北京科技大学机械工程学院樊百林    张大志

北京科大朗涤环保工程技术有限责任公司  黄钢汉  王彦君

北京科技大学机械工程学院  张沛

 

一、前言

电动汽车的开发研究是解决汽车节能、降低排放的主要新工业新技术，节能环保型、经济实用型、豪华尊贵型的电动汽车具有低污染、零油耗的特点，是缓解石油资源紧缺，价格不断攀升的重要技术手段。

大功率器件IGBT是电动汽车主控系统中非常重要的电器元件，IGBT正常工作时的功率损耗以热量的形式传导和辐射出去，而传导和辐射出去的热量会对其他电子元器件的工作性能与使用寿命造成严重影响，所以大功率器件IGBT需要通过冷却来降低热辐射和热传导。而冷却器件散热性能的好坏直接影响大功率器件IGBT的性能和使用寿命，从而影响电动汽车主控系统的质量、性能和使用寿命，从而影响电动汽车的安全性能。

冷却散热器性能的好坏，不仅体现在它的换热性能上，而且还体现在散热器的压降性能上。因此在设计散热器结构时，在确定最佳流量大小的前提下使散热器不仅结构优化，而且压降性能优化是研究散热器性能指标好坏的主要技术方法，也是研究电动汽车安全性能的主要途径之一。

二、冷却试验系统

电子器件都是对温度敏感的元器件，如果其工作的环境温度特别恶劣，电子元器件的性能将会降低很多，从而影响控制器的工作性能。

要保证电子设备安全可靠地工作，散热器冷却方法的选择直接决定了元器件、仪器、设备等总体设计方案，决定了主控系统的可靠性以及散热器成本等其他一些技术参数的选择。

本课题研究的IGBT冷却散热器采用强制水冷式。散热器的传热过程包括铝基板的导热和二次换热面与流体的对流换热。散热器通过铝基板将产生的热量从上面板热传导传至二次换热面；再通过冷却液与二次换热面的对流换热将热量传导出去达到降低IGBT温度的目的。

散热器水道采用O型密封圈密封，冷却液体加入防冻液。由水箱供给水泵冷却液，冷却液从水泵流出以后通过节流阀的调节作用，再经过玻璃转子流量计调节到所需的实际流量大小；冷却液进入散热器水道之后通过二次换热面与冷却液的对流换热把热量带走，ZRN1151DP电容式差压变送器可以检测散热器入水口与出水口的压力差，玻璃液体温度传感器检测散热器的铝基板上表面、入水口与出水口的温度；从散热器出来的冷却液回到水箱，水箱可以将从出水口出来的流体温度恢复到原来水平，最终可以达到将IGBT产生热量传导出去的目的。

三、散热器针肋结构

如果要有效地控制电子器件工作的环境温度，需要对散热器结构尺寸进行优化设计。散热器内部结构采用针肋式蛇形水道。

增加针肋长度、减小针肋间距可以增强散热器的传热能力，但是随着针肋长度的增加，流体压降就会增大。在水道尺寸一定的前提下，针肋间距减小又限制了针肋直径的变化范围，会引起流体在针肋间的凝滞，从而使边界层厚度增加。

散热器的性能可以通过温度场和流体压降等参数来衡量，如果想要得到较好的流体压降性能，需要对针肋的长度、直径和间距进行优化组合，设计最佳的结构方案和选择最佳的流量大小。

四、流体压降

（一）流体压降分析

流体在流动过程中有的出现回流现象，有的沿着流体流动方向继续前进，流体在针肋间流动过程中不断地冲击肋柱造成压降的损失，针肋之间的间距S，针肋长度l，针肋直径d变化都会造成流体压降的不同，由此可见针肋参数及布置方式会对冷却液的压降造成很大影响。因此研究流体压降具有很重要的意义：模拟不同结构参数下散热器的压降，便于寻求最佳的散热器结构参数；为实际搭建控制器试验台提供具体参数，从而为选择水泵、流量计和溢流阀等提供依据。

 (二）流体物性

针肋式散热器水道设计为将3个水道串联而形成的一个蛇形流道，对流道结构参数进行优化设计；采用正交设计方法，运用Fluent软件，对9种方案进行散热器结构温度场与压降仿真分析。

由于针肋式散热器结构比较复杂，采用四面体网格划分，针肋式散热器的热传导和流动须满足基本控制方程，分别模拟9组针肋散热器的流体压降。

冷却液介质为水，物性参数为等效温度下常量；冷却液在不同结构参数的散热器中，不同的流量大小前提下，流体所处的流动状态不同，流量比较小时为层流状态，随着流量逐渐增大，流动状态变为湍流层，因此流体状态因流体速度不同而不同。

（三）数值模拟

从水道入水口到水道出水口沿着流体流动方向压强逐渐降低，这是由于流道比较长而且是蛇形水道，针肋对流体的阻力逐渐增加造成最终入水口与出水口压降损失比较大。

(四）压降曲线

压降越大则反映针肋对流体的阻力系数越大，针肋对流体的阻碍作用越明显，压降越小则反映针肋对流体的阻力系数越小。流体压降比较大的结构会造成流体速度比较小，单位时间内流体带走的热量较多；流体压降较小的方案，则流体速度比较大，单位时间内带走的热量也比较小，所以选择合适压降曲线对提高散热器散热效率至关重要。

四、结果比较分析与结构产品

（一）正交设计结果分析

本文研究的冷却液流量变化范围为2～20L/min。以流量Q=10L/min作为考查指标来对针肋式散热器的正交设计结果进行分析。

(二）实验测试值与数值模拟分析比较

实验测试值与数值模拟值压降误差率小于7.5%，实验测试值与理论值压降误差率小于5%，说明数值模拟方法具有一定的正确性。

(三）散热器优化结构产品

通过建立的实验冷却系统测试平台，优化结构设计，分析散热器的综合性能，采用方案的结构参数生产了散热器。

本文通过大量实验研究与仿真分析，得出如下结论：

（1）针肋参数及布置方式对冷却液的压降影响很大，在影响流体压降的针肋直径、间距和长度参数中，针肋间距对压降影响最大。其次是直径，影响最小的是针肋长度。

（2）研究9种方案的压降曲线中，方案1、5、6、9曲线的压降既不太大，也不太小，效果最好；有利于散热器综合性能的提高。方案1、5、6、9汽车散热器结构参数本具有一定的使用价值和可行性。

（3）当流体流量Q从2L/min增至20L/min变化时，不同结构参数下的散热器压降也不同，压降值反映了散热器针肋对流体的阻碍作用。

（4）通过实验测试值与数值模拟值误差率的比较，实验测试值与数值模拟值压降误差率小于7.5%，实验测试值与理论值压降值误差率的比较，实验测试值与理论值压降误差率小于5%，说明数值模拟方法具有一定的正确性。证明理论计算的可靠性，模拟仿真方法具有一定的可行性和正确性。