引言

目前,新能源汽車以其能耗低、環(huán)保的優(yōu)勢成為了各國汽車領域發(fā)展的主要方向,車載充電技術是該類汽車的關鍵。車載控制器是安裝于新能源汽車的核心組件之一,通常運行于高低溫、涉水、循環(huán)震動環(huán)境下,為使其在惡劣環(huán)境下能夠正常工作,需要對機箱采取防水、防塵的密封設計。由于機箱內部為高功耗電子元器件,具有發(fā)熱量大的特點,單個發(fā)熱器件的散熱效果直接影響著設備的性能及使用壽命,因此,需要對控制器機箱進行合理的散熱設計,以延長新能源汽車的安全壽命周期。

1機箱結構

為滿足機箱1P67防護等級的要求,同時兼顧內部器件的散熱需求,機箱采用外部強迫風冷的密閉式結構形式。機箱結構如圖1所示。在機箱底部外壁設計散翅片,并安裝防護等級為1P68的軸流風機。機箱內部主要由PCB板及安裝于其上的二極管、1GBT、電容、電感等器件組成。對于高發(fā)熱量的器件如二極管、1GBT,通過具有導熱與絕緣作用的氧化鋁片將其直接安裝在機箱底部內壁上。

圖1機箱結構示意圖(截面圖)

2熱設計

根據(jù)實際工況,設置機箱運行環(huán)境溫度為65℃。各功率器件發(fā)熱損耗如表1所示,經計算機箱內總熱損耗為120w。

2.1散熱翅片設計

機箱總功耗計算公式為:

式中,P為機箱內的總發(fā)熱功耗:h為機箱散熱表面對流換熱系數(shù):A為機箱內熱損耗P必需的散熱面積:Ths為散熱器溫度:Ta為流經散熱器的空氣溫度。

上述公式中,機箱內的總發(fā)熱功耗P=120w:根據(jù)實際工程應用經驗,散熱器與環(huán)境溫度之間的溫差AT(Ths-Ta)通常為15~25℃,本次計算中設置為20℃:根據(jù)在強迫風冷中的經驗值估算,對流換熱系數(shù)h=40w/(m2·K)[2-3]。經計算,得到將機箱內發(fā)熱損耗帶走所必需的散熱面積A=0.15m2,即機箱底板外壁與散熱翅片的面積至少為0.15m2。

機箱散熱翅片的設計不僅要考慮發(fā)熱損耗所必需的散熱面積,還需要結合以下原則設計:

(1)合理排布內部器件,盡量做到機箱結構緊湊、外形體積小:

(2)風機位置合理,便于拆裝:

(3)翅片分布與翅片間隙合適,以保證風機工作的流動阻力。

結合上述原則,初步設計機箱散熱翅片結構與風機位置如圖2所示。散熱翅片的幾何參數(shù)為:翅片寬度3mm,高度30mm,翅片間按角度7.5o交錯排列于機箱底面外側壁:經計算,有效散熱面積為0.27m2。

2.2風機選型

風機風量與發(fā)熱損耗的的關系式為:

式中,P為機箱內的總發(fā)熱功耗:cp為空氣比熱容:p為空氣密度:Qv為將機箱內總發(fā)熱量帶走所需的風機風量:Tin為散熱器的進口空氣溫度:Tout為散熱器的出口空氣溫度。

以上公式中,機箱內的總發(fā)熱功耗P=120w:取環(huán)境溫度為65℃時,空氣比熱容cp=1005J/(kg6K):空氣密度p=1.0765kg/m3:根據(jù)工程應用設計經驗[2,4],擬取進出口空氣溫差AT(Tout-Tin)為5℃。通過計算,得到所需風機風量Qv=66.7m3/h。取20%作為風機風量設計余量,機箱散熱風機的風量應不少于80m3/h,通過軟件計算出80m3/h的空氣流經機箱散熱翅片需要克服的流動阻力約為51Pa。依據(jù)上述計算參數(shù),選取軸流風機參數(shù)如表2所示。

