车载三合一辅助控制器热仿真及实验分析

刘永军（厦门市福工动力技术有限公司，福建 厦门　361003）

车载三合一辅助控制器热仿真及实验分析

刘永军
（厦门市福工动力技术有限公司，福建 厦门361003）

依托电动汽车水冷系统开发项目，以一种新型车载三合一辅助控制器的主要发热源IGBT模块及

DC-DC电源为研究对象，根据实际工况设计相应的冷却系统，借助专业热分析软件Icepak，进行车载三合一辅助控制器的热仿真分析，并进行实验验证。

水冷系统；控制器；热仿真；Icepak

随着电动汽车技术的快速发展，系统集成度逐渐提高，新型车载三合一辅助控制器关键模块IGBT及DC-DC电源，由于内部大功率元器件数量的增加，集成化的布置使得单位体积内热流密度不断加大、热功耗升高，在大电流及冷却不足的情况下，导致内部件温升高，容易造成烧毁［1］，影响整车安全及可靠性。

相关文献对电子设备的强制风冷过程进行了模拟分析与实验对比，结果表明模拟结果是可靠的［2］。本文通过ANSYSIcepak软件仿真模拟及实验对比研究［3］，检验所设计的散热结构是否符合整车实际使用需求。同时，建立了设计、仿真、实验相结合的散热系统开发体系，为以后设计及进一步优化控制器的散热系统奠定了一定的基础，具有指导意义。

1　控制器设计要求

采用合理有效的散热设计，控制产品内部元器件的温升，使其工作温度不超过稳定运行时标准及规范所要求的最高温度［4］，以保证产品正常运行，提高可靠性。新型车载三合一辅助控制器即是助力转向、空压机、DC-DC电源集成控制器，其主要热源为IGBT模块（英飞凌FP50R12KT4，其PIGBT功耗=42.7 W）及欣瑞特DC-DC电源模块，其总功耗如表1所示。每个IGBT模块有6个IGBT芯片（每个芯片的功耗为7.13 W）和6个Diode芯片（每个芯片的功耗为2.18 W）。

表1　模块功耗表

由于三合一控制器的集成设计，体积较小，传统风冷无法满足其可靠工作的要求，而强制水冷散热的效率为自然风冷散热的20倍［4］，故采取强制水冷的散热方式。散热系统包括散热板及冷却水道两部分。散热板吸收IGBT模块及DC-DC电源模块所产生的的热量，通过水道内的冷却介质流动带走热量，如此往复，进行换热循环。

IGBT模块及DC-DC电源本身有其可容许的最大结温（Tj），设计时需要控制其不超过此温度［5］，所设计的散热板结构必须保证IGBT及DC-DC电源模块运行时其内部结温处在允许范围之内，并尽可能低，保证余量。模块温升要求如表2所示。

表2　模块温升要求

2　散热系统特性参数确定

为提高散热性能、加强系统的稳定性及可靠性，通常采用50%乙二醇水溶液作为水道内的冷却介质。根据IGBT模块和DC-DC电源模块发热量计算冷却介质的流量及流速。

2.1冷却介质流量计算

根据电子设备热设计方法［6］，假定散热板进口水溶液温度Tin=45℃，出口水溶液温度Tout=50℃；则水溶液定性温度：

47.5℃时50%乙二醇水溶液的物性参数如表3所示。

表3　47.5℃时50%乙二醇水溶液的物性参数

则所需要的50%乙二醇水溶液的流量［7］：

即水溶液的流量约为1 L/min。

2.2入口流速计算

水道直径d=10 mm，流道中心距离70 mm。

口流速为0.21 m/s。

3　仿真分析及实验对比

3.1仿真模型的建立

本文使用有限体积方法，即将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。研究对象是水冷单元，该单元包括水冷板和水冷流道、IGBT模块和DC-DC电源模块。水冷板尺寸为203 mm×309 mm×20 mm，IGBT和DC-DC电源分别布置在散热板的两侧［8］，水冷板具体布置见图1。

图1 水冷板流道模型

边界条件的设定如下：根据IGBT模块功耗和DC-DC电源模块功耗计算所需流量，冷却介质为50%乙二醇水溶液，设定进水流速为0.21 m/s，出水为自由流速［9］。

