某汽油機電子水泵的散熱分析與研究

唐寧

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200210)

0 引言

電子設備的散熱性能是其整體性能的一項重要指標，為了更好指導散熱設計，需對電子設備的散熱分析技術進行深入研究。目前，通過數(shù)值模擬技術對電子設備進行散熱分析已經(jīng)成為電子設備散熱設計的關鍵步驟。與傳統(tǒng)的熱分析方法相比較，數(shù)值模擬技術通過可視化圖形直觀的分析出不同散熱設計方法的散熱效果，可有效指導設計，極大縮短設計時間，降低設計成本，避免設計風險并提高產(chǎn)品的一次成功率[1]。據(jù)統(tǒng)計，55%的電子設備失效是由溫度過高引起的[2]。隨著溫度升高，組件故障率呈指數(shù)增長[3]。研究表明：超過其標稱可承受最高溫度后，半導體元件溫度升高10℃，其可靠性降低50%[4]；對于電子設備而言，溫度每降低1℃，故障率可下降4%[5]?；谶@種情況，國內(nèi)外研究人員對電子設備散熱設計進行了深入研究。劉維紅和李丹對印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)板級散熱結(jié)構(gòu)中過孔和散熱翅片的影響[6]，但未對產(chǎn)熱機理做相應的推導。劉永軍分析了車輛三合一輔助控制器中的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模塊和直流電壓變換電源[7]，但模型相對簡單。李曉藝等人設計了互逆軸向雙水道液冷散熱結(jié)構(gòu)降低電機溫度[8]。電子水泵作為汽車熱管理系統(tǒng)的重要部件，其作用是根據(jù)散熱需求保證熱管理系統(tǒng)中液體正常流動，及時與發(fā)動機或電池包進行熱量交換，保證其工作在正常溫度[9]。電子水泵在實現(xiàn)基本性能的同時其自身散熱設計也是一項難點，電子水泵主要由控制器、電機本體和水力系統(tǒng)組成，水力系統(tǒng)的損耗較小，可忽略不計。電子水泵受安裝位置限制，其體積較小，電機本體的體積也較小，功率密度高，當內(nèi)部溫升過高時將影響電機的性能[10]。但電機本體部件的耐溫性較好，允許的最高溫度較高，當前電機耐溫性能設計較成熟，一般不會因溫度較高損壞電機，所以對于電子水泵而言其散熱性能是否可滿足設計要求主要取決于控制器的散熱性能?？刂破髦饕糜隍?qū)動電機運行，由多種功率器件組成，其自身發(fā)熱嚴重，由于發(fā)動機艙和電池艙的容積有限，不能用附加散熱翅片的方式對水泵進行散熱。

基于以上情況，本文對某汽油機電子水泵控制器中主要發(fā)熱器件的損耗進行分析。通過仿真分析的方法驗證電子水泵內(nèi)部冷卻液流道散熱設計方案的可行性。

1 電子水泵控制器主要發(fā)熱器件損耗分析

電子水泵控制器中主要發(fā)熱器件主要為半場效晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)、采樣電阻、功率電感和電解電容。進行散熱仿真前需準確地分析和計算上述主要發(fā)熱器件的損耗量，基于此，本節(jié)將詳細研究以上器件的主要損耗和損耗計算方法。

對于MOSFET而言，其損耗主要分為開關損耗和導通損耗。下文將根據(jù)MOSFET的工作特性計算其損耗值。

圖1、圖2分別為MOSFET開通和關斷過程中電壓和電流波形示意圖。開通時電流從0上升到Ip1的過程與電壓Vds-0下降的過程同時發(fā)生。關斷時電壓0-Vds的上升過程與Ip2-0的電流下降同時發(fā)生。開通過程中電流Ip(t)可通過式(1)表示。

圖1 MOS管開啟過程示意圖

圖2 MOS管關斷過程示意圖

(1)

式中，A為電流上升的斜率，單位內(nèi)A/s；t為時間，單位為s。MOSFET開通過程中電壓Vp可通過式(2)表示：

(2)

式中Vds為MOSFET兩端電壓，單位為V；B為電壓下降的斜率，單位為V/s；t為時間，單位為s。整個開通過程的功率累加結(jié)果如式(3)所示。

(3)

則整個開啟過程的損耗可通過式(4)表示。

(4)

式中fs為MOSFET開關頻率，單位為Hz；t1為導通時長，單位為s。MOSFET關斷過程的損耗計算過程與開通過程的損耗計算方式基本相同，其損耗可通過式(5)表示。

(5)

