混合動力汽車電控模塊的水冷散熱優(yōu)化設(shè)計

摘 要：【目的】混合動力汽車電控模塊的水冷散熱設(shè)計是確保電控系統(tǒng)在各種工況下穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)。為提升電控模塊的穩(wěn)定性和可靠性，開展水冷散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計?！痉椒ā客ㄟ^數(shù)值模擬分析影響模塊水冷散熱性能的因素，包括散熱器入口流量、進出口位置及散熱器流道結(jié)構(gòu)?！窘Y(jié)果】仿真結(jié)果表明，增加入水口流速能在一定程度上降低模塊溫度，但效果隨著流速增加而遞減。同時，出入水口的合理布局對提高散熱效率至關(guān)重要，錯位型仿翅柱流道設(shè)計相較于傳統(tǒng)直柱型流道，在散熱效果和溫度分布均勻性方面有顯著提升?！窘Y(jié)論】錯位型仿翅柱流道設(shè)計能有效改善電控模塊的散熱性能，有助于模塊維持在適宜的工作溫度，對混合動力汽車電控模塊的散熱設(shè)計具有重要的工程意義。

關(guān)鍵詞：電控模塊；水冷；散熱；仿真

中圖分類號：TM41" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）02-0052-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.010

Abstract： [Purposes] The design of water-cooled heat dissipation for hybrid electric vehicle electric control modules is critical for ensuring stable operation under various conditions. This study focuses on optimizing the water-cooled heat dissipation structures to enhance the module’s stability and reliability. [Methods] Using numerical simulation， factors influencing the water-cooled heat dissipation performance of the module are analyzed， including the inlet flow rate of the radiator， the position of the inlet and outlet， and the flow channel structure of the radiator. [Findings] Simulation results show that increasing the inlet flow rate can reduce the module temperature to a certain extent， but the effect diminishes as the flow rate increases. At the same time， the rational layout of the inlet and outlet is crucial for improving heat dissipation efficiency. The staggered fin flow channel design significantly improves the heat dissipation effect and temperature distribution uniformity compared to the traditional straight fin flow channel. [Conclusions] The staggered fin flow channel design can effectively improve the heat dissipation performance of the electric control module， help maintain the module at a suitable working temperature， and has important engineering significance for the heat dissipation design of HEV electric control modules.

Keywords： electric control module; water-cooled; heat dissipation; simulation

0 引言

混合動力汽車結(jié)合了內(nèi)燃機和電動機兩種動力源，旨在提高燃油效率，減少尾氣排放。電控模塊作為混合動力汽車的核心組件之一，負責(zé)管理和協(xié)調(diào)內(nèi)燃機和電動機的工作，確保動力輸出的平順性和經(jīng)濟性［1］。隨著混合動力汽車的發(fā)展，電控模塊整體呈現(xiàn)功能復(fù)雜、集成度高的發(fā)展趨勢，其散熱問題也愈發(fā)凸顯，如果熱量不能有效管理，將導(dǎo)致模塊性能下降甚至損壞，從而嚴重影響整車的安全性和可靠性［2］。因此，必須采用高效的冷卻方式及合理的散熱設(shè)計，才能保證電控系統(tǒng)安全運行。

水冷散熱系統(tǒng)因其高效的熱管理能力，被廣泛應(yīng)用于混合動力汽車的電控模塊冷卻工作中。水冷散熱系統(tǒng)能夠提供連續(xù)的冷卻流體循環(huán)，有效地將熱量從熱源傳遞到散熱器，并最終散發(fā)到環(huán)境中，以維持電控模塊在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。這種散熱方式特別適合于發(fā)熱量大且空間受限的應(yīng)用場景。在設(shè)計混合動力汽車電控模塊的水冷散熱結(jié)構(gòu)時，需要考慮多種因素，包括冷卻流體的流動特性、電控模塊的功率、系統(tǒng)的重量和體積及成本等［3］。優(yōu)化這些參數(shù)對于實現(xiàn)電控模塊的長期穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

本研究旨在探討混合動力汽車電控模塊水冷散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，通過數(shù)值模擬的方式分析模塊水冷散熱性能的影響因素，并提出一種高效的電控模塊水冷散熱結(jié)構(gòu)，為混合動力汽車電控模塊的散熱設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)和工程實踐指導(dǎo)。

1 電控模塊水冷散熱結(jié)構(gòu)

水冷散熱結(jié)構(gòu)利用冷卻液在封閉系統(tǒng)中通過對流換熱的方式來傳遞和散發(fā)熱量。冷卻液（R134a型）在系統(tǒng)中循環(huán)流動，吸收電控模塊產(chǎn)生的熱量，然后流向散熱器，進而散發(fā)到外界空氣中［4］。電控模塊水冷散熱系統(tǒng)通常由散熱器、管道、連接件和控制單元等組成，其設(shè)計靈活性較強，可以根據(jù)車輛的具體需求和空間限制進行定制。優(yōu)化的設(shè)計方案可以實現(xiàn)電控模塊的良好散熱，有效降低溫度，滿足混合動力汽車對電控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求。

電控模塊水冷散熱結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。本研究通過調(diào)整入水口的流速、出水口與入水口的位置、散熱通道的結(jié)構(gòu)進行相關(guān)流體仿真，觀察參數(shù)變化對模塊散熱性能的影響，從而設(shè)計能夠增加電控模塊的壽命和可靠性的優(yōu)化散熱設(shè)計方案。

