0 引言
隨著電子器件集成度的增加,控制器內部電子器件布置的密度也在不斷提升,其散熱問題也變得尤為關鍵?控制器散熱系統的結構合理性將會對控制器的壽命和可靠性產生重要影響?電機控制器的發熱主要是由大功率的電力電子器件的損耗所引起的,這些功率元件由于開關和傳導損耗而產生熱量?根據設備的幾何形狀,熱通量可以達到200~300W/cm2?大功率器件自身對溫度的要求也比較嚴格,溫度的起伏會直接影響到大功率器件的整個工作過程,從而影響到電機控制器的工作性能?過高的溫度會縮短控制器的壽命,甚至直接損壞元件?
電機控制器作為純電動汽車的主要動力系統控制部件,要求控制精度高?體積小?工作可靠性高?結構緊湊,因此其內部結構熱設計的合理性尤為重要?通常,電機控制器內部IGBT產生的熱量會由專門設計的散熱結構帶走,許多學者對此進行過一系列的研究?白保東等利用以環境溫度為初始條件的循環迭代算法計算出了IGBT的功耗,并以此為根據設計了冷卻裝置;江超等則通過CFD軟件對電機控制器中IGBT專用的風冷控制器進行了設計;申傳有等使用ICEPAK對散熱器在自然空氣冷卻條件下的散熱性能進行了數值分析?
大多數學者均是針對電機控制器中IGBT的散熱進行研究,但是除IGBT以外其他大功率芯片的發熱往往不被重視?這些芯片發熱量與IGBT發熱量處于同一數量級,但是由于控制器的內部空間?成本等因素而未進行專用的散熱設計,這給控制器的工作穩定性帶來了較大的隱患?本文將通過對控制器內部結構的合理熱設計,在不增加控制器體積和盡可能節約成本的前提下有效降低大功率芯片溫度,提高控制器可靠性,延長控制器的壽命?
1 研究對象與理論模型
1.1研究對象
電機控制器簡化幾何模型如圖1所示?其中,IGBT設置專門液冷散熱系統,經試驗測試滿足設計要求,為了模擬對其他大功率熱源芯片的影響,該設計中IGBT采用導熱性良好的均勻方形體熱源,材料為Al6063?控制板大功率芯片采用方形均勻體熱源,尺寸如表1所示?為了模擬封裝,在元件外部增加PPS材料外罩,元件的發熱功率和熱力學參數由試驗得到;用各向異性材料模擬PCB板;箱體材料采用ADC12?各個材料物性參數詳如表2所示?各個熱源功率如表3所示?
1.2控制方程及邊界條件
假定內部空氣為理想氣體,流動為三維湍流流動,只考慮熱傳導和熱對流,忽略輻射傳熱,控制方程由熱傳導方程和包含了連續性方程?動量方程和附加能量守恒方程的納維斯托克斯方程:
1.3數值仿真結果
應用有限體積法對該封閉空間進行熱-流場穩態仿真,仿真過程中湍流模型選用k-ε模型?采用四面體網格對整個計算區域進行劃分,對控制器進行縱向布置優化?
控制器各部分溫度及內部空氣流動情況如圖2所示?
通過仿真結果發現控制板2?3?4號熱源芯片的溫度過高,為了降低其溫度,通過改變控制器內部縱向布置,控制板支撐的結構以及設置冷端導熱幾種方法對其進行優化?
2 優化方案及討論
2.1改變控制器內部縱向布置
該方案嘗試改變控制板支撐與控制板間的縱向距離從而改變控制板附近的空氣流場,進而影響控制板芯片溫度?控制板位置調整前后如圖3所示?
調整控制板位置后箱體內流場流線圖和芯片周圍溫度分布如圖4所示?
通過仿真結果發現,3?4號芯片溫度略有下降,2號芯片溫度略有升高?通過觀察對比流場可以發現:
(1) 改變縱向布置后原有控制板附近的渦流消失?
(2) 由于2號芯片體積小,流場被其他芯片阻擋,空氣流動條件惡化,故溫度略有升高?
(3)3號芯片體積較大,4號芯片未被阻擋,因此該2個芯片直接參與全局流動,流動條件優于原方案,故溫度略有下降?
(4)因為控制器內空氣流動速度較低,所以整體影響不大?
2.2改變控制板支撐結構
探究該方案對芯片溫度影響過程中,為了節省計算時間,進一步簡化模型,并通過在控制板支撐處打孔來改變其結構,再觀察使用該方案前后溫度數據的對比得出改變控制板支撐結構對整體流場及芯片溫度的影響?打孔位置如圖5所示?
打孔前后仿真結果如圖6所示?
通過對比芯片溫度可知,打孔后熱源芯片溫度均有一定程度的降低,觀察流場的流線圖可知,在支撐板上打孔可改變控制器內的整體流場,由于控制器內空氣屬于自然對流,打孔后有一部分位于下層溫度較低的流動空氣會直接對高溫區進行冷卻,從而降低芯片溫度,從結果上看這種方案有一定的借鑒意義?
2.3設置冷端導熱
圖7設置冷端導熱后控制板熱源芯片的溫度因為控制器箱體與水道屬于一體結構,可在一定程度上避免在熱傳導過程中由于溫差減小造成的導熱速率減緩,所以可將箱體設置為冷端?該方案通過鋁結構將熱源芯片和箱體連接,將箱體作為冷端進行熱傳導,仿真結果如圖7所示?
通過對比可知,設置冷端后熱源芯片溫度大幅下降,3個芯片的最高溫度均不超過360K?使用鋁結構連接熱源芯片,芯片的熱量會直接傳導到箱體,再通過箱體散發出去,降低了散熱過程中的熱阻,提高了散熱效率?
3 結語
本文嘗試通過改變控制器內部縱向布置?控制板支撐的結構以及設置冷端導熱3種方法降低控制板熱源芯片溫度,并進行數值仿真對各方案優化結果進行驗證,驗證結果顯示設置冷端可有效降低目標芯片溫度,在控制板支撐上打孔可在一定程度上降低目標芯片溫度,改變縱向布置對目標芯片溫度基本沒有影響,同時也通過各個方案的流線圖對比得知控制器內的空氣流速較低,通過改變內部流場增強冷卻效果并不顯著?該研究可為電機控制器內部結構的合理熱設計提供一定的理論指導?
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