式中t2為關斷時長，單位為s。以上為電子水泵功率MOSFET開關損耗的計算過程，下文將計算其導通損耗。

假設MOSFET導通時的占空比為τ，由于導通時的電壓比較小，測量誤差比較大，通常MOSFET生產(chǎn)廠家提供的導通電阻Ron即可計算出導通損耗如式(6)所示。

(6)

式中Ip1是導通電流，單位為A，可通過示波器測得。Ron為MOSFET的導通電阻，單位為Ω，可通過查閱MOSFET規(guī)格書獲得。本文所述電子水泵控制器所選MOSFET為Infineon的IPC100N04S5-2R8，MOSFET的開關頻率為19 kHz。

對于MCU而言，其損耗計算較為復雜，需參考對應數(shù)據(jù)手冊中相關參數(shù)進行計算。本控制器所選MCU型號為德國艾爾默斯半導體公司的E523.05，該MCU的數(shù)據(jù)手冊中已附錄其損耗計算公式，根據(jù)對應計算公式可求得本MCU的實際損耗為978 mW，約為1 W。

對于采樣電阻，其損耗為電阻自身損耗，可通過式(7)直接求得。

(7)

其中，P為功率，單位為W；I為流過采樣電阻的電流值，單位為A；R為采樣電阻的阻值，單位為Ω。

對于功率電感，其損耗包括兩部分：一部分是與磁芯相關的損耗，即傳統(tǒng)的鐵損；另一部分是與電感繞組相關的損耗，即所謂的銅損[11]，上述兩部分損耗的實際計算可參考文獻[11]中的估算方法完成。

對于電解電容而言，其損耗主要由紋波電流損耗和漏電流損耗兩部分組成，但后一部分損耗相對較小，所以計算電解電容實際損耗時一般僅需考慮紋波電流損耗即可，其損耗計算公式如式(8)所示。

(8)

式中P為損耗功率，單位為W，Ic為紋波電流值，單位為A，該值可通過示波器和電流鉗測得。Resr為電解電容內(nèi)部等效串聯(lián)電阻，單位為Ω。

2 數(shù)學模型

電子熱仿真模擬主要是利用計算機的數(shù)值計算來求解電子產(chǎn)品所處環(huán)境的流場，溫度場等物理場，屬于流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)的范疇。通過對CFD計算結(jié)果進行分析，可以定向定量地指導工程師進行結(jié)構(gòu)、電路方面的優(yōu)化設計，從而達到最優(yōu)的設計結(jié)果。

按照質(zhì)量守恒定律，在一定時間內(nèi)沿三個方向凈流出控制體的總質(zhì)量應等于控制體內(nèi)減少的質(zhì)量，可得如式(9)所示流體連續(xù)性方程。

(9)

根據(jù)動量守恒定律可知流體X、Y、Z三個方向的流體動量守恒方程如式(10)、式(11)和式(12)所示。

(10)

(11)

(12)

式中u、v、w為X、Y、Z三個方向的速度；Su、Sv、Sw為動量守恒方程的廣義源項。

電子設備的強迫冷卻一般通過外部原因產(chǎn)生的壓力差作用，使得設備內(nèi)部的冷卻介質(zhì)進行流動，冷流體與電子設備內(nèi)的器件進行熱量交換，冷卻電子設備以確保設備在合理的溫度范圍內(nèi)正常工作。通常，當電子器件的熱流密度超過0.08 W/cm2或體積熱流密度超過0.18 W/cm3時，強迫冷卻可用于電子器件的散熱[12]。強迫冷卻時流體狀態(tài)為管內(nèi)層流狀態(tài)流動，對應的對流換熱準則方程如式(13)所示：

(13)

式中Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，D為當量直徑，單位為m；l為管長，單位為m；μ1為平均溫度下流體的動力黏度，單位為N·s/m2；μw為壁面溫度下流體的動力黏度，單位為N·s/m2。管內(nèi)湍流狀態(tài)流動對應的對流換熱準則方程如式(14)所示：

(14)

式中Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特數(shù)。

沿平板層流流動對應的對流換熱準則方程如式(15)所示：

(15)

式中Re為雷諾數(shù)。

沿平板湍流流動對應的對流換熱準則方程如式(16)所示：

(16)

式中Re為雷諾數(shù)。

3 仿真環(huán)境

環(huán)境溫度設為140℃，壓力為101 325 Pa；冷卻液屬性為50%乙二醇水溶液，導熱系數(shù)為0.394 W/(m·K) 。冷卻介質(zhì)溫度120℃，比熱容3 667 J/kg·k，進口流速5 m/s?？紤]所有部件之間的熱傳導，電機主要由漆包線、插針以及注塑材料組成。

