车用双电机控制器的热仿真分析.pdf

设计分析 年第 卷第 期王国栋等车用双电机控制器的热仿真分析 收稿日期:基金项目:柳州市科技计划资助项目()柳东新区(柳州高新区)科技计划资助项目(柳东科攻)车用双电机控制器的热仿真分析王国栋廖振伟刘志军卓小燕唐红云(.柳州赛克科技发展有限公司柳州 .柳州市电气化动力总成电子控制重点实验室柳州)摘 要:车用电机控制器的工作环境恶劣结构空间紧凑工作状况复杂需要较强的散热能力以保证可靠性采用一种水冷散热模块以解决双电机控制器的散热问题利用 软件对其进行热仿真分析求解计算得出了温度场分布和流场分布状况 对比了圆形散热柱和方形散热柱两种不同散热结构对散热效果的影响仿真结果表明两种结构均能满足散热要求其中方形散热柱的扰流作用更强散热效果更好关键词:绝缘栅双极晶体管双电机控制器热分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:引 言随着传统汽车导致的环境污染、能源危机等问题日益凸显相对于传统汽车所带来的污染、能源短缺以及其他不利影响在节能和环保效果等方面优势明显的新能源汽车逐渐成为研究的热点 电机控制器发挥着将电能与机械能相互转换的重要作用是新能源汽车控制系统的核心其正常运行对于确保整辆汽车的安全性至关重要 恶劣的应用条件、复杂的运行情况、越来越小的尺寸和对高可靠性的需求使得控制器必须拥有出色的散热能力 模块是电机控制器的核心功率部件人们对 模块的散热开展了大量研究工作 文献对目前常见的英飞凌 封装架构做了比较详尽的研究阐述了 芯片设计的连接方法、单个器件的分层封装方式并介绍了 模块的散热原理等为构建 封装模型提供了依据如图 所示图 封装结构与热传递路径文献指出芯片的集成度持续提高芯片的功率密度也不断增加导致单位容量产生较大的输出功率传统的风冷散热方式体积大、散热效果差且 年第 卷第 期设计分析 王国栋等车用双电机控制器的热仿真分析 存在可靠性问题已经满足不了高散热性能的需求文献设计了一种钉柱状散热片分别对比水冷和风冷两种方式散热效果实验结果显示水冷散热方法温度低散热效果更好 文献设计了一种翅柱式散热板与陶瓷基覆铜板(板)和导热涂料粘接通过水冷散热减小 模块和二极管的温度在节省散热空间的基础上有效地降低了接触热阻 文献设计了一种在翅片间添加小散热圆柱的翅柱式散热器经过实验得出结论在生产成本基本不变的情况下散热柱的扰流作用可以使散热效率提高 以上 文献采用一种微槽道水冷散热结构对比分析了 种不同冷却液流量的实验结果发现了雷诺数对散热板最大表面传热系数及平均努塞尔数的影响规律计算流体动力学()是用于解决流体动力学控制问题的一种数值计算方法在流体力学研究中占据着重要的地位 文献 指出 软件 与 都是采用有限元体积法对求解域划分小网格再进行计算并用这两种软件对电子封装 器 件 进 行 了 散 热 仿 真 仿 真 结 果 表 明 划分的卡氏网格求解速度更快划分的非结构网格计算流程稍复杂但是对温度场与速度场的计算结果更加准确 文献建立了一种三维的湍流模型并使用 求解了室内的气固耦合传热问题同时考虑了列车空调送风的方式和速度对车厢温度场和速度场的影响为气流组织优化设计提供了依据 文献建立了顺排结构和插排结构两种水冷散热器模型采用 模拟了大功率 模块的温度场和流场的分布状况为散热器的性能分析和优化设计提供了参考 双电机控制器结构和传热分析 双电机控制器结构双电机控制器的水冷散热器结构如图 所示主要热源为 个 模块均匀分布在控制器两侧的铝基板上 模块的热量通过热传导到铝基板上冷却液在加压后流入散热器与直接接触的铝基板进行对流传热在强制对流的作用下将热量带走图 水冷散热器结构对于铝基板散热柱分别采用圆柱和方柱两种形式如图 所示对比分析其对温度、冷却液流速、压降的影响图 铝基板散热柱形式 传热分析传热方法大致包括 类:热传导、对流换热、辐射换热其中的导热原理根据傅里叶定理可以得出 热传导表达式:()式中:是传递的总热量 是材料导热系数 是与热量传递方向相互垂直的接触面大小为温度 沿 方向的变化率 冷却液与散热板两者进行对流换热相关公式为:()式中:是对流换热量 是对流换热系数 