项目名称：南瑞集团公司科技项目“基于新型电力电子器件的电动汽车电驱动系统关键技术研究及示范应用”（524608190055）
潘政薇
温传新
骆
健
怎么自制纳米胶带生姜切片机（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210006）
摘
要：以电机控制器中IGBT 模块水冷散热回路为研究对象，根据传热机理对其进行了传热与流阻分析；并利用有限元仿真模拟 软件对水冷散回路的散热性能进行仿真模拟，研究不同翅片尺寸、翅片数量、冷却水流量参数对IGBT 散 热结温与冷却水压降的影响规律，获得了水冷散热的最优设计参数。结果表明：当冷却水流量为16L /min 、翅片数量为108、翅片尺寸为23mm ×6mm 时，水冷散热系统具有更好的散热效果。
关键词：电机控制器；水冷散热；散热翅片
0引言
随着环境压力的剧增，加上节能减排的发展需求，开发以lrx
纯电动汽车为代表的新能源汽车已是大势所趋。电动汽车电机控制器具有体积小、集成度高、热流密度大等特点，其主要器件IGBT 模块的损耗产生的热流密度大多已超过10W /cm 2[1-3]，转化为热量的损耗若没有及时被散热器带走，积累的热量将会使控制器的温度达到100℃以上，这会导致其加速损坏[4]。因此，需要选择散热效率高的水冷散热方式来满足控制器中IGBT 的散热需求。
孔刚玉
本文以电机控制器中IGBT 模块水冷散热回路为研究对象，应用有限元仿真软件对散热翅片尺寸、数量、冷却水流量对散热性能的影响进行了仿真模拟，总结了各主要参数对散热性能的影响规律，其结论可以为电机控制器IGBT 模块水冷散热器的优化设计提供参考。
1水冷散热结构
电机控制器稳定运行时，IGBT 器件的损耗占机箱内发热
器件总功耗的90%以上，IGBT 模块的散热效率直接影响了电机控制器整体的散热效果。如图1所示，控制器箱体外部底面的水冷回路的位置在安装于箱体内部底面的IGBT 模块下方，IGBT 的热损耗通过其安装凸台传导至水冷回路中的散热翅片，并通过进、出水管的冷却水循环对其进行散热。
2
传热与流阻分析
2.1
冷却水传热分析
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从传热机理方面分析，IGBT 模块内部芯片产生的热量通
过安装凸台传导至水冷回路中的散热翅片，流道内的冷却水
通过与散热翅片进行热交换，从而将热量带走。这其中共进行了热传导、热对流两个传热过程[5-6]。
绝缘软母排热传导是热量从温度较高的IGBT 芯片传至温度较低的散热翅片的过程，其基本定律可用傅里叶定律描述：
Q =-λA d t /d x 式中，负号表示热量向低温处传递；Q 为热传导热流量；λ为材料的导热系数；A 为垂直于导热方向的截面积；d t /d x 为温度t 在x 方向的变化率。
热对流是指循环流动的冷却水与散热翅片壁面接触时发生的热交换过程，其基本定律为牛顿冷却公式：Q =hA Δt 式中，Q 为对流换热量；h 为对流换热系数；A 为有效对流换热面积；Δt 为固体表面与冷却液之间的温差。2.2
冷却水流阻分析
冷散热器性能的指标之一。冷却水流经散热回路的水头损失即为散热回路的流阻，其流动满足不可压缩粘性流体一元流动的伯努利方程[7]。水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，计算公式为：
h w =h f +h j =λ1d v 22g +ξv
2
2g
式中，h f 为沿程水头损失；h j 为局部水头损失；λ为沿程压力损
失系数；v 为流道内水的平均流速；l 为流道长度；d 为管道直径；ξ为局部压力损失系数。
3流道翅片结构设计
由水冷散热回路的传热分析与流阻分析可知，散热翅片
与冷却水的传热面积与温差越大，传热效率越高；同时，流道越长，水流速度越快，换热就越充分，而水冷散热系统的流阻则会越大；即水冷散热器的热阻与流阻性能呈反向变化。水冷散热器的流道散热翅片结构如图2所示，影响水冷散热器性能
的参数主要包括翅片尺寸W ×L 、翅片数量N 、进水流量Q 。通过调整翅片结构、进水量，可使散热系统的热阻与流阻达到最优状态，以获得最佳散热效果。
4
水冷散热数值模拟
4.1
几何模型简化
根据水冷散热系统的三维模型，对其进行简化。简化对传
热影响较小的几何特征，如螺纹孔、倒圆角、螺钉螺母、密封圈
等；将每只IGBT 模块的几何模型简化为传热基板、IGBT 芯片热源、FRD 芯片热源、器件封装外壳；将计算模拟区域包含为
图1控制器机箱主体结构与IGBT 器件位
置
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