控制器背部貼合于鋁合金基座上，水泵可通過液冷通道對控制器進行散熱。額定狀態(tài)下本控制器的輸入功率為650 W，輸入電流為50 A，在該工況下，結(jié)合控制器上主要發(fā)熱器件的技術參數(shù)可計算出控制器上主要發(fā)熱器件的詳細損耗見表1。

表1 不同種類熱源的損耗

根據(jù)電機主要部件的型號、導熱硅脂的型號和冷卻液型號可得模型中主要組件的導熱系數(shù)如表2所示：

表2 不同材質(zhì)的導熱系數(shù)

4 CFD模型的建立

CFD的幾何模型必須“干凈”，在Workbench的Geometry模塊中進行簡化略去螺釘、螺母、小特征倒角、鉆孔等不影響散熱的幾何特征，抑制葉輪、進出水流道等不影響散熱的部件簡化后的模型如圖3所示。

圖3 簡化后的模型

采用六面體占優(yōu)網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格，PCB板與導熱硅脂需單獨進行網(wǎng)格細化。設置最大網(wǎng)格尺寸為0.005 m，最小網(wǎng)格尺寸為0.000 5 m，如圖4所示，最終得到網(wǎng)格數(shù)量：1 251 233，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)：1 318 041。

圖4 PCB、泵體和流體劃分網(wǎng)格

5 仿真結(jié)果

通過ANSYS Icepak軟件對該汽油機水泵進行了仿真分析，得到電機、PCB板、冷卻液的溫度分布云圖如圖5所示。

圖5 電機、PCB、冷卻液的溫度分布云圖

6 結(jié)果分析

通過溫度分布云圖，可以看出冷卻液在貼近PCB散熱基座的一側(cè)溫度有所升高，而靠近進口的絕大部分區(qū)域溫度都保持和進口溫度相差較小的狀態(tài)。因此冷卻液在設計的水泵結(jié)構(gòu)中流速已經(jīng)滿足散熱的需求，充分發(fā)揮了冷卻液對PCB的散熱作用。PCB的溫度分布云圖顯示靠近冷卻液通道正下方的PCB部分溫度明顯低于周圍區(qū)域的溫度。PCB最高溫度約為134℃，出現(xiàn)在驅(qū)動MOSFET部分，根據(jù)驅(qū)動MOSFET型號查閱其規(guī)格書可知，本控制器選用MOSFET最高允許溫度為175℃，所以當前水泵散熱設計可滿足其散熱要求。

通過云圖還可以對其他元器件進行分析，電容自身溫度分布不均，靠近金屬底座部分的溫度最低，遠離底座的部分溫度較高，達到了145℃。這主要是因為靠近散熱基座的電容部分其熱量通過散熱基座以熱傳導的方式傳遞出去，而鋁電解電容作為功率器件其體積較大，且自身導熱系數(shù)較小，因此導熱效果不理想，存在一定的風險。針對這一問題可通過修改電解電容與散熱基座的配合方式，增大散熱基座與電解電容的接觸面積或者選用導熱系數(shù)更高的導熱硅脂等方式解決?？刂破鬟x用的采樣電阻和功率電感最高允許溫度均為155℃，根據(jù)云圖可以看出，采樣電阻的溫度為125℃，功率電感的溫度為128℃左右。上述二個器件的溫升均在設計范圍內(nèi)。

控制器所選主控芯片的最高允許溫度為150℃，通過云圖可以看出，仿真環(huán)境下主控芯片的溫度為126℃左右，所以主控芯片的運行溫度也在其設計范圍內(nèi)。

控制器上除了上述主要發(fā)熱器件以外還有貼片電容和貼片電阻，由于其自身發(fā)熱量較小且允許最高溫度較高所以可以認為以上兩類器件也可滿足設計要求。綜上所述：本文所述的這種電子水泵散熱設計可滿足其對散熱性能的要求，可確保電子水泵在高溫狀態(tài)下穩(wěn)定運行。

7 結(jié)論

通過借助有限元分析工具對某汽油機水泵驅(qū)動控制器做了詳細的散熱仿真分析，通過仿真云圖可以看出：極限工況下，基于內(nèi)部冷卻液流道散熱設計的電子水泵可實現(xiàn)對其控制器的有效散熱，證明了內(nèi)部冷卻流道在電子水泵中的可行性。限于試驗條件限制，未對采用上述設計的電子水泵進行實際測試，后續(xù)可結(jié)合采用所述設計的電子水泵實際溫升測試進一步驗證本設計的可行性。