3.2仿真结果分析

对ANSYSIcepak进行仿真［10］。图2为水冷板中冷却介质50%乙二醇水溶液的流动轨迹，可以看出，在流道中冷却介质的流速在逐渐增加。图3为水冷板流道内流体的温度云图，可以看出，在热源集中的地方（同时覆盖IGBT和DC-DC电源模块的水冷板部分区域）流体温度明显高于其他地方，在热源不集中的地方，整个流道内流体的温度分布比较均匀，避免了水冷板部分区域集中过热的现象。

图2　水冷板流道流动轨迹图

图3　水冷板流道内流体温度云图

图4为水冷板温度云图（DC-DC电源侧），可以看出，由于DC-DC电源的发热区域较大，整体温度分布比较均匀；图5为水冷板温度云图（IGBT模块侧），可以看出，由于对IGBT模块进行了精细建模（精确到芯片级），可以清楚看出芯片最下方水冷板上的温度分布，此时水冷板上温度最高区域集中在芯片的最下方，最高温度65.08℃，这个温度也是以后计算芯片结温的重要参数。

图4　水冷板温度云图（DC-DC电源侧）

图5　水冷板温度云图（IGBT模块侧）

图6为水冷板流道内流体的压力分布云图，可以看出，本文选取的进水流速v=0.21 m/s，造成的流道阻力为250 Pa，一般水泵完全可以满足。该进水流速既可以满足散热要求，也可以减少水泵成本。

图6　流道内流体压力云图

3.3逆变模块IGBT工作结温计算

IGBT模块（英飞凌FP50R12KT4）热阻值如表4所示。

表4　IGBT模块热阻值

根据上表数据，计算IGBT的结壳温差：

在设备运行环境温度下，IGBT芯片平均结温：

3.4实验研究

实验是对辅助控制器整体设计合理程度的综合评估。利用IGBT模块及DC-DC模块附件预埋的两个温度传感器，提高热电偶法测量温度。在环境温度45℃下，在规定电源电压范围内，按照最小电压、额定电压、最大电压取三组电压，以适配电机为负载，输出100%额定电流（或110%额定有功功率）、额定电压、频率的条件下工作运行2.5 h后温度基本不变，可认为达到热平衡。实验共进行两次，具体实验数据及仿真数据见表5。

表5　实验及仿真温度　℃

结果表明，ANSYSIcepak软件仿真与实验温升测试结果值相差不多，偏差在2℃范围内［11］，内部关键元器件均符合其温升规定且与最高温度值相差较多，满足GJB/-Z35-93温升要求。这说明，用软件进行的稳态仿真结果与实际工况测试结果吻合，方法合理可靠，结果可信。在以后的开发或者产品改进升级实验当中，为节省开发实验成本，提升产品研发速度，保证产品质量，在某些情况下，可用模拟仿真代替繁杂的实验进行散热器结构设计优化。

4　结束语

本文基于ANSYS Icepak分析软件及相关标准要求，对车载三合一辅助控制器电源模块进行了三维温度场及流场的仿真分析，直观真实地展现了电源模块的温度分布情况和流场分布情况，并得到了实验验证，为产品的散热形式及散热结构选择做出有利的导向。本车载三合一辅助控制器已经进行了小批量试制，并已上线运行，产品运行温度得到有效控制，性能优越。

［1］Younes Shabany.电力电子器件热管理［M］.北京：机械工业出版社.2013.

［2］周敏，吴淑泉.电子设备强迫风冷设计的计算机仿真［J］.计算机工程，2003，29（9）：171-172.

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［7］陶文栓.传热学［M］.西安：西北工业大学出版社，2006.

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［10］赵卫健.纯电动汽车电机控制器的热仿真与热分析［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［11］王淑旺，赵卫健，唐志国，等.纯电动汽车水冷电机控制器的热仿真和热分析［J］.微特电机，2013，41（9）：11-13.

修改稿日期：2016-04-25

Thermal Simulation and Test Analysis of Trinity Auxiliary Controller for Electric Vehicle on Board

Liu Yongjun
（Xiamen FuGongEVTech Co.，Ltd，Xiamen 361003，China）

Based on the development project of electric vehicle water cooling system，the authors take the main heating source of a new type of vehicular trinity auxiliary controller，including IGBT module and DC-DC power supply，as the research object，design the corresponding cooling system according to the actual working conditions，and carry out the thermal simulation analysis and test validation of the vehicular trinity auxiliary controller by the professional thermal analysis software Icepak.

coolingsystem；controller；thermal simulation；Icepak

U464.138

A

1006-3331（2016）04-0016-04

刘永军（1988-），男，应用工程师；主要从事电机及其控制器系统冷却及储能应用的研究工作。