章國光，郭軍朝, 金萬虎, 王希誠

(東風汽車公司 技術中心, 湖北 武漢 430058)

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控制器熱仿真分析與試驗研究

章國光，郭軍朝, 金萬虎, 王希誠

(東風汽車公司 技術中心, 湖北 武漢 430058)

運用計算流體力學技術對某車型電機集成控制器的流阻進行了仿真分析，并與流阻試驗數(shù)據進行了比較，符合設計要求，證實運用仿真技術分析冷卻水套流阻和內部流場的方法可行。從傳熱角度仿真分析了集成式控制器的溫度場，提取了控制器鋁基板、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、冷卻水的溫度，并與試驗進行比較。

控制器； 絕緣柵雙極型晶體管； 流阻； 溫度； 熱仿真

0 引 言

在新能源汽車電機和控制器的開發(fā)中，會涉及到電機和控制器的冷卻問題。因為電機、控制器及充電器等系統(tǒng)或部件在工作過程中會產生大量的熱，若這些熱量不能及時被冷卻介質帶走，則電機和控制器的效率或性能會降低。因此，對純電動汽車電機或者控制器的有效冷卻是產品開發(fā)過程中必須考慮的問題。運用Flotherm熱分析軟件對風冷式電子控制電動式動力轉向系統(tǒng)(Electric Power Steering System, EPS)控制器的各種結構參數(shù)及負載條件下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)溫升進行仿真分析和試驗驗證。運用Fluent對電動汽車某新型電機控制器絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)模塊進行三維溫度場和流場的仿真，并通過仿真和試驗驗證了該控制器散熱結構的散熱效果。了解并驗證在惡劣工作環(huán)境下IGBT的結溫,對并聯(lián)運行的IGBT的散熱系統(tǒng)進行了適當?shù)哪Ｐ秃喕?基于有限元軟件ANSYS的模擬計算,求解其散熱系統(tǒng)的溫度場分布。實際應用過程中大功率器件IGBT可能因其產生大量的熱量而損壞，計算出最大的散熱器與環(huán)境之間的熱阻，設計出適用的散熱器，把熱量傳導到外部環(huán)境，確保大功率器件安全可靠工作。針對大功率元件IGBT的散熱狀況，通過理論分析和試驗研究相結合的方法，應用有限元軟件對其水冷散熱器的流場進行系統(tǒng)的有限元分析。針對水冷式電機散熱肋的冷卻性能，從試驗和仿真兩個角度進行了研究[6-7]。

本文針對電機控制器的流阻進行了仿真分析，并與室溫下控制器的流阻試驗數(shù)據進行了比較，兩者誤差在5%以內，驗證了本文所述仿真分析方法的正確性。同時，通過開展控制器的溫度場仿真分析，提取了控制鋁基板、IGBT、水路的溫度分布數(shù)據，并與相關的試驗結果進行比較。

1 電機控制器結構

本文所述純電動汽車永磁同步電機控制器集成了電機控制器、車載充電機、DC/DC變換的功能，可以配合整車實現(xiàn)電機驅動系統(tǒng)控制、8小時慢速充電以及提供系統(tǒng)所需的低壓電源等諸多功能。純電動汽車集成式電機控制器的電氣結構示意圖如圖1所示，左側是控制器，右側是車載充電機、DC/DC轉換器。

圖1 集成式電機控制器電氣結構示意圖

集成式電機控制器內主要功率器件簡化布局如圖2所示，主要由端部MOS管、整流橋、端部變壓器、中間變壓器、MOS管、IGBT構成。

圖2 電機控制器內部功率器件簡化布局

本文所述控制器殼體及功率器件參數(shù)如表1所示。

表1 控制器殼體與功率器件材料特性參數(shù)

2 控制器冷態(tài)流阻仿真與試驗

2.1 流阻分析建模

本文對電機集成控制器導熱基板進行幾何清理后，得到冷卻液所經過的流道。散熱基板裝配模型、散熱基板及冷卻液流道分別如圖3(a)、3(b)、3(c)所示。

圖3 集成式控制器鋁基板結構

2.2 IGBT散熱肋不同設計方案

在IGBT功耗和DC/DC功耗不變前提下，對IGBT散熱肋開展兩方案下流阻效果的比較分析工作。本文中IGBT散熱肋徑向截面形狀有圓柱形散熱肋和四棱柱形散熱肋，分別如圖4(a)、圖4(b)所示。

圖4 IGBT散熱肋斷面形狀方案

2.3 流阻仿真與試驗比較

為了測試控制器冷卻水套的流阻，針對IGBT圓柱狀散熱肋方案，開展了控制器流阻試驗，如圖5所示。

圖5 控制器流阻試驗

針對控制器的流阻進行了多流量下的試驗和仿真比較，數(shù)據如表2所示。

表2 水套流阻仿真與試驗值比較

2.4 整體渦流分析

為直觀顯示冷卻水套內部的流線，整體提取水套內部冷卻液的速度流線如圖6所示。

提取IGBT冷卻區(qū)域上游、下游的流場，分別如圖7(a)、圖7(b)所示，渦流區(qū)域明顯，建議將IGBT水道入口、出口處的臺階改為斜坡加圓角方式過渡，以便于減少流動阻力。

