吳高峰+冉振云+陳奇志

摘 要： 為解決汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大功率無刷電機(jī)控制器發(fā)熱過大所致的功率MOSFET管損壞問題，結(jié)合固體結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)原理對控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。運用有限體積法的控制器三維溫度場模型，對該汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）無刷控制器結(jié)構(gòu)散熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，對控制器大電流、高溫運行的情況下電路板溫升進(jìn)行試驗測定，對比試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果，新型控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，散熱性能最好。數(shù)值模擬對新型EPS無刷控制器的批量生產(chǎn)具有重要實際意義。

關(guān)鍵字： 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)； 無刷電機(jī)控制器； 有限體積法； 數(shù)值模擬

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0143?03

Design and heat dissipation performance simulation of EPS brushless motor ECU structure

WU Gao?feng， RAN Zhen?yun， CHEN Qi?zhi

（Elite Academe， Hunan Nanfang Aviation Industry Co.， Ltd.， Zhuzhou 412002， China）

Abstract： Based on heat conduction principle， the EPS （electric power steering） brushless motor ECU （electronic control units） structure was designed to eliminate the power Mosfet damage caused by overheating of EPS systems brushless motor ECU. By using ECU 3D temperature field model of the finite volume method， the heat dissipation performance of the brushless motor ECU structure was simulated and analyzed. PCB temperature rise was measured under the condition of large current and high temperature. The comparison between test values and numerical simulation results show that the design of the new type ECU structure is reasonable and its heat dissipation performance is best. The numerical simulation has the important practical significance for mass production of new EPS brushless ECU.

Keywords： electric power steering system； brushless motor ECU； finite volume method； numerical simulation

0 引 言

近年來，伴隨著汽車工業(yè)的迅速崛起，汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）[1]得到蓬勃發(fā)展，然而，消費大眾對汽車相關(guān)的技術(shù)要求也越來越高，與汽車配套的EPS也逐步向大功率、高性能方向發(fā)展。通過增大控制器的輸出電流以及電機(jī)功率， EPS功率、性能的雖有所改善，但同樣也帶來控制器電子元器件性能降低、發(fā)熱過大的新問題，控制器發(fā)熱過度，EPS整體功率提升也就不顯著。可見，控制器電子元器件的發(fā)熱與溫控問題是制約EPS向大功率、高性能方向發(fā)展的重要因素之一。

EPS安裝在汽車儀表下方，受汽車結(jié)構(gòu)及工作性質(zhì)的限制，EPS控制器無法按理想結(jié)構(gòu)實現(xiàn)散熱要求，加裝風(fēng)扇進(jìn)行散熱更加不切實際，由此更降低了控制器的散熱能力，進(jìn)而影響到EPS工作性能乃至相關(guān)元器件的壽命。因此，控制器散熱的理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗研究是大功率控制器開發(fā)面臨的重大問題。

本文以匹配1 000 kg以上前軸載荷的新型大功率EPS無刷控制器結(jié)構(gòu)的研制為基礎(chǔ)，完成了對新型EPS控制器散熱性能的數(shù)值模擬以及試驗驗證，為產(chǎn)品的批量生產(chǎn)提供了可靠的參考依據(jù)。

1 新型EPS控制器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

EPS控制器須具有一定的防水、防潮功能，因此必須保證其結(jié)構(gòu)緊湊，密閉，更因EPS控制器多數(shù)情況位于汽車駕駛室內(nèi)，空氣流通性差，因此控制器電子元器件產(chǎn)生的熱量只能依靠傳導(dǎo)和輻射的方式耗散[2]。

圖1所示為新型EPS控制器散熱結(jié)構(gòu)。控制器由壓鑄的鋁制殼體、鋼制的鍍鋅殼蓋、鋁基板、控制板以及三個尼龍插座組成。鋼制殼蓋緊扣在殼體上，形成一個安裝鋁基板以及控制板的密閉空間，鋁基板上裝有6個功率MOSFET管。

圖1 新型EPS控制器結(jié)構(gòu)