圖2機箱散熱翅片結構與風機位置

3仿真分析

3.1仿真模型簡化與器件排布

由機箱結構建立散熱機箱的仿真計算模型,并對其進行簡化。忽略熱損耗功率較低的器件,如PCB、電源等。將箱體及其內部器件作為計算模擬區(qū)域:將對傳熱影響較小的結構進行簡化,如倒圓角、安裝孔、安裝螺釘/螺母、密封圈等。將每只功率器件的幾何模型簡化等效為傳熱基板、發(fā)熱芯片、器件封裝外殼。功率器件在箱體中的排布如圖3所示。

圖3功率器件在箱體中的排布示意圖

3.2結果與分析

使用Icepak軟件對風冷散熱機箱進行模擬仿真。在機箱運行環(huán)境溫度為65℃時,風冷機箱整體溫度分布云圖如圖4所示:機箱中功率器件溫度分布云圖如圖5所示:散熱翅片中間截面風速分布如圖6所示。

從圖4風冷機箱整體溫度分布云圖可知,空氣與散熱翅片間進行充分的對流換熱,散熱翅片溫度最高位置在IGBT熱源位置處:圖5顯示,IGBT殼體表面溫度最高,不控整流二極管D1殼體表面溫度最低,箱體底面溫度以IGBT器件為中心呈梯度分布。在圖6散熱翅片中間截面風速分布云圖中沒有觀察到明顯的渦流現(xiàn)象,表明散熱翅片分布設計合理。

圖4風冷機箱整體溫度分布云圖

圖5機箱中功率器件溫度分布云圖

圖6散熱翅片中間截面風速分布云圖

機箱內各功率器件仿真分析結果如表3所示。仿真模擬數(shù)據(jù)結果顯示,IGBT器件的結溫最高,為90.7℃。二極管器件的結溫分布在77~84℃之間。在汽車級功率器件標準中,二極管的正常工作運行結溫范圍是-40~150℃,IGBT的正常工作運行結溫范圍是-55~175℃。仿真模擬數(shù)據(jù)表明,各器件的結溫均在其正常工作結溫范圍內。

4試驗測試

結合散熱仿真設計結果,根據(jù)所設計的散熱翅片結構試制成一套車載控制器樣機,并對其進行溫度測試。試驗測試過程中,將保溫箱溫度作為環(huán)境溫度設置為65C。在機箱溫度平衡后,記錄各功率器件的殼溫,測試結果如表4所示。

根據(jù)表3、表4,將仿真模擬數(shù)據(jù)與試驗測試結果進行對比,仿真模擬得到的溫度數(shù)據(jù)比試驗測試結果高,但誤差在4~6C范圍內。這一方面是由于人為測量過程中存在誤差,另一方面是由于在計算和仿真過程中忽略了箱體本身的輻射散熱:另外,考慮到實際測試過程中熱量損失及理論推導中算法的簡化,可以認為試驗結果與仿真模擬數(shù)據(jù)基本吻合。

5結語

為滿足車載控制器內功率器件的運行溫度要求,本文通過理論計算和仿真模擬對外部強迫風冷的密閉式機箱進行了散熱設計。仿真分析結果表明,在高溫運行的工況下,各功率器件中1GBT器件的結溫最高至85.1℃,1GBT與二極管的結溫遠遠低于功率器件穩(wěn)定工作結溫的最高上限值。同時,選定此散熱方案制成機箱進行測試,試驗測試結果與仿真模擬數(shù)據(jù)基本吻合,驗證了數(shù)值模擬方法的合理性以及所提密閉機箱的風冷散熱設計在產品中應用的可行性。通過熱仿真軟件在產品設計階段對其進行散熱設計與分析,能夠縮短產品設計、生產、再設計和再生產的周期,提高產品的一次設計成功率,同時為該類別的密閉機箱設計提供了參考,具有較好的指導意義。