车载控制器密闭机箱的风冷散热设计

引言

目前,新能源汽车以其能耗低、环保的优势成为了各国汽车领域发展的主要方向,车载充电技术是该类汽车的关键。车载控制器是安装于新能源汽车的核心组件之一,通常运行于高低温、涉水、循环震动环境下,为使其在恶劣环境下能够正常工作,需要对机箱采取防水、防尘的密封设计。由于机箱内部为高功耗电子元器件,具有发热量大的特点,单个发热器件的散热效果直接影响着设备的性能及使用寿命,因此,需要对控制器机箱进行合理的散热设计,以延长新能源汽车的安全寿命周期。

1机箱结构

为满足机箱1P67防护等级的要求,同时兼顾内部器件的散热需求,机箱采用外部强迫风冷的密闭式结构形式。机箱结构如图1所示。在机箱底部外壁设计散翅片,并安装防护等级为1P68的轴流风机。机箱内部主要由PCB板及安装于其上的二极管、1GBT、电容、电感等器件组成。对于高发热量的器件如二极管、1GBT,通过具有导热与绝缘作用的氧化铝片将其直接安装在机箱底部内壁上。

图1机箱结构示意图(截面图)

2热设计

根据实际工况,设置机箱运行环境温度为65℃。各功率器件发热损耗如表1所示,经计算机箱内总热损耗为120w。

2.1散热翅片设计

机箱总功耗计算公式为:

式中,P为机箱内的总发热功耗:h为机箱散热表面对流换热系数:A为机箱内热损耗P必需的散热面积:Ths为散热器温度:Ta为流经散热器的空气温度。

上述公式中,机箱内的总发热功耗P=120w:根据实际工程应用经验,散热器与环境温度之间的温差AT(Ths-Ta)通常为15~25℃,本次计算中设置为20℃:根据在强迫风冷中的经验值估算,对流换热系数h=40w/(m2·K)[2-3]。经计算,得到将机箱内发热损耗带走所必需的散热面积A=0.15m2,即机箱底板外壁与散热翅片的面积至少为0.15m2。

机箱散热翅片的设计不仅要考虑发热损耗所必需的散热面积,还需要结合以下原则设计:

(1)合理排布内部器件,尽量做到机箱结构紧凑、外形体积小:

(2)风机位置合理,便于拆装:

(3)翅片分布与翅片间隙合适,以保证风机工作的流动阻力。

结合上述原则,初步设计机箱散热翅片结构与风机位置如图2所示。散热翅片的几何参数为:翅片宽度3mm,高度30mm,翅片间按角度7.5o交错排列于机箱底面外侧壁:经计算,有效散热面积为0.27m2。

2.2风机选型

风机风量与发热损耗的的关系式为:

式中,P为机箱内的总发热功耗:cp为空气比热容:p为空气密度:Qv为将机箱内总发热量带走所需的风机风量:Tin为散热器的进口空气温度:Tout为散热器的出口空气温度。

以上公式中,机箱内的总发热功耗P=120w:取环境温度为65℃时,空气比热容cp=1005J/(kg6K):空气密度p=1.0765kg/m3:根据工程应用设计经验[2,4],拟取进出口空气温差AT(Tout-Tin)为5℃。通过计算,得到所需风机风量Qv=66.7m3/h。取20%作为风机风量设计余量,机箱散热风机的风量应不少于80m3/h,通过软件计算出80m3/h的空气流经机箱散热翅片需要克服的流动阻力约为51Pa。依据上述计算参数,选取轴流风机参数如表2所示。

图2机箱散热翅片结构与风机位置

3仿真分析

3.1仿真模型简化与器件排布

由机箱结构建立散热机箱的仿真计算模型,并对其进行简化。忽略热损耗功率较低的器件,如PCB、电源等。将箱体及其内部器件作为计算模拟区域:将对传热影响较小的结构进行简化,如倒圆角、安装孔、安装螺钉/螺母、密封圈等。将每只功率器件的几何模型简化等效为传热基板、发热芯片、器件封装外壳。功率器件在箱体中的排布如图3所示。

图3功率器件在箱体中的排布示意图

3.2结果与分析

使用Icepak软件对风冷散热机箱进行模拟仿真。在机箱运行环境温度为65℃时,风冷机箱整体温度分布云图如图4所示:机箱中功率器件温度分布云图如图5所示:散热翅片中间截面风速分布如图6所示。

从图4风冷机箱整体温度分布云图可知,空气与散热翅片间进行充分的对流换热,散热翅片温度最高位置在IGBT热源位置处:图5显示,IGBT壳体表面温度最高,不控整流二极管D1壳体表面温度最低,箱体底面温度以IGBT器件为中心呈梯度分布。在图6散热翅片中间截面风速分布云图中没有观察到明显的涡流现象,表明散热翅片分布设计合理。

图4风冷机箱整体温度分布云图

图5机箱中功率器件温度分布云图

图6散热翅片中间截面风速分布云图

机箱内各功率器件仿真分析结果如表3所示。仿真模拟数据结果显示,IGBT器件的结温最高,为90.7℃。二极管器件的结温分布在77~84℃之间。在汽车级功率器件标准中,二极管的正常工作运行结温范围是-40~150℃,IGBT的正常工作运行结温范围是-55~175℃。仿真模拟数据表明,各器件的结温均在其正常工作结温范围内。

4试验测试

结合散热仿真设计结果,根据所设计的散热翅片结构试制成一套车载控制器样机,并对其进行温度测试。试验测试过程中,将保温箱温度作为环境温度设置为65C。在机箱温度平衡后,记录各功率器件的壳温,测试结果如表4所示。

根据表3、表4,将仿真模拟数据与试验测试结果进行对比,仿真模拟得到的温度数据比试验测试结果高,但误差在4~6C范围内。这一方面是由于人为测量过程中存在误差,另一方面是由于在计算和仿真过程中忽略了箱体本身的辐射散热:另外,考虑到实际测试过程中热量损失及理论推导中算法的简化,可以认为试验结果与仿真模拟数据基本吻合。

5结语

为满足车载控制器内功率器件的运行温度要求,本文通过理论计算和仿真模拟对外部强迫风冷的密闭式机箱进行了散热设计。仿真分析结果表明,在高温运行的工况下,各功率器件中1GBT器件的结温最高至85.1℃,1GBT与二极管的结温远远低于功率器件稳定工作结温的最高上限值。同时,选定此散热方案制成机箱进行测试,试验测试结果与仿真模拟数据基本吻合,验证了数值模拟方法的合理性以及所提密闭机箱的风冷散热设计在产品中应用的可行性。通过热仿真软件在产品设计阶段对其进行散热设计与分析,能够缩短产品设计、生产、再设计和再生产的周期,提高产品的一次设计成功率,同时为该类别的密闭机箱设计提供了参考,具有较好的指导意义。