散热器在电动汽车上的设计.doc

散热器在电动汽车上的设计及改进
2012-03-30　
核心提示：IGBT产生的热量通过热传导的方式由管壳传到散热器，然后通过强迫风冷的方式传到外界环境中去（散热器安装在逆变器的外部）。为减少管壳与散热器之间的热阻，首先要求散热器的安装表面粗糙度达1.6以上
　　2012年3月30日讯
　　1逆变器模块
　　2006年4月我们开发了一款电动汽车用逆变器。一共用了4个IGBT，右边是3个型号为FF1200R17KE3-B2的IGBT，主要功能是逆变（该模块以下简称为逆变模块）；左边是1个型号为FF300R17KE3的IGBT，主要功能是斩波或制动（该模块以下简称为斩波模块）。该逆变器的散热方式为强迫风冷，风机安装在散热器的底部，进风方式为抽风。3个逆变模块为主要工作模块。
　　通过查找IGBT的参数，并经过计算得出：在峰值功率下各逆变模块的发热量为1016W，由于斩波模块的工况比较复杂，估算其发热量为200W，则总功耗为3248W；在额定功率下各逆变模块的发热量为574W，斩波模块的发热量为100W，则总功耗为1822W。
　　　　2散热器热传递的分析
　　IGBT产生的热量通过热传导的方式由管壳传到散热器，然后通过强迫风冷的方式传到外界环境中去（散热器安装在逆变器的外部）。为减少管壳与散热器之间的热阻，首先要求散热器的安装表面粗糙度达1.6以上，其次在管壳的底部均匀涂满导热硅胶或者加垫一层导热系数大而硬度低的纯铜箔或银箔，并用一定的预紧力压紧。
　　　　3散热器的仿真分析
　　计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对含有流体流动和传热等相关物理现象进行的系统分析。CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场，温度场，压力场等，用有限个离散点上的一系列变量值的集合来代替按照一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
　　近年来，随着计算机技术的发展，科研开发周期的缩短，人们广泛应用CFD技术建立各种工业环境流体力学的模型和仿真环境，得出结论，并在原来的基础上进行优化运算，以得出满足要求的最佳方案。ICEPAK软件是专业的电子热分析软件。借助ICEPAK软件的分析和优化结果，用户可以降低设计成本，提高产品的一次成功率，改善电子产品的性能，提高产品可靠性，缩短产品的上市时间。以下均是用ICEPAK软件进行仿真分析的结果。
　　散热器基板的尺寸为680mm×430mm×20mm，翅片的尺寸为390mm×80mm×2mm，翅片的截面为长方形，翅片间距为4mm，逆变模块间的间距为30mm，逆变模块与斩波模块间的间距为20mm，环境温度为20℃，未加说明的冷却风机均采用鼓风方式。以以上散热器的尺寸为原形，在额定工况下（除特别说明外），选择不同的参数对其进行了仿真分析。
　　3.1翅片厚度的选择选择
　　翅片间距为4mm，翅片高度为80mm，翅片厚度为1mm，1.5mm，2mm，2.5mm或3mm（超过3mm风阻太大）。
　　可知，随着散热器翅片厚度的增加，散热能力增强。但是翅片厚度超过2mm后，散热的增幅明显变小，所以选用2mm厚的翅片比较合适。
　　3.2翅片间距的选择
　　选择翅片高度为80mm，翅片厚度为2mm，翅片间距为3mm，4mm，5mm，6mm或7mm.
　　说明翅片间距越小，散热能力越强。由于受工艺条件的限制，目前翅片能加工到的最小间距为4mm，所以选用4mm的翅片间距是合理的。
　　3.3翅片高度的选择
　　选择翅片厚度为2mm，翅片间距为4mm，改变翅片高度，即为90mm，80mm，70mm，60mm或50mm。
　　当翅片高度达到80mm后，温升的幅度很小，再增加高度几乎是无用的，所以翅片高度达80mm为极限高度。此逆变器选择翅片的高度为80mm。
　　3.4基板厚度的选择
　　基板在14～22mm之间，随着基板厚度的增加，垂直于基板方向的热扩散能力增强，使温升逐渐减小，但不同基板厚度之间的温升幅度变化较小，因此选择基板的厚度时，主要是考虑基板的强度。
3.5模块间间距的选择
　　4个模块间的间距分别选择为：30mm，40mm，40mm；20mm，30mm，30mm；10mm，20mm，20mm；5mm，10mm，10mm.对它们进行分析，其前后两者之间的最高温差分别为1.43K，1.45K，2.1K，由此可见，选用间距太宽，对模块的散热没有多少作用，因此选用间距为10mm，20mm，20mm比较合理。
　　考虑到该逆变器结构布置，选用模块间的间距为20mm，30mm，30mm比较合适。
　　3.6对抽风与鼓风的情况进行比较
　　选择翅片间距为4mm，翅片高度为80mm，翅片厚度分别为1mm，2mm或3mm，将鼓风方式改变为抽风方式.可知，风机为鼓风时，翅片越厚，散热效果越好，但为抽风时，翅片达3mm时，风阻明显增大，导致温升比翅片厚度为2mm时要差。
　　因此抽风效果劣于鼓风方式。但由于车上受空间限制，该逆变器采用的是抽风方式。
　　图4为额定工况下，翅片间距为4mm，翅片高度为80mm，翅片厚度为2mm，基板厚度为20mm，各模块间间距分别为20mm，30mm，30mm，采用抽风方式的仿真分析结果。图5为峰值工况下，其余条件与图4相同的仿真分析结果。
　　3.7风机的选择：
　　仿真分析的结果与风机的选型有关。选择风机时，需要考虑的因素很多，诸如空气的流量，风压，风机的效率，空气流动速度，通风系统的阻力特征，环境条件，噪声，体积和重量等等，其中主要参数为风量和风压。
　　经计算该逆变器的总风量要求为2040m3/h（1200CFM），风压为201Pa.我们选型的风机（P22072HBL）的实际工作点的风压能满足要求，风量是通过并联的3台风机来满足要求的。由于翅片间的间距为4mm，翅片高度达80mm，所以要求的风压很高。
　　由于选型风机的风压与风量都留有裕量，故都能满足表2中翅片间距为3mm与表3中翅片高度为90mm的要求。
　　　　4试验情况与结果
　　由此可知，分析结果与试验情况比较接近，说明分析能起到指导设计的作用。
　　该逆变器经过地面考核，装于北京公交公司的无轨电车上。在额定工况下，经过对逆变器的运行情况跟踪，运行正常。
　　　　5结语
　　该逆变器于2006年7月装于北京公交公司的104路无轨电车上试运行，2006年底开始批量生产。此后装有该逆变器的无轨电车在203路和208路线上运行。到目前为止（经历了盛夏的考验），该逆变器运行可靠，未发生过因散热器的温升过高而导致主要器件（如IGBT，电力电容）受损的严重故障。目前以该种逆变器为原型，衍生出许多系列的逆变器，主要用于北理工奥运纯电动车，广州电车以及多种混合动力汽车。