電動汽車高壓配電盒熱仿真分析*

劉作強，李 智，聶金泉，王長福，安 炯

（1.湖北文理學院 汽車與交通工程學院，湖北 襄陽 441053；2.襄陽群龍汽車部件股份有限公司，湖北 襄陽 441199）

電動汽車在行駛過程中不會排放對環(huán)境有害的氣體，并且驅動電機具有低速恒轉矩、高速恒功率的優(yōu)良特性[1]，所以近年來得到了很大的發(fā)展。電動汽車廣泛采用集中式高壓電氣系統(tǒng)架構配電，通過高壓配電盒（Power Distribution Union，PDU）連接動力電池組、車載充電機、電機控制器、DC/DC變換器、電動空調和PTC等高壓電氣部件[2～3]，并且實現高壓電的分配與管理、對高壓系統(tǒng)電路進行過流保護等功能，PDU是電動汽車的重要組成部件，因此研究PDU的熱特性對整車具有重要意義。PDU一般由殼體、銅排、連接器、繼電器和熔斷絲等組成。PDU在工作過程中，會將動力電池中的高壓電分配給其他的部件，當電流經過銅排之后，銅排會產生熱量。當PDU的內部溫度升高后，PDU內部的銅排電阻會升高，電阻增加會導致銅排的發(fā)熱量繼續(xù)上升[4]，此外，當PDU長時間在高溫下工作，PDU中的各個部件會加速老化，影響PDU的使用壽命[5]。因此，在PDU設計過程中需要進行熱仿真分析，驗證其工作溫度是否滿足設計要求。本文首先將PDU的三維模型進行簡化，其次對PDU的發(fā)熱與散熱進行理論分析，最后利用Icepak軟件對某型號的PDU進行兩種工作條件下的數值模擬，模擬結果為PDU前期開發(fā)和優(yōu)化提供參考。

1 幾何模型及前處理

1.1 幾何模型

PDU 的整體構造如圖1 所示。PDU 外部的尺寸為260mm×177mm×95mm，其外部由底座、上蓋、電池連接器、電機連接器、PTC連接器、CDU連接器和低壓信號連接器組成。PDU的底座和上蓋為內部的電器元件提供了防水防塵的工作空間。PDU的內部構造如爆炸視圖（圖2）所示，由密封圈、連接器、銅排、熔斷絲、繼電器、預充電阻和預充繼電器等組成。

圖1 PDU整體構造

圖2 PDU爆炸視圖

1.2 模型簡化

為節(jié)約計算時間，提高計算效率，對PDU模型進行適當簡化。在簡化過程中，要保證計算模型的準確性，保留幾何的原始特征，簡化對計算模型影響較小的部分，例如線束、螺栓等。簡化的過程中遵循以下規(guī)則：①忽略PDU內部線束的熱損耗；②忽略體積較小的PDU零件和對傳熱無實質性影響的零件，例如螺栓等；③忽略外殼以及銅排對熱傳導影響不大的凹槽與開孔；④將對傳熱影響不大的復雜幾何外形簡化成簡單的幾何圖形。最后簡化的模型如圖3所示。

圖3 簡化后模型

1.3 網格劃分

將簡化后的模型導入ANSYS Icepak軟件中，對三維模型進行網格劃分。采用HD網格，網格數目為2325113，網格節(jié)點為2652550。最終網格劃分結果如圖4所示。

圖4 網格劃分結果

1.4 邊界條件

環(huán)境溫度為85℃，通過自然冷卻進行散熱，自然對流傳熱系數選擇5W/m2·k。底座與上蓋的材料為ADC12，銅排與熔斷絲的材料為紫銅，其余部件的材料為尼龍66。各個材料的熱物性參數如表1所示。電池連接器輸入的電流為180A，其中電機連接器輸出148A；EAC連接器輸出11A；PTC1輸出4A；PTC2輸出8A；CDU輸出9A。

表1 材料熱物性參數

2 生熱與傳熱分析

2.1 生熱分析

PDU在工作過程中，電流流經銅排和熔斷絲時，會使銅排與熔斷絲產生一定熱量，導致PDU溫度升高。PDU的生熱主要是電流通過銅排與熔斷絲產生的焦耳熱。PDU內部共有4個銅排與2個熔斷絲，分別為銅排1、銅排2、銅排3、銅排4、熔斷絲1和熔斷絲2。根據焦耳定律，有：

式中：Q——熱量；I——電流；R——電阻。

銅排1、銅排2、銅排3和銅排4對應的熱量分別為Q1、Q2、Q3、Q4，熔斷絲1和熔斷絲2的熱量分別為Q5、Q6，則整個系統(tǒng)的總熱量為：

將以上的分析結果作為PDU的生熱理論，之后作為熱源輸入至Icepak軟件中。

2.2 傳熱分析

在Icepak軟件中，可以分析PDU在自然冷卻條件下的溫度分布。在自然冷卻中PDU的內部電器元件的熱量通過熱傳導和熱對流傳遞至外殼，然后再由外殼將熱量傳遞至周圍的環(huán)境之中[6]。在傳熱過程中，將通過以下公式計算散熱量的大小。

