,得出冷板表面的溫度分布云圖,確保散熱器設(shè)計的合理性,提高熱設(shè)計的可靠性。

同時,因受到散熱器整體結(jié)構(gòu)形式,如進出口通道、冷卻介質(zhì)分流結(jié)構(gòu)、流體轉(zhuǎn)向、換熱單元結(jié)構(gòu)及流體在不同位置的流動狀態(tài)等多種因素影響,涉及到以上諸多位置的沿程阻力和局部阻力的疊加,其計算過程相對復(fù)雜且計算結(jié)果準確度不高,因此沒有進行散熱器的阻力特性計算,對于散熱器的阻力特性通過CAE仿真和試驗臺架校核的方式進行。

3 仿真校核

仿真校核采用Autocad CFD2018軟件進行,參照散熱器技術(shù)要求中相關(guān)參數(shù)對相應(yīng)的邊界條件進行設(shè)定,運行仿真計算后分別得到冷卻液的流動跡線圖和散熱器表面溫度的分布云圖以及阻力特性[4]?；贑FD軟件的熱仿真流程及主要步驟如圖5所示。

圖5 基于AutocadCFD2018的熱仿真流程圖

進行仿真計算時,對散熱器數(shù)模中的安裝孔、支撐柱等與散熱器傳熱關(guān)系不大的結(jié)構(gòu)進行簡化,IGBT 模塊及散熱器與周圍空氣的對流換熱及輻射散熱均忽略不計。由于網(wǎng)格劃分的數(shù)量和網(wǎng)格精度會直接影響到有限元計算的工作量和計算結(jié)果的準確性,為了盡量準確地進行溫度場和流場計算,滿足邊界層對網(wǎng)格質(zhì)量的要求,同時兼顧現(xiàn)有電腦硬件資源,網(wǎng)格尺寸大小取0.04 mm,對固體和流體區(qū)域劃分成均質(zhì)六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量約為3600萬個左右,如圖6所示。

圖6 簡化模型網(wǎng)格劃分及運算迭代收斂圖

溫度場分析:如圖7所示,散熱器出口溫度為28.49 ℃,從圖8散熱器的縱向溫度云圖和圖9表面溫度云圖上可以看出,散熱器表面溫度沿冷卻液流動方向逐漸升高,圖10顯示,功能面最高溫度位于靠近散熱器出口位置的芯片發(fā)熱區(qū)域,最高溫度為40.48 ℃。

圖7 散熱器出口溫度圖 圖8 散熱器縱向截面溫度云圖

圖9 散熱器表面溫度云圖 圖10 散熱功能面溫度云圖

壓力場和流場分析:設(shè)定散熱器的進口壓力為0,出口壓力17.26 kPa(圖11)。從圖12的冷卻介質(zhì)的流跡圖可以看出,冷卻液進入散熱器后在上下兩個組件之間的流量分配比例為50.4%∶49.6%,流量分配均勻,使得散熱器上下兩個組件的冷卻效果基本相同,在散熱器進出口通道、冷卻介質(zhì)分流結(jié)構(gòu)、流體轉(zhuǎn)向等位置,沒有明顯的渦流現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖11 散熱器阻力特性圖 圖12 冷卻介質(zhì)流跡圖

4 試驗校核

熱測試試驗校核的目的主要是對熱設(shè)計計算和CAE仿真計算的效果進行檢驗,能夠?qū)CU散熱器的適用性和有效性進行最直接、最準確的評價。測試時將散熱器樣品按照試驗要求在測試臺上進行安裝,如圖13所示,采用3個熱等效裝置(片狀電阻熱源,發(fā)熱均勻)模擬IGBT模塊發(fā)熱,測試時功能面的溫度采樣點取在每個等效熱源的中心位置。待系統(tǒng)達到熱平衡后,記錄散熱器溫度采樣點的溫度度數(shù)、進出口壓差、散熱器出水溫度等參數(shù)的測量值,測試結(jié)果見表2。

表2 散熱器臺架測試結(jié)果

圖13 散熱器臺架測試

5 設(shè)計計算、仿真校核及熱測試試驗結(jié)果分析

通過設(shè)計計算確定的MCU散熱器方案,是將3個IGBT模塊進行簡化合一,同時對散熱器有效工作部分結(jié)構(gòu)進行簡化,采用均溫冷板的熱力計算方法,經(jīng)過計算得出MCU散熱器功能面的平均溫度。但是在實際工況中,散熱器功能表面的溫度不可能是均勻的,隨著冷卻介質(zhì)在散熱器內(nèi)流動,經(jīng)過每一個IGBT模塊,冷卻介質(zhì)的溫度都在升高,散熱器功能面的溫度也在升高。因此,僅通過計算得出功能面的平均溫度不超過設(shè)計要求中允許的范圍,無法保證散熱器功能表面不超溫。同時在計算的過程中,一些計算參數(shù)的選取是通過查找圖表的方法得到的,這樣也會導致計算結(jié)果的準確性出現(xiàn)一定偏差。

CFD仿真計算可以直觀地了解散熱器內(nèi)部的壓力場、溫度場以及功能面溫度等參數(shù)的分布和變化的情況,進而可以實現(xiàn)對換熱器設(shè)計方案的優(yōu)化和改進。本次對雙面散熱器的CFD仿真計算校核,雖然沒有對IGBT模塊和散熱器有效工作部分的結(jié)構(gòu)進行簡化,但是考慮到網(wǎng)格劃分的數(shù)量和質(zhì)量以及仿真計算結(jié)果的精度和效率。在計算時對鋸齒型翅片的模型及散熱器上對散熱性能影響不大的結(jié)構(gòu)進行了簡化處理,也忽略了其他熱損失,這些會與散熱器的實際工況產(chǎn)生少量差異。經(jīng)過設(shè)計計算確定的MCU散熱器方案與CFD仿真分析出的散熱器功能面的平均溫度數(shù)值相接近,說明設(shè)計計算與仿真計算校核的結(jié)果有一定的符合性。

雙面水冷散熱器的熱測試試驗是最能夠真實反映在實際的使用場景下散熱器的工作狀態(tài),能夠驗證設(shè)計計算和CFD仿真計算校核的準確性,熱測試試驗過程中因環(huán)境溫度變化、負載發(fā)熱均勻性、負載與散熱器功能面接觸熱阻、傳感器布置以及測量誤差等因素的影響,可能會導致測試結(jié)果與設(shè)計計算及CFD仿真計算的結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差。設(shè)計計算、CFD仿真及熱測試試驗結(jié)果對比見表3。

表3 計算、仿真校核及熱測試試驗結(jié)果對比