在其他條件一定的情況下，物體傳導(dǎo)系數(shù)越大，傳熱效率越高[2?4]，因此將鋁制殼體作為傳熱介質(zhì)，散熱效果最好。在鋁制殼體上，設(shè)計了一大小與鋁基板面積相當(dāng)?shù)墓鉂嵠矫妫X基板則采用導(dǎo)熱硅膠粘結(jié)在鋁制殼體上，這樣驅(qū)動器產(chǎn)生的熱量，通過鋁制殼體傳導(dǎo)至外界。如表1為所用材料的273 K時熱傳導(dǎo)系數(shù)[λ]。

表1 所用材料273 K時熱傳導(dǎo)系數(shù) W/（m·K）

2 數(shù)值模擬理論模型

2.1 控制器三維溫度場模型

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱原理：控制器任一微元體的導(dǎo)熱微分方程可以用下式表達(dá)[5]：

[ρc?t?τ=??xλ?t?x+??yλ?t?y+??zλ?t?z+qv]

式中：[t]為物體溫度（單位：K）；[λ]為材料的導(dǎo)熱系數(shù)（單位：W/（m·K））；[qv]為物體的內(nèi)熱源（單位：W·m3）；[ρ]為物體的密度（單位：kg·m-3）；[c]為材料定壓比熱（單位：J·kg-1·m-1）。

假定導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，控制器各個部分均是各向同性、連續(xù)的、有內(nèi)熱源、物性參數(shù)已知。上式可以寫成：

[ρcλ?t?τ=（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ] （1）

式中：[a=λρc]為熱擴(kuò)散系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)）。

本文主要探討控制器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場，那么式（1）中：[?t?τ=0]；則有：

[（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ=0] （2）

式（2）為以溫度為變量的代數(shù)方程，本文采用基于有限體積法的數(shù)值計算法對式（2）進(jìn)行數(shù)值分析。

2.2 邊界條件以及初始條件處理

（1） 邊界條件

根據(jù)前述的分析，控制器邊界均為自由換熱面，計算時假定所有自由換熱面[Γ]熱流均單向流出[5]：

[-λ?T?n-=α（TΓ-T∞）] （3）

式中：[α]為表面對流換熱系數(shù)（單位：W/（m2·K））；[TΓ]為表面溫度（單位：K）；[T∞]為環(huán)境介質(zhì)溫度（單位：K）。

（2） 初始條件

初始條件就是計算初始給定的參數(shù)，即[t=t0]時各個未知量的函數(shù)分布，很明顯，控制器內(nèi)部、外部的流體運動為定量的常數(shù)，即：

[u=v=w=0；p=p0‘ρ=ρ0；t=t0]

2.3 基于有限體積法的離散模型

有限體積法是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計算中應(yīng)用最廣泛的一種方法，這種方法具體是將所計算的區(qū)域劃分為一系列控制體積，每個控制體積都有一個節(jié)點作代表，通過將守恒型的控制方程對控制體積作積分來導(dǎo)出離散方程[6]。主要包括計算區(qū)域的離散和控制方程的離散。控制器由多個部件構(gòu)成，各個部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，例如殼蓋最小厚度尺寸為0.7 mm，因此必須采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對此這種復(fù)雜邊界區(qū)域進(jìn)行離散。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散方法所生成的模型如圖2所示。

圖2 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散模型圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗驗證分析

試驗驗證采用如圖3所示試驗臺架進(jìn)行，試驗臺架包括有控制器存放區(qū)、加載電機(jī)、ECU輸出電流檢測儀、PCB板溫度監(jiān)測儀組成。

圖3 控制器高溫運行試驗臺架

通過試驗證明：在環(huán)境溫度為85 ℃、控制器運行10 h以及控制器工作電流保持在80 A Peak的情況下，控制器的溫升為43 ℃，控制器PCB板最高溫度為128 ℃。

經(jīng)過數(shù)值模擬計算出控制器在高溫環(huán)境下的溫度場以及空氣流速分布，如圖4所示。從計算結(jié)果分析，控制器在85 ℃的環(huán)境下，工作電流為80 A Peak，控制器的溫升為46 ℃，MOSFET最高溫度為138 ℃，PCB板溫度為131 ℃。實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比如表2所示。

