控制器热仿真分析与试验研究

章国光，郭军朝, 金万虎, 王希诚

(东风汽车公司 技术中心, 湖北 武汉 430058)



控制器热仿真分析与试验研究

章国光，郭军朝, 金万虎, 王希诚

(东风汽车公司 技术中心, 湖北 武汉 430058)

运用计算流体力学技术对某车型电机集成控制器的流阻进行了仿真分析，并与流阻试验数据进行了比较，符合设计要求，证实运用仿真技术分析冷却水套流阻和内部流场的方法可行。从传热角度仿真分析了集成式控制器的温度场，提取了控制器铝基板、绝缘栅双极型晶体管IGBT、冷却水的温度，并与试验进行比较。

控制器； 绝缘栅双极型晶体管； 流阻； 温度； 热仿真

0 引 言

在新能源汽车电机和控制器的开发中，会涉及到电机和控制器的冷却问题。因为电机、控制器及充电器等系统或部件在工作过程中会产生大量的热，若这些热量不能及时被冷却介质带走，则电机和控制器的效率或性能会降低。因此，对纯电动汽车电机或者控制器的有效冷却是产品开发过程中必须考虑的问题。运用Flotherm热分析软件对风冷式电子控制电动式动力转向系统(Electric Power Steering System, EPS)控制器的各种结构参数及负载条件下的稳态和动态温升进行仿真分析和试验验证。运用Fluent对电动汽车某新型电机控制器绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)模块进行三维温度场和流场的仿真，并通过仿真和试验验证了该控制器散热结构的散热效果。了解并验证在恶劣工作环境下IGBT的结温,对并联运行的IGBT的散热系统进行了适当的模型简化,基于有限元软件ANSYS的模拟计算,求解其散热系统的温度场分布。实际应用过程中大功率器件IGBT可能因其产生大量的热量而损坏，计算出最大的散热器与环境之间的热阻，设计出适用的散热器，把热量传导到外部环境，确保大功率器件安全可靠工作。针对大功率元件IGBT的散热状况，通过理论分析和试验研究相结合的方法，应用有限元软件对其水冷散热器的流场进行系统的有限元分析。针对水冷式电机散热肋的冷却性能，从试验和仿真两个角度进行了研究[6-7]。

本文针对电机控制器的流阻进行了仿真分析，并与室温下控制器的流阻试验数据进行了比较，两者误差在5%以内，验证了本文所述仿真分析方法的正确性。同时，通过开展控制器的温度场仿真分析，提取了控制铝基板、IGBT、水路的温度分布数据，并与相关的试验结果进行比较。

1 电机控制器结构

本文所述纯电动汽车永磁同步电机控制器集成了电机控制器、车载充电机、DC/DC变换的功能，可以配合整车实现电机驱动系统控制、8小时慢速充电以及提供系统所需的低压电源等诸多功能。纯电动汽车集成式电机控制器的电气结构示意图如图1所示，左侧是控制器，右侧是车载充电机、DC/DC转换器。

图1 集成式电机控制器电气结构示意图

集成式电机控制器内主要功率器件简化布局如图2所示，主要由端部MOS管、整流桥、端部变压器、中间变压器、MOS管、IGBT构成。

图2 电机控制器内部功率器件简化布局

本文所述控制器壳体及功率器件参数如表1所示。

表1 控制器壳体与功率器件材料特性参数

2 控制器冷态流阻仿真与试验

2.1 流阻分析建模

本文对电机集成控制器导热基板进行几何清理后，得到冷却液所经过的流道。散热基板装配模型、散热基板及冷却液流道分别如图3(a)、3(b)、3(c)所示。

图3 集成式控制器铝基板结构

2.2 IGBT散热肋不同设计方案

在IGBT功耗和DC/DC功耗不变前提下，对IGBT散热肋开展两方案下流阻效果的比较分析工作。本文中IGBT散热肋径向截面形状有圆柱形散热肋和四棱柱形散热肋，分别如图4(a)、图4(b)所示。

图4 IGBT散热肋断面形状方案

2.3 流阻仿真与试验比较

为了测试控制器冷却水套的流阻，针对IGBT圆柱状散热肋方案，开展了控制器流阻试验，如图5所示。

图5 控制器流阻试验

针对控制器的流阻进行了多流量下的试验和仿真比较，数据如表2所示。

表2 水套流阻仿真与试验值比较

2.4 整体涡流分析

为直观显示冷却水套内部的流线，整体提取水套内部冷却液的速度流线如图6所示。

提取IGBT冷却区域上游、下游的流场，分别如图7(a)、图7(b)所示，涡流区域明显，建议将IGBT水道入口、出口处的台阶改为斜坡加圆角方式过渡，以便于减少流动阻力。