發(fā)熱的銅排與熔斷絲通過熱傳導將熱量傳遞給與之接觸的繼電器、連接器觸頭等。根據傅里葉定律，有：

式中：Φ——單位時間內通過截面A的熱流量；負號——熱量傳遞方向與溫度升高方向相反；λ——物體的導熱系數；A——截面面積；——截面法線方向梯度。

PDU的內部銅排與熔斷絲表面附近空氣受熱向上流動，熱量傳遞至PDU的外殼，PDU外殼加熱后，與外部空氣進行對流傳熱。根據牛頓冷卻公式：

式中：Φ——單位時間內通過截面A的熱流量；h——表面?zhèn)鳠嵯禂?；A——固體與流體的交界面積；tw——銅排與熔斷絲的壁面溫度；tf——流體溫度。

3 仿真分析

在仿真分析過程中，考慮了兩種不同條件：第1種是忽略電器元件之間的接觸電阻，模擬了PDU在理想工作條件下電器元件的發(fā)熱量；第2種是在理想工作條件下增加了電器元件之間的接觸電阻，模擬了PDU在極端工作條件下電器元件的發(fā)熱量。PDU的實際工作條件會介于理想工作條件與極端工作條件之間。在PDU工作過程中，要滿足內部電器元件溫升不超過25℃。

3.1 理想工作條件仿真分析

PDU在工作過程中內部發(fā)熱電器元件的具體溫度見圖5，其中與電機連接器相連的銅排溫度最高，最高溫度為91.67℃，溫升6.67℃。在電流輸出中，電機連接器輸出的電流為148A，是所有電器元件輸出電流最大的，所以與電機連接器相連的銅排產生的熱量也是最多的，因此與電機連接器相連的銅排溫度最大。繼電器觸頭的溫度為89.47℃，溫升4.47℃。熔斷絲的溫度為88.76℃，溫升3.76℃。

圖5 理想條件電器元件具體溫度

理想條件整體溫度云圖如圖6所示，PDU的溫度由內向外傳遞，底座和上蓋的材料是ADC12，導熱性好，能快速吸收內部電器元件產生的熱量，所以底座和上蓋的溫度分布均勻。各個連接器的材料是尼龍66，其導熱性相對ADC12較差，所以溫度變化較為緩慢。

圖6 理想條件整體溫度云圖

PDU內部切面理想條件速度流場云圖見圖7，PDU內部發(fā)熱電器元件的溫度傳遞至底座與上蓋后，底座和上蓋表面空氣受熱后向上流動，此時空氣最大流速為0.056m/s。

圖7 理想條件速度流場云圖

3.2 極端工作條件仿真分析

極端工作條件是在理想工作條件的基礎上加入接觸熱耗。電流通過銅排會產生焦耳熱，焦耳熱分為兩部分，一部分是銅排內部電阻產生的焦耳熱，另一部分是2個銅排在壓接處接觸電阻產生的焦耳熱。2個不同的銅排在連接時，用的是螺母壓接。實際情況下銅排和銅排壓接接觸面會有1個接觸電阻，螺母壓力越大，接觸電阻越小，如果壓接不牢固則接觸電阻越大。本次仿真以極端情況進行估算，設每個連接部分的接觸電阻為0.00001Ω，接觸部分的具體發(fā)熱功耗按公式計算。經過計算得到每個接觸部位接觸熱耗等于0.324W。具體如圖8所示。

圖8 接觸電阻示意圖

在極端工作條件下PDU內部電器元件溫度云圖如圖9所示，與電機連接器相連的銅排溫度最高，最高溫度為100.22℃，溫升15.22℃。繼電器觸頭的溫度為96.16℃，溫升11.16℃，熔斷絲的溫度為98.69℃，溫升13.69℃。與理想工作條件相比，銅排、繼電器觸頭、熔斷絲的最高溫度分別上升了8.55℃、6.69℃、9.93℃。

圖9 極端條件下電器元件溫度云圖

圖10為極端條件下PDU內部切面速度流場云圖，此時PDU周圍空氣最大速度為0.0792m/s，對比理想工作條件，空氣流動最大速度提高了0.0232m/s。

圖10 極端條件速度流場云圖

4 結論

本文分析了PDU兩種工作條件下溫度分布情況，PDU的實際工作條件會介于理想工作條件與極端工作條件之間。分析結果表明，PDU在理想工作條件下，銅排、繼電器觸頭和熔斷絲的溫升分別是6.67℃、4.47℃、3.76℃。PDU在極端的工作條件下，銅排、繼電器觸頭和熔斷絲的溫升分別為15.22℃、11.16℃、13.69℃。以能源局標準：NB/T 33008.1—2013[7]作為參考，PDU的最大溫升低于25℃，若超出25℃，則PDU不滿足設計要求。通過仿真分析得出，在兩種不同的工作條件下，PDU整體的溫升都沒有超過25℃，故該型號PDU滿足設計要求，并且隨著PDU內部的溫度升高，PDU外部附近空氣流速也在增加。