圖4 控制器溫度分布以及空氣流速云圖

對比數(shù)值模擬與控制器試驗驗證，此控制器結(jié)構(gòu)合理，散熱性能最好。

4 結(jié) 語

根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本原理，基于有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合試驗驗證，分析了新型EPS無刷控制器結(jié)構(gòu)散熱性能，結(jié)論如下：

（1） 運用控制器離散模型，以熱傳導(dǎo)能量控制方程為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器溫度場的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

（2） 壓鑄鋁殼體是EPS控制器熱量耗散的關(guān)鍵部分，換句話說，傳導(dǎo)散熱是控制器散熱的主要形式之一，數(shù)值模擬驗證了上述判斷。

（3） 以熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料為導(dǎo)熱基體、增大熱源與導(dǎo)熱基體的接觸面積是提高控制器散熱的有效方法。

（4） 本文所建立的基于有限體積法的控制器三維溫度場模型、采用的數(shù)值模擬以及試驗驗證方法，對此類型控制器的研究是正確、可靠的。

表2 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比

參考文獻(xiàn)

[1] HU Ai?jun， BAOZHAN LV. Development of the automobile steering system [J]. Applied Mechanics and Materials， 2011， 20（11）： 272?275.

[2] 付桂翠，高澤溪.影響功率器件散熱器散熱性能的幾何因素分析[J].電子器件，2003，26（4）.354?356.

[3] 羅穎，陳慧，高峰，等.EPS控制器散熱片設(shè)計優(yōu)化[C].中國汽車工程學(xué)會年會論文集.北京：中國汽車工程學(xué)會，2009：1797?1802.

[4] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 孫首群，盧華陽.新型驅(qū)動器散熱器散熱性能仿真與優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（11）：2821?2824.

[6] 江帆，黃鵬.Fluent 高級應(yīng)用與實例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[7] 楊兆華，王坤林.新型EPS電源工作過程及仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（8）：11?13.

[8] 劉典文，陳列.尊基于Modbus的EPS應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（21）：150?152.

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱原理：控制器任一微元體的導(dǎo)熱微分方程可以用下式表達(dá)[5]：

[ρc?t?τ=??xλ?t?x+??yλ?t?y+??zλ?t?z+qv]

式中：[t]為物體溫度（單位：K）；[λ]為材料的導(dǎo)熱系數(shù)（單位：W/（m·K））；[qv]為物體的內(nèi)熱源（單位：W·m3）；[ρ]為物體的密度（單位：kg·m-3）；[c]為材料定壓比熱（單位：J·kg-1·m-1）。

假定導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，控制器各個部分均是各向同性、連續(xù)的、有內(nèi)熱源、物性參數(shù)已知。上式可以寫成：

[ρcλ?t?τ=（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ] （1）

式中：[a=λρc]為熱擴(kuò)散系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)）。

本文主要探討控制器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場，那么式（1）中：[?t?τ=0]；則有：

[（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ=0] （2）

式（2）為以溫度為變量的代數(shù)方程，本文采用基于有限體積法的數(shù)值計算法對式（2）進(jìn)行數(shù)值分析。

2.2 邊界條件以及初始條件處理

（1） 邊界條件

根據(jù)前述的分析，控制器邊界均為自由換熱面，計算時假定所有自由換熱面[Γ]熱流均單向流出[5]：

[-λ?T?n-=α（TΓ-T∞）] （3）

式中：[α]為表面對流換熱系數(shù)（單位：W/（m2·K））；[TΓ]為表面溫度（單位：K）；[T∞]為環(huán)境介質(zhì)溫度（單位：K）。

（2） 初始條件

初始條件就是計算初始給定的參數(shù)，即[t=t0]時各個未知量的函數(shù)分布，很明顯，控制器內(nèi)部、外部的流體運動為定量的常數(shù)，即：

[u=v=w=0；p=p0‘ρ=ρ0；t=t0]

