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面向大功率芯片散热的电动汽车电机控制器结构优化

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0  引言

随着电子器件集成度的增加,控制器内部电子器件布置的密度也在不断提升,其散热问题也变得尤为关键。控制器散热系统的结构合理性将会对控制器的寿命和可靠性产生重要影响。电机控制器的发热主要是由大功率的电力电子器件的损耗所引起的,这些功率元件由于开关和传导损耗而产生热量。根据设备的几何形状,热通量可以达到200~300W/cm2。大功率器件自身对温度的要求也比较严格,温度的起伏会直接影响到大功率器件的整个工作过程,从而影响到电机控制器的工作性能。过高的温度会缩短控制器的寿命,甚至直接损坏元件。

电机控制器作为纯电动汽车的主要动力系统控制部件,要求控制精度高、体积小、工作可靠性高、结构紧凑,因此其内部结构热设计的合理性尤为重要。通常,电机控制器内部IGBT产生的热量会由专门设计的散热结构带走,许多学者对此进行过一系列的研究。白保东等利用以环境温度为初始条件的循环迭代算法计算出了IGBT的功耗,并以此为根据设计了冷却装置;江超等则通过CFD软件对电机控制器中IGBT专用的风冷控制器进行了设计;申传有等使用ICEPAK对散热器在自然空气冷却条件下的散热性能进行了数值分析。

大多数学者均是针对电机控制器中IGBT的散热进行研究,但是除IGBT以外其他大功率芯片的发热往往不被重视。这些芯片发热量与IGBT发热量处于同一数量级,但是由于控制器的内部空间、成本等因素而未进行专用的散热设计,这给控制器的工作稳定性带来了较大的隐患。本文将通过对控制器内部结构的合理热设计,在不增加控制器体积和尽可能节约成本的前提下有效降低大功率芯片温度,提高控制器可靠性,延长控制器的寿命。

研究对象与理论模型

1.1研究对象

电机控制器简化几何模型如图1所示。其中,IGBT设置专门液冷散热系统,经试验测试满足设计要求,为了模拟对其他大功率热源芯片的影响,该设计中IGBT采用导热性良好的均匀方形体热源,材料为Al6063。控制板大功率芯片采用方形均匀体热源,尺寸如表1所示。为了模拟封装,在元件外部增加PPS材料外罩,元件的发热功率和热力学参数由试验得到;用各向异性材料模拟PCB;箱体材料采用ADC12。各个材料物性参数详如表2所示。各个热源功率如表3所示。

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1.2控制方程及边界条件

假定内部空气为理想气体,流动为三维湍流流动,只考虑热传导和热对流,忽略辐射传热,控制方程由热传导方程和包含了连续性方程、动量方程和附加能量守恒方程的纳维斯托克斯方程:

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1.3数值仿真结果

应用有限体积法对该封闭空间进行热-流场稳态仿真,仿真过程中湍流模型选用k-ε模型。采用四面体网格对整个计算区域进行划分,对控制器进行纵向布置优化。

控制器各部分温度及内部空气流动情况如图2所示。

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通过仿真结果发现控制板234号热源芯片的温度过高,为了降低其温度,通过改变控制器内部纵向布置,控制板支撑的结构以及设置冷端导热几种方法对其进行优化。

2  优化方案及讨论

2.1改变控制器内部纵向布置

该方案尝试改变控制板支撑与控制板间的纵向距离从而改变控制板附近的空气流场,进而影响控制板芯片温度。控制板位置调整前后如图3所示。

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调整控制板位置后箱体内流场流线图和芯片周围温度分布如图4所示。

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通过仿真结果发现,34号芯片温度略有下降,2号芯片温度略有升高。通过观察对比流场可以发现:

(1) 改变纵向布置后原有控制板附近的涡流消失。

(2) 由于2号芯片体积小,流场被其他芯片阻挡,空气流动条件恶化,故温度略有升高。

(3)3号芯片体积较大,4号芯片未被阻挡,因此该2个芯片直接参与全局流动,流动条件优于原方案,故温度略有下降。

(4)因为控制器内空气流动速度较低,所以整体影响不大。

2.2改变控制板支撑结构

探究该方案对芯片温度影响过程中,为了节省计算时间,进一步简化模型,并通过在控制板支撑处打孔来改变其结构,再观察使用该方案前后温度数据的对比得出改变控制板支撑结构对整体流场及芯片温度的影响。打孔位置如图5所示。

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打孔前后仿真结果如图6所示。

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通过对比芯片温度可知,打孔后热源芯片温度均有一定程度的降低,观察流场的流线图可知,在支撑板上打孔可改变控制器内的整体流场,由于控制器内空气属于自然对流,打孔后有一部分位于下层温度较低的流动空气会直接对高温区进行冷却,从而降低芯片温度,从结果上看这种方案有一定的借鉴意义。

2.3设置冷端导热

7设置冷端导热后控制板热源芯片的温度因为控制器箱体与水道属于一体结构,可在一定程度上避免在热传导过程中由于温差减小造成的导热速率减缓,所以可将箱体设置为冷端。该方案通过铝结构将热源芯片和箱体连接,将箱体作为冷端进行热传导,仿真结果如图7所示。

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通过对比可知,设置冷端后热源芯片温度大幅下降,3个芯片的最高温度均不超过360K。使用铝结构连接热源芯片,芯片的热量会直接传导到箱体,再通过箱体散发出去,降低了散热过程中的热阻,提高了散热效率。

3  结语

本文尝试通过改变控制器内部纵向布置、控制板支撑的结构以及设置冷端导热3种方法降低控制板热源芯片温度,并进行数值仿真对各方案优化结果进行验证,验证结果显示设置冷端可有效降低目标芯片温度,在控制板支撑上打孔可在一定程度上降低目标芯片温度,改变纵向布置对目标芯片温度基本没有影响,同时也通过各个方案的流线图对比得知控制器内的空气流速较低,通过改变内部流场增强冷却效果并不显著。该研究可为电机控制器内部结构的合理热设计提供一定的理论指导。

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