图6 冷却水套内主流区域速度流线图

图7 IGBT流体域上下游流线

2.5 局部流体域切片速度场仿真分析

为了弥补流阻试验不能观察水套内的涡流，本文对水套内局部流场进行了可视化分析，尤其关注了高功耗区域IGBT散热肋周围的速度场，并进行切片分析。水套入口流量12L/min时，IGBT圆柱形肋、四棱形肋周围的流场切片，分别如图8(a)和图8(b)所示。

图8 IGBT散热肋周围流场切片分析

列表分析IGBT两种散热肋方案的流场、散热特性数据如表3所示，IGBT圆柱形方案散热肋更利于降低流阻。

表3 IGBT不同散热肋方案同一切片位置流场分析

3 控制器热态仿真分析

3.1 控制器内功率器件

分析集成式电机控制器流阻试验与仿真之后，本文从传热角度开展了集成式电机控制器的散热分析。本文所述集成式电机控制器实物如图9所示。

图9 集成式电机控制器实物

集成式电机控制器的主要功率器件的说明如图2所示，对应具体功耗数值如表4所示。

表4 控制器功率器件与功耗

3.2 控制器部件温度分布云图

引用等效体积热载荷仿真计算方法，本文以等效局部载荷为热边界进行仿真分析。12L/min流量时，仿真分析并提取控制器各主要部件的温度。控制器铝基板功率器件热源侧的温度分布、水路一侧温度分布、IGBT圆柱形散热肋温度分布、IGBT四棱柱形散热肋温度分布分别如图10(a)～图10(d)所示。

图10 IGBT铝基板与散热肋温度分布

3.3 IGBT散热肋切片温度场分布

为详细比较IGBT散热肋的温度分布特性，对圆柱形、四棱柱形两种方案的同一截面位置进行温度分布的比较。两方案的温度分布云图分别如图11(a)和图11(b)所示。

图11 IGBT散热肋内部切片温度分布

分析并比较IGBT散热肋两种方案同一位置切片的平均温度分布和水套进出口的温升，统计如表5所示。圆柱形散热肋的切片温度为33.43℃，四棱柱形散热肋的切片温度为34.97℃，前者相对后者降低了4.6%。分析进出水口的温差，圆柱形散热肋相对四棱柱形散热肋，温差提高了3.7%。

表5 IGBT不同散热肋方案同一位置切片散热参数分析

3.4 控制器热试验

为了验证电机控制器冷却性能，并验证控制器冷却的仿真数据，开展了控制器冷却性能台架试验，如图12所示，由电机、集成式控制器及冷却系统构成。

图12 电机与控制器台架试验

控制器试验时，电机的转速为4000r/min，扭矩为73.6N·m，功率为30.5kW，水泵的占空比为60%，水泵电机电压为12V，电流为4.89A，此时水流量为12L/min。

分析图13试验数据流量为12L/min时，电机在运行时控制器的热平衡温度为61℃，此时冷却水的进水温度为47.7℃，没有达到电机及控制器的温度保护值。因此，当水泵的流量达到一定值后，控制器的温度不会急剧上升。控制器温度仿真和试验两者数据的上升趋势、达到热平衡时间、热平衡温度关联性一致。

图13 电机控制器本体温度仿真与试验数据比较

4 控制器水路密闭性试验

控制器水路密闭性试验包括气密性和水密性试验。为确保液冷式控制器冷却水路的气密性，在试验室开展气压为200kPa的试验，如图14所示。试验结果证实气密性、水密性均满足设计要求。

图14 集成式电机控制器水套密闭性试验

5 结 语

(1) 本文控制器冷却水路流阻的仿真值和试验值比较接近，误差约5%。

(2) 分析控制器铝基板的温度分布，热功耗器件——变压器对应的区域是高温区域。分析IGBT散热肋方案的整体温度分布和肋切片温度分布，圆柱形散热肋周围冷却液的流阻小、流速高，从而使得圆柱形散热肋较四棱柱形散热肋利于IGBT的散热。

(3) 控制器散热基板进行流阻试验时不能对内部主流区域进行可视化，通过仿真分析可以对水套内部流场进行可视化，弥补了试验方法的不足。

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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

章国光(1964—) ，男，博士研究生，研究员级高工，研究方向为新能源动力总成、电驱动系统与控制。 郭军朝(1980—) ，男，硕士研究生， 高级工程师，研究方向为汽车整车流场与热管理、汽车计算电磁学与仿真研究。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)11- 0034- 05

2016-04-07