2.3 基于有限體積法的離散模型

有限體積法是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計算中應(yīng)用最廣泛的一種方法，這種方法具體是將所計算的區(qū)域劃分為一系列控制體積，每個控制體積都有一個節(jié)點作代表，通過將守恒型的控制方程對控制體積作積分來導(dǎo)出離散方程[6]。主要包括計算區(qū)域的離散和控制方程的離散。控制器由多個部件構(gòu)成，各個部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，例如殼蓋最小厚度尺寸為0.7 mm，因此必須采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對此這種復(fù)雜邊界區(qū)域進(jìn)行離散。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散方法所生成的模型如圖2所示。

圖2 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散模型圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗驗證分析

試驗驗證采用如圖3所示試驗臺架進(jìn)行，試驗臺架包括有控制器存放區(qū)、加載電機(jī)、ECU輸出電流檢測儀、PCB板溫度監(jiān)測儀組成。

圖3 控制器高溫運行試驗臺架

通過試驗證明：在環(huán)境溫度為85 ℃、控制器運行10 h以及控制器工作電流保持在80 A Peak的情況下，控制器的溫升為43 ℃，控制器PCB板最高溫度為128 ℃。

經(jīng)過數(shù)值模擬計算出控制器在高溫環(huán)境下的溫度場以及空氣流速分布，如圖4所示。從計算結(jié)果分析，控制器在85 ℃的環(huán)境下，工作電流為80 A Peak，控制器的溫升為46 ℃，MOSFET最高溫度為138 ℃，PCB板溫度為131 ℃。實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比如表2所示。

圖4 控制器溫度分布以及空氣流速云圖

對比數(shù)值模擬與控制器試驗驗證，此控制器結(jié)構(gòu)合理，散熱性能最好。

4 結(jié) 語

根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本原理，基于有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合試驗驗證，分析了新型EPS無刷控制器結(jié)構(gòu)散熱性能，結(jié)論如下：

（1） 運用控制器離散模型，以熱傳導(dǎo)能量控制方程為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器溫度場的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

（2） 壓鑄鋁殼體是EPS控制器熱量耗散的關(guān)鍵部分，換句話說，傳導(dǎo)散熱是控制器散熱的主要形式之一，數(shù)值模擬驗證了上述判斷。

（3） 以熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料為導(dǎo)熱基體、增大熱源與導(dǎo)熱基體的接觸面積是提高控制器散熱的有效方法。

（4） 本文所建立的基于有限體積法的控制器三維溫度場模型、采用的數(shù)值模擬以及試驗驗證方法，對此類型控制器的研究是正確、可靠的。

表2 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比

參考文獻(xiàn)

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[3] 羅穎，陳慧，高峰，等.EPS控制器散熱片設(shè)計優(yōu)化[C].中國汽車工程學(xué)會年會論文集.北京：中國汽車工程學(xué)會，2009：1797?1802.

[4] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

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[8] 劉典文，陳列.尊基于Modbus的EPS應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（21）：150?152.

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱原理：控制器任一微元體的導(dǎo)熱微分方程可以用下式表達(dá)[5]：

[ρc?t?τ=??xλ?t?x+??yλ?t?y+??zλ?t?z+qv]

式中：[t]為物體溫度（單位：K）；[λ]為材料的導(dǎo)熱系數(shù)（單位：W/（m·K））；[qv]為物體的內(nèi)熱源（單位：W·m3）；[ρ]為物體的密度（單位：kg·m-3）；[c]為材料定壓比熱（單位：J·kg-1·m-1）。

假定導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，控制器各個部分均是各向同性、連續(xù)的、有內(nèi)熱源、物性參數(shù)已知。上式可以寫成：

[ρcλ?t?τ=（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ] （1）

式中：[a=λρc]為熱擴(kuò)散系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)）。

本文主要探討控制器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場，那么式（1）中：[?t?τ=0]；則有：