2 電控模塊流體散熱仿真研究

根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)示意，建立如圖2所示的仿真模型，各結(jié)構(gòu)由下到上的材料參數(shù)見表1。

2.1 流道入水口流速對模塊散熱的影響

水冷系統(tǒng)可以對冷卻液的溫度和流量進行精確控制，從而優(yōu)化散熱效果。根據(jù)相關(guān)研究，流速的增加可以提高散熱性能，因為流體更快地流動有助于帶走更多的熱量，從而降低電控模塊的溫度［5］。但流速的選擇也需要平衡，過高的流速可能會導(dǎo)致額外的能量消耗和潛在的系統(tǒng)振動問題，所以需要進行恰當?shù)牧魉僭O(shè)計，從而有效減小熱阻，提高整體散熱效率。

本研究針對散熱流道的入水口流速變化來進行仿真計算，觀察流速對電控模塊散熱的影響。本研究分別設(shè)置入水口流速為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/s，仿真結(jié)果如圖4所示，其中橫坐標為入水口流速，縱坐標為模塊的最高溫度，當電控模塊散熱流道的入水口流速越大，模塊的整體溫度分布與預(yù)想的一樣，逐漸降低，但變化程度趨緩。不同入水口流速的溫度分布如圖5所示。由圖5可知，隨著入水口流速的增加，模塊的整體溫度分布隨之變化。

雖然入水口流速越快，發(fā)熱模塊的溫度越低，但在實際混合動力汽車中，其水冷散熱模塊的入水口速度不能無限大，因為水冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮流體動力學(xué)、材料強度、密封性能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性［6］。如果入水口速度過快，可能會導(dǎo)致水流沖擊過強，損壞水泵、管道和連接部件，同時也可能引起系統(tǒng)壓力過高，超出系統(tǒng)設(shè)計的承受范圍，從而引發(fā)泄漏或其他安全問題。因此，水冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計通常會包含壓力限制閥和流量調(diào)節(jié)裝置，將流速控制在合理的范圍內(nèi)。

2.2 入水口和出水口位置對模塊散熱的影響

混合動力汽車電控模塊的水冷散熱系統(tǒng)入水口和出水口的位置可能會對冷卻液的流動路徑、流量分布及散熱效率產(chǎn)生影響。在理想情況下，冷卻液應(yīng)該能夠均勻流過電控模塊的下方，帶走產(chǎn)生的熱量，而入水口和出水口的位置不合適，則會導(dǎo)致冷卻液在通道內(nèi)部的流動受阻或不均勻，從而減小熱交換效率，導(dǎo)致電控模塊過熱，影響其正常工作和壽命［7］。

在設(shè)計和維護混合動力汽車電控模塊的水冷散熱系統(tǒng)時，應(yīng)使入水口和出水口的位置能夠有助于冷卻液流動，避免短路流和死區(qū)，以保持電控模塊在最佳工作溫度下運行。本研究設(shè)計3種出入水口的不同位置，如圖6（a）所示，對應(yīng)的溫度分布仿真結(jié)果如圖6（b）所示。由圖6可知，出入水口都設(shè)置在熱源的中間位置，且位于流道的兩側(cè)效果最好。

如果需要更改這些接口的位置，應(yīng)進行詳細的流體分析和測試，以評估其對散熱性能的具體影響，并確保修改后的系統(tǒng)能夠滿足性能要求，在不改變散熱流道的前提下，出入水口的新位置應(yīng)與現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)兼容，包括管道、泵和其他相關(guān)設(shè)備［8］。

2.3 流道結(jié)構(gòu)改變對模塊散熱的影響

較高功率的電控模塊要求散熱系統(tǒng)具有更高的散熱效率和更強大的散熱能力。這可能涉及更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，如更大的散熱片、更高效的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)或者更先進的冷卻技術(shù)（如液冷系統(tǒng)）。為了適應(yīng)大功率電控模塊的散熱需求，需要對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。本研究設(shè)計了兩種不同的仿翅柱散熱流道，模型如圖7所示，圖7（a）為直柱型流道，圖7（b）為錯位型流道。

通過仿真分析模塊的溫度分布可以看出，錯位型流道比直柱型流道對模塊的散熱效果提升更顯著，不同流道結(jié)構(gòu)的模塊溫度分布如圖8所示。由圖8可知，凸同時錯位型流道設(shè)計使模塊的整體溫度分布更均勻，在實際運用中更加可靠。

通過仿真結(jié)果可以看出，錯位型翅柱比直柱型翅柱更加有助于提高散熱效率，并確保電控模塊在各種工況下都能保持適宜的工作溫度。大功率電控模塊的集成化設(shè)計要求散熱系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如電機冷卻系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)）進行有效整合，以便系統(tǒng)化設(shè)計和管理，以提高整個動力系統(tǒng)的能效和可靠性。

3 結(jié)語

本研究通過對直流道進行數(shù)值模擬分析，計算了不同的入口流速及出（入）水口的位置變化對混合動力汽車電控模塊散熱的影響，進而在直流道的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計出仿翅柱型流道，分析得出錯位型仿翅柱流道設(shè)計對發(fā)熱模塊的散熱及整體溫度分布有明顯的提高和改善。研究成果可以推廣到其他類似模塊中，具有重要的工程意義。

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