圖6 冷卻水套內主流區(qū)域速度流線圖

圖7 IGBT流體域上下游流線

2.5 局部流體域切片速度場仿真分析

為了彌補流阻試驗不能觀察水套內的渦流，本文對水套內局部流場進行了可視化分析，尤其關注了高功耗區(qū)域IGBT散熱肋周圍的速度場，并進行切片分析。水套入口流量12L/min時，IGBT圓柱形肋、四棱形肋周圍的流場切片，分別如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8 IGBT散熱肋周圍流場切片分析

列表分析IGBT兩種散熱肋方案的流場、散熱特性數(shù)據如表3所示，IGBT圓柱形方案散熱肋更利于降低流阻。

表3 IGBT不同散熱肋方案同一切片位置流場分析

3 控制器熱態(tài)仿真分析

3.1 控制器內功率器件

分析集成式電機控制器流阻試驗與仿真之后，本文從傳熱角度開展了集成式電機控制器的散熱分析。本文所述集成式電機控制器實物如圖9所示。

圖9 集成式電機控制器實物

集成式電機控制器的主要功率器件的說明如圖2所示，對應具體功耗數(shù)值如表4所示。

表4 控制器功率器件與功耗

3.2 控制器部件溫度分布云圖

引用等效體積熱載荷仿真計算方法，本文以等效局部載荷為熱邊界進行仿真分析。12L/min流量時，仿真分析并提取控制器各主要部件的溫度?？刂破麂X基板功率器件熱源側的溫度分布、水路一側溫度分布、IGBT圓柱形散熱肋溫度分布、IGBT四棱柱形散熱肋溫度分布分別如圖10(a)～圖10(d)所示。

圖10 IGBT鋁基板與散熱肋溫度分布

3.3 IGBT散熱肋切片溫度場分布

為詳細比較IGBT散熱肋的溫度分布特性，對圓柱形、四棱柱形兩種方案的同一截面位置進行溫度分布的比較。兩方案的溫度分布云圖分別如圖11(a)和圖11(b)所示。

圖11 IGBT散熱肋內部切片溫度分布

分析并比較IGBT散熱肋兩種方案同一位置切片的平均溫度分布和水套進出口的溫升，統(tǒng)計如表5所示。圓柱形散熱肋的切片溫度為33.43℃，四棱柱形散熱肋的切片溫度為34.97℃，前者相對后者降低了4.6%。分析進出水口的溫差，圓柱形散熱肋相對四棱柱形散熱肋，溫差提高了3.7%。

表5 IGBT不同散熱肋方案同一位置切片散熱參數(shù)分析

3.4 控制器熱試驗

為了驗證電機控制器冷卻性能，并驗證控制器冷卻的仿真數(shù)據，開展了控制器冷卻性能臺架試驗，如圖12所示，由電機、集成式控制器及冷卻系統(tǒng)構成。

圖12 電機與控制器臺架試驗

控制器試驗時，電機的轉速為4000r/min，扭矩為73.6N·m，功率為30.5kW，水泵的占空比為60%，水泵電機電壓為12V，電流為4.89A，此時水流量為12L/min。

分析圖13試驗數(shù)據流量為12L/min時，電機在運行時控制器的熱平衡溫度為61℃，此時冷卻水的進水溫度為47.7℃，沒有達到電機及控制器的溫度保護值。因此，當水泵的流量達到一定值后，控制器的溫度不會急劇上升?？刂破鳒囟确抡婧驮囼瀮烧邤?shù)據的上升趨勢、達到熱平衡時間、熱平衡溫度關聯(lián)性一致。

圖13 電機控制器本體溫度仿真與試驗數(shù)據比較

4 控制器水路密閉性試驗

控制器水路密閉性試驗包括氣密性和水密性試驗。為確保液冷式控制器冷卻水路的氣密性，在試驗室開展氣壓為200kPa的試驗，如圖14所示。試驗結果證實氣密性、水密性均滿足設計要求。

圖14 集成式電機控制器水套密閉性試驗

5 結 語

(1) 本文控制器冷卻水路流阻的仿真值和試驗值比較接近，誤差約5%。

(2) 分析控制器鋁基板的溫度分布，熱功耗器件——變壓器對應的區(qū)域是高溫區(qū)域。分析IGBT散熱肋方案的整體溫度分布和肋切片溫度分布，圓柱形散熱肋周圍冷卻液的流阻小、流速高，從而使得圓柱形散熱肋較四棱柱形散熱肋利于IGBT的散熱。

(3) 控制器散熱基板進行流阻試驗時不能對內部主流區(qū)域進行可視化，通過仿真分析可以對水套內部流場進行可視化，彌補了試驗方法的不足。

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Thermal Simulated and Experimental Research Applied to Controller

ZHANGGuoguang，GUOJunchao，JINWanhu,WANGXicheng

(Technology Center， Dongfeng Motor Corporation， Wuhan 430058, China)

The flow resistance of integrated controller for one electric-motor was simulated with the computational fluid techniques, and the simulated data were compared with the experimental values. It turned out that the former was highly related to the later. It was feasible that the numerical simulated techniques were applied to analyzing the fluid resistance of the controller. The temperature distribution of main components were abstracted, such as the aluminium base of controller, IGBT, cooling-water.

controller； insulated gate bipolar transistor(IGBT)； fluid resistance； temperature; thermal simulation

章國光(1964—) ，男，博士研究生，研究員級高工，研究方向為新能源動力總成、電驅動系統(tǒng)與控制。 郭軍朝(1980—) ，男，碩士研究生， 高級工程師，研究方向為汽車整車流場與熱管理、汽車計算電磁學與仿真研究。

TM 301.2

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1673-6540(2016)11- 0034- 05

2016-04-07