[（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ=0] （2）

式（2）為以溫度為變量的代數(shù)方程，本文采用基于有限體積法的數(shù)值計算法對式（2）進(jìn)行數(shù)值分析。

2.2 邊界條件以及初始條件處理

（1） 邊界條件

根據(jù)前述的分析，控制器邊界均為自由換熱面，計算時假定所有自由換熱面[Γ]熱流均單向流出[5]：

[-λ?T?n-=α（TΓ-T∞）] （3）

式中：[α]為表面對流換熱系數(shù)（單位：W/（m2·K））；[TΓ]為表面溫度（單位：K）；[T∞]為環(huán)境介質(zhì)溫度（單位：K）。

（2） 初始條件

初始條件就是計算初始給定的參數(shù)，即[t=t0]時各個未知量的函數(shù)分布，很明顯，控制器內(nèi)部、外部的流體運動為定量的常數(shù)，即：

[u=v=w=0；p=p0‘ρ=ρ0；t=t0]

2.3 基于有限體積法的離散模型

有限體積法是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計算中應(yīng)用最廣泛的一種方法，這種方法具體是將所計算的區(qū)域劃分為一系列控制體積，每個控制體積都有一個節(jié)點作代表，通過將守恒型的控制方程對控制體積作積分來導(dǎo)出離散方程[6]。主要包括計算區(qū)域的離散和控制方程的離散?？刂破饔啥鄠€部件構(gòu)成，各個部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，例如殼蓋最小厚度尺寸為0.7 mm，因此必須采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對此這種復(fù)雜邊界區(qū)域進(jìn)行離散。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散方法所生成的模型如圖2所示。

圖2 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散模型圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗驗證分析

試驗驗證采用如圖3所示試驗臺架進(jìn)行，試驗臺架包括有控制器存放區(qū)、加載電機(jī)、ECU輸出電流檢測儀、PCB板溫度監(jiān)測儀組成。

圖3 控制器高溫運行試驗臺架

通過試驗證明：在環(huán)境溫度為85 ℃、控制器運行10 h以及控制器工作電流保持在80 A Peak的情況下，控制器的溫升為43 ℃，控制器PCB板最高溫度為128 ℃。

經(jīng)過數(shù)值模擬計算出控制器在高溫環(huán)境下的溫度場以及空氣流速分布，如圖4所示。從計算結(jié)果分析，控制器在85 ℃的環(huán)境下，工作電流為80 A Peak，控制器的溫升為46 ℃，MOSFET最高溫度為138 ℃，PCB板溫度為131 ℃。實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比如表2所示。

圖4 控制器溫度分布以及空氣流速云圖

對比數(shù)值模擬與控制器試驗驗證，此控制器結(jié)構(gòu)合理，散熱性能最好。

4 結(jié) 語

根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本原理，基于有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合試驗驗證，分析了新型EPS無刷控制器結(jié)構(gòu)散熱性能，結(jié)論如下：

（1） 運用控制器離散模型，以熱傳導(dǎo)能量控制方程為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器溫度場的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

（2） 壓鑄鋁殼體是EPS控制器熱量耗散的關(guān)鍵部分，換句話說，傳導(dǎo)散熱是控制器散熱的主要形式之一，數(shù)值模擬驗證了上述判斷。

（3） 以熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料為導(dǎo)熱基體、增大熱源與導(dǎo)熱基體的接觸面積是提高控制器散熱的有效方法。

（4） 本文所建立的基于有限體積法的控制器三維溫度場模型、采用的數(shù)值模擬以及試驗驗證方法，對此類型控制器的研究是正確、可靠的。

表2 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比

參考文獻(xiàn)

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[3] 羅穎，陳慧，高峰，等.EPS控制器散熱片設(shè)計優(yōu)化[C].中國汽車工程學(xué)會年會論文集.北京：中國汽車工程學(xué)會，2009：1797?1802.

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[5] 孫首群，盧華陽.新型驅(qū)動器散熱器散熱性能仿真與優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（11）：2821?2824.

[6] 江帆，黃鵬.Fluent 高級應(yīng)用與實例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[7] 楊兆華，王坤林.新型EPS電源工作過程及仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（8）：11?13.

[8] 劉典文，陳列.尊基于Modbus的EPS應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（21）：150?152.