纯电动汽车用液冷板冲击散热性能的模拟分析

张永栋，郑少鹏

（广东交通职业技术学院 汽车与工程机械学院，广东 广州 510640）

随着电动汽车绝缘栅双极晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor, IGBT）模块热功率的不断提升，需要更为强大的散热性能，传统风冷散热无法满足要求，故使用液冷的方法来散热，可以取得更好的效果。水冷系统不仅可以将电子组件的工作温度控制在理想范围内，同时噪音也相对较低。在多种冷却方式中，射流冲击冷却具有良好的表现。本文采用冲击散热的方式对电动汽车电子组件散热性能进行改善，采用数值模拟的方法，对比了传统冷却和冲击冷却的散热性能，同时在维持相同冷板体积，相同热源条件下，提升了整体传热性能。

1 概述

冷散热模块的原型如图1所示，为侧进侧出入出口的设计，底部热源为分布式热源，总发热量为350 W，鳍片为交错特征，如图2所示。通过热传计算式可知，增加热传方法有三种：增加 热传系数、散热面积或增加温度差。原始鳍片（Case1）采用交错特征为热传增强结构的一种，能够增强壁面扰流破坏边界层，使壁面附近流体重新发展，交错特征可使热传效果有相对较明显的提升。因优化设计限定在固定体积内，增大散热面积势必会减少流体通过截面，从而增大压损。为控制压降，使用交错特征鳍片之间距须保持一定大小，造成总散热面积大小之限制。同时，而此冷板操作流量多在4～10 L/min，属低流量情形，由于压降与流速的平方成正比，通过提升流速以提高热传系数的方法亦不可行。而冲击冷却（Case2）可以获得较高的热传系数，同时改变散热器入出口位置，来改善压降并强化传热成为最具可行性的方案之一，如图3所示。

图1 原始散热冷板结构示意图（Case1）

图2 冲击冷却结构示意图（Case2）

图3 交错鳞片结构

研究表明，利用数值模拟方法在较低的资源与时间成本下获得较佳的结果。因此，本计划采用数值仿真方法，分别研究原始交错特征鳍片和冲击散热的散热性能。

2 分析与模拟过程

2.1 研究假设与控制方程

为了能够很好的模拟射流撞击、分离流、二次流和旋流等中等复杂流动，本研究选用RNG-模型，并做出以下假设。

（1）假设流体流动不可压缩，流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略；

（2）忽略重力效应和辐射传热对系统的影响；

（3）流体和固体材料热物理性质是恒定的。

基于以上假设，控制方程描述如下。

用50%乙二醇溶液作为冷却液，连续性方程为

针对此类缺陷改进方案为等型壳焙烧后再插入不同于主体的材料，避免裂解材料随壳体在高温中被氧化。其中铸件上蜡模在需要插入不同材料的部位预先设置了蜡块，等制壳及焙烧完后敲去多出的型壳，再将不同材料插入此部位并用耐火泥堵住后浇注。以双金属连杆为例，敲去两端型壳后的壳体如图12所示，被敲位置用来放置另一种材料。

其中，、分别是流体沿着轴、轴、轴的速度分量。

动量方程为

其中，，分别是冷却液的密度和动力粘度；是流体压力。

流体区域的能力方程

其中，，分别是流体比热和导热系数。

固体、流体区域的能力方程为

其中，、是固体、流体的导热系数。定义为出口边界的温度；、分别是固体和工作流体的平均温度。

其中，为总发热量；为散热器基板总面积。

热阻定义为

其中，为热源平均温度，为入出口截面均温，为输入热通量。

泵浦功率定义为

2.2 模拟边界条件设定

因为铝合金良好的可塑性、轻便性以及50%乙二醇溶液具备良好的抗冻性，所以本文采用铝合金制造散热器，冷却液选取50%乙二醇溶液，具体参数如表1所示。

表1 固体和液体材料物性参数

3 结果讨论与分析

3.1 压降损失

压降损失是评估散热器整体性能的主要指针之一，压降损伤的大小对散热器需要的泵功率有着显著影响，压降越大，散热器的稳定性越差。从图4可以看出，与Case1相比，Case2虽流道中流体转弯数目多，但由于中间有部分挖空，鳍片尺寸减少，整体压降反而变小，随着体积流量的增加，减少的趋势也在变大。这也说明了在引起压降方面，鳍片面积和复杂程度占主要部分。

图4 不同体积流量下的压降损失

3.2 底板温度分布

散热器主要目的之一是降低基板热源上的最高温度，图5展示了两种散热器方案底板的温度分布和热梯度，温度单位为开尔文（K），入口流量为4 L/min。对于两种散热器情况都显示，沿着流动方向，温度逐渐升高，最高温度显示在出口附近，温度差沿流向更大。两种散热器最高温度分布为308.78 K、308.03 K，从图中可以清楚地看到原始散热器方案Case1虽然具有较大的散热面积，但是还是出现了比较高的温度，Case2温度分布相对更加均匀，最高温度要小，显示了冲击散热的良好性能。

图5 两种散热器底板温度分布

3.3 热阻对比分析

散热性能分析中，热阻是关键的参数之一，与电阻类似，它反映阻止热量传递的能力，热阻越小说明散热器散热性能越好。两种散热器泵浦功率和总热阻之关系如图6所示。可以清楚地看到，在所有情况下，较高的泵浦功率产生较低的热阻，在相同的泵浦功率下，所设计的冲击散热器具有较低的热阻。此外，并且在较高的泵浦功率下，这种现象变得更加明显。

图6 两种散热器不同泵功率的热阻变化

4 结论

本文对冲击散热器进行了分析研究，并与传统散热器进行了比较研究，详细讨论两者之间的压降损失、泵功率、基底的热分布。在上述讨论 的基础上，得出以下结论：

（1）冲击散热流体流动垂直与加热面，使得流程与鰭片上的热分布更加协同，从而改善了散热性能。在相同泵功率下，冲击散热器热阻小于传统散热器。

（2）所有方案的底板最高温度都出现在出口位置，冲击散热器底板最高温度低于传统道散热器，同时冲击散热器温度分布要优于传统散热器，平均温度更底。

（3）通过对比相同泵浦功率下的热阻，冲击散热器整体性能进一步提升，在泵浦功率为0.2 W时比传统散热器热阻降低19.5%。