是相互接触的面积 是散热板和冷却液两者的温差 仿真模型搭建过程 几何模型的建立打开 平台使用 的 工具打开双电机控制器模型使用填充工具填充各类螺丝孔用简单的面代替复杂的 和二极管模块消除散热板上一些不影响散热的凹槽抽取冷却液在散热器中的体积在流体出入口处建立圆柱体用于对齐开口和轴流风机 使用 打开修复完毕后的双电机控制器模型在各部分组件简化完毕后将模型导入 在 平台中进行热仿真 网格划分设置网格类型为 以便对元件库中不含有的 器件划分网格 设置背景区域内 个方向、的最大网格元尺寸为 最小间隔为 由于流体的形状较为复杂需要划分非设计分析 年第 卷第 期王国栋等车用双电机控制器的热仿真分析 连续性网格对器件的重要区域加密网格数量、每个方向的最大网格元尺寸为 最小间隔为 最终生成 万个网格且质量良好 求解参数设置勾选流体参数和温度关闭辐射换热选项热模型的流态选择湍流采用双方程模型 在默认设置面板中设置环境温度为 在求解设置的基本设置中设置迭代步长为 步其他参数使用默认设置 热仿真结果分析控制器在额定母线电压下其输出不同电流使控制器工作在不同工况 在某种额定工况下冷却工质为水工质流量为/入口流速为 /入口温度和环境温度均为 位于入口处基板上的 个 模块热耗均为 位于出口处基板上的 个 模块热耗均为 对比分析不同铝基板散热柱形状的热仿真结果 控制器温度云图图 为双电机控制器的整体温度场云图 对于圆柱形散热柱总体最高温度为 最大温升为 从流体入口处开始温度逐渐升高在 模块及其周围的温度较高流体出入口温差为 对于方柱形散热柱最高温度为 温度下降 最大温升为 出入口温度温差为 图 控制器温度云图 温度云图图 为 个 模块的温度云图 每个模块含有多个热源且排列较紧密故位于中间部分的 模块散热效率降低温度较高 流体入口到出口方向 模块温度升高是由于需要冷却的热源增加圆柱形散热柱结构的控制器 最高温度为 方柱形散热柱的控制器 最高温度为 图 温度云图 散热板温度云图图 为放置 的散热板温度云图 散热板在冷却液出口附近的温度为 出口流体温度几乎相同其最大温升约 与 温度最高的部位相符合图 散热板温度云图 流体速度矢量图图 为控制器内部冷却流体的速度矢量图 在圆柱形散热柱中冷却液最大速度为 /在方柱形散热柱中最大速度为 /散热柱的存在可以让流道内的冷却液产生局部加速加强对流传热散热效果更好图 流体速度矢量图 年第 卷第 期设计分析 王国栋等车用双电机控制器的热仿真分析 流道压力云图图 为流道内冷却液的压力分布云图 流道压力呈顺压梯度分布冷却液的流动会使得压力逐渐减小圆柱形散热柱结构中出入口处总压降为 方柱形散热柱结构中出入口总压降为 图 流道压力云图 结 语本文设计了双电机控制器的水冷散热模型采用 软件对其进行了温度场和流场仿真直观地表现了该水冷散热器的温度分布情况和流场分布情况 对比了圆柱形散热柱和方形散热柱对散热效果的影响仿真结果表明圆柱形散热柱结构的控制器 最高温度为 方柱形散热柱的控制器 最高温度为 两者均能满足控制器持续工作时的散热需求 方形散热柱的散热能力更强方形散热柱的扰流作用更强对流换热现象更明显参考文献 王轶闻李军伟.新能源电动汽车的发展现状.科技信息():.李云朱世武吴春冬等.电动汽车电机控制器的发展.大功率变流技术():.李成阳.电动汽车集中功率控制单元热分析与散热研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.:/.:.:/.:./():.(/):.余小玲冯全科冯健美等.高效翅柱复合型散热器的流动与散热性能研究.西安交通大学学报():.张永恒王业峰王良璧.列车牵引变流器水冷散热的实验研究.工程热物理学报():.朱红钩林元华谢龙汉.流体分析及工程仿真.北京:清华大学出版社./:.陈焕新黄素逸张登春.空调列车室内三维紊流流动与传热的数值模拟.华中科技大学学报(自然科学版)():.刘衍平高新霞.大功率散热器内腔流场分析.中国电力教育():.陶文铨.数值传热学.版西安:西安交通大学出版社.作者简介:王国栋()男硕士高级工程师主要从事电子电控、动力标定、混动总成关键技术开发工作微特电机公众号