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话说控制器散热与小肠

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5年前浏览4760

你知道普通人的小肠长度有多长,吸收面积有多大吗?让我来科普一下:普通人的小肠长度大约有4米,但吸收面积确达到了200平方米,比同样直径大小的单筒面积增加了近600倍。惊人吧?

那为啥差别这么大呢?通过解剖学我们知道了原因:因为小肠粘膜形成许多环行皱襞,皱襞上有大量的绒毛,绒毛表面的柱状上皮细胞还有许多微绒毛,这才使小肠的吸收面积比同样长度的单筒面积增加了600倍。

好了,有人要问了:大哥,你扯远了吧,怎么扯到小肠去了?好吧,我承认稍微扯远了些,但容我先卖个关子,后面您就知道了。各位看官,随我一起收收心吧,下面我们进入正题,本节课我们讲一下IGBT控制器散热结构的对比分析和优化探讨。

新能源电机的控制器呢,一般都是水冷的,水冷介质通常采用水和乙二醇的混合液,各占50%的体积比例。既然是水冷的,那么冷却的水道设计就自然而然地就成为了散热设计的核心,这一点毋庸置疑吧,嘿嘿。

我们有三种冷却水道对比结构,敲黑板了,看图看图快看图。

a)结构一:散热水道格栅有3条,水道与IGBT模块的距离为4.5mm;

b)结构二:散热水道格栅为3条,水道与IGBT模块的距离为3.5mm;

c)结构三:散热水道格栅为6条,水道与IGBT模块的距离为5mm。


a)结构一


b)结构二


c)结构三


上面三种水道设计哪个好,各位学者心里有谱吗?不妨让我们竞猜一下吧,我出5分。 

好,竞猜开始……

我的天哪,这么科学严谨的科学问题,你们竟然要竞猜,还要不要那啥,我们需要用CFD分析去定量解决这个问题好吗。


于是,干货时间到了,不要眨眼。 

首先是材料,我们用到了如下材料,IGBT模块每层材料的参数都可以查到,见表1。对于控制器箱体,我们会用6061和ADC12两种铝合金做分析对比。




接着我们show一下网格。IGBT模块的不同层采用共节点六面体网格,对水道和箱体采用共节点四面体网格。在这里啰嗦一下,哦不不,是重点强调,水道的边界层网格我们还是要好好处理一下滴,毕竟流体力学的规律我们还是要遵循滴。




a)整体网格和IGBT模块共节点示意图


b)不同水道网格图和水道边界层网格


再接着,边界条件和初始参数设置,由于参数较多,我们暂且搁置不表,为了您阅读安全,此处省去一万字。

好,唐僧师徒四人踏过千沟万壑,历经千难万险,终于来到了西天,取真经的时刻终于到了。

三种结构的仿真结果get到了,哎呦不错哦,和我预料的一样耶,早知道我就和你们下注竞猜了,稳赢啊。

 a)结构一整机温升


b)结构一水道温升 

c)结构二整机温升分布云图 

d)结构二水道温升


 e)结构三整机温升

 

f)结构三水道温升 

从计算结果看出,结构二针对厚度方向减薄的措施对减小温升有效,但是效果不明显,温升仅下降不到1℃,但是该方案有可能造成强度问题和压铸时的脱模困难;结构三针对水道的散热格栅做了较大调整,散热格栅由3条增加到6条,高温区水道的散热面积增加了近一倍,改善效果较为明显。其中一些关键参数对比统计在表2里。


此外,采用6061材料和ADC12材料时,IGBT模块的温升也差异较大,由于ADC12材料的导热系数较小,箱体采用ADC12材料比采用6061材料时芯片温升高10℃。当然,这里只是做个对比,铸造箱体的话,谁也不会用6061去铸,除非有钱没处放或者吃饱了撑的。



a)IGBT模块温升-6061铝合金


b)IGBT模块温升-ADC12铝合金   

正如预料中的一样,结构三的IGBT芯片温升最低,比结构一的下降了7度。这个7度着实让我放心了不少,因为优化结构的方向和思想得到了验证。到底是什么方向什么思想呢?别着急,且往下看。

还记得我一开始卖过的关子吗?小肠为什么吸收能力那么强?还不是因为表面积大嘛。那为什么表面积那么大?还不是因为小肠的皱襞和绒毛结构嘛。类似的,控制器的水道结构优化,也必须向小肠结构学习,要皱襞多多,绒毛多多,让金属的高温面积和低温的冷却液多多接触,注意我说的是高温区哦。实际上,我们目前的加工能力有限,不可能做出皱襞和绒毛结构,就将就着把格栅的条数增加几条吧,这个还是可以做到的,能力强的人还可以在格栅上做一些小“山丘”进一步增加接触。

以上这些探讨和结论也只是在散热方面做个抛砖引玉,现实生活中有诸多高效散热结构存在。要不是加工能力的限制,我们可以将冷却发挥到极致。

好了,本局竞猜结束,我猜您猜对了。您get到我说的点了吗?

XFlow换热散热流体基础电子电控
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首次发布时间:2019-11-17
最近编辑:5年前
CAE从业者
博士 | CAE总工 登陆火星,就是现在
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2条评论
萧瑟
签名征集中
2年前
这是用什么软件做的仿真?
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张杰
签名征集中
5年前
这是用什么软件模块仿真的?
回复 1条回复
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