車載控制器密閉機箱的風(fēng)冷散熱設(shè)計

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(lǐng)域發(fā)展的主要方向,車載充電技術(shù)是該類汽車的關(guān)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(shè)計。由于機箱內(nèi)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(shè)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(shè)計,以延長新能源汽車的安全壽命周期。

1機箱結(jié)構(gòu)

為滿足機箱1P67防護等級的要求,同時兼顧內(nèi)部器件的散熱需求,機箱采用外部強迫風(fēng)冷的密閉式結(jié)構(gòu)形式。機箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。在機箱底部外壁設(shè)計散翅片,并安裝防護等級為1P68的軸流風(fēng)機。機箱內(nèi)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(dǎo)熱與絕緣作用的氧化鋁片將其直接安裝在機箱底部內(nèi)壁上。

圖1機箱結(jié)構(gòu)示意圖(截面圖)

2熱設(shè)計

根據(jù)實際工況,設(shè)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(jīng)計算機箱內(nèi)總熱損耗為120w。

2.1散熱翅片設(shè)計

機箱總功耗計算公式為:

式中,P為機箱內(nèi)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(nèi)熱損耗P必需的散熱面積:Ths為散熱器溫度:Ta為流經(jīng)散熱器的空氣溫度。

上述公式中,機箱內(nèi)的總發(fā)熱功耗P=120w:根據(jù)實際工程應(yīng)用經(jīng)驗,散熱器與環(huán)境溫度之間的溫差A(yù)T(Ths-Ta)通常為15~25℃,本次計算中設(shè)置為20℃:根據(jù)在強迫風(fēng)冷中的經(jīng)驗值估算,對流換熱系數(shù)h=40w/(m2·K)[2-3]。經(jīng)計算,得到將機箱內(nèi)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(shè)計不僅要考慮發(fā)熱損耗所必需的散熱面積,還需要結(jié)合以下原則設(shè)計:

(1)合理排布內(nèi)部器件,盡量做到機箱結(jié)構(gòu)緊湊、外形體積小:

(2)風(fēng)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(fēng)機工作的流動阻力。

結(jié)合上述原則,初步設(shè)計機箱散熱翅片結(jié)構(gòu)與風(fēng)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(cè)壁:經(jīng)計算,有效散熱面積為0.27m2。

2.2風(fēng)機選型

風(fēng)機風(fēng)量與發(fā)熱損耗的的關(guān)系式為:

式中,P為機箱內(nèi)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(nèi)總發(fā)熱量帶走所需的風(fēng)機風(fēng)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(nèi)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(yīng)用設(shè)計經(jīng)驗[2,4],擬取進出口空氣溫差A(yù)T(Tout-Tin)為5℃。通過計算,得到所需風(fēng)機風(fēng)量Qv=66.7m3/h。取20%作為風(fēng)機風(fēng)量設(shè)計余量,機箱散熱風(fēng)機的風(fēng)量應(yīng)不少于80m3/h,通過軟件計算出80m3/h的空氣流經(jīng)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(fēng)機參數(shù)如表2所示。

圖2機箱散熱翅片結(jié)構(gòu)與風(fēng)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(jié)構(gòu)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(nèi)部器件作為計算模擬區(qū)域:將對傳熱影響較小的結(jié)構(gòu)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(jié)果與分析

使用Icepak軟件對風(fēng)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(fēng)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(fēng)速分布如圖6所示。

從圖4風(fēng)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(fēng)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(shè)計合理。

圖4風(fēng)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(fēng)速分布云圖

機箱內(nèi)各功率器件仿真分析結(jié)果如表3所示。仿真模擬數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,IGBT器件的結(jié)溫最高,為90.7℃。二極管器件的結(jié)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(jié)溫范圍是-40~150℃,IGBT的正常工作運行結(jié)溫范圍是-55~175℃。仿真模擬數(shù)據(jù)表明,各器件的結(jié)溫均在其正常工作結(jié)溫范圍內(nèi)。

4試驗測試

結(jié)合散熱仿真設(shè)計結(jié)果,根據(jù)所設(shè)計的散熱翅片結(jié)構(gòu)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(shè)置為65C。在機箱溫度平衡后,記錄各功率器件的殼溫,測試結(jié)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(jié)果進行對比,仿真模擬得到的溫度數(shù)據(jù)比試驗測試結(jié)果高,但誤差在4~6C范圍內(nèi)。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(dǎo)中算法的簡化,可以認為試驗結(jié)果與仿真模擬數(shù)據(jù)基本吻合。

5結(jié)語

為滿足車載控制器內(nèi)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(fēng)冷的密閉式機箱進行了散熱設(shè)計。仿真分析結(jié)果表明,在高溫運行的工況下,各功率器件中1GBT器件的結(jié)溫最高至85.1℃,1GBT與二極管的結(jié)溫遠遠低于功率器件穩(wěn)定工作結(jié)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(jié)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(fēng)冷散熱設(shè)計在產(chǎn)品中應(yīng)用的可行性。通過熱仿真軟件在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進行散熱設(shè)計與分析,能夠縮短產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、再設(shè)計和再生產(chǎn)的周期,提高產(chǎn)品的一次設(shè)計成功率,同時為該類別的密閉機箱設(shè)計提供了參考,具有較好的指導(dǎo)意義。