(完整版)散热器在电动汽车上的设计.doc

散热器在电动汽车上的设计及改进2012-03-30核心提示：IGBT产生的热量通过热传导的方式由管壳传到散热器，然后通过强迫风冷的方式传到外界环境中去（散热器安装在逆变器的外部）为减少管壳与散热器之间的热阻，首先要求散热器的安装表面粗糙 度达1.6以上2012年3月30日讯1逆变器模块2006年4月我们开发了一款 电动汽车用逆变器一共用了 4个IGBT，右边是3个型号为 FF1200R17KE3-B2的IGBT，主要功能是逆变（该模块以下简称为逆变模块）；左边是 1个型号为FF300R17KE3的IGBT，主要功能是斩波或制动（该模块以下简称为斩波模块）该逆变器的散热方式 为强迫风冷，风机安装在散热器的底部，进风方式为抽风 3个逆变模块为主要工作模块通过查找IGBT的参数，并经过计算得出：在峰值功率下各逆变模块的发热量为 1016W由于斩波模块的工况比较复杂，估算其发热量为 200W则总功耗为3248V；在额定功率下各逆变模块的发热量为574W斩波模块的发热量为 100W则总功耗为1822W2散热器热传递的分析IGBT产生的热量通过热传导的方式由管壳传到散热器， 然后通过强迫风冷的方式传到外界环境中去（散热器安装在逆变器的外部）。

为减少管壳与散热器之间的热阻，首先要求散热器的安装表面粗 糙度达1.6以上，其次在管壳的底部均匀涂满导热硅胶或者加垫一层导热系数大而硬度低的纯铜箔或 银箔，并用一定的预紧力压紧3散热器的仿真分析计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics ，简称CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对含有流体流动和传热等相关物理现象进行的系统分析 CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场，温度场，压力场等，用有限个离散点上的一系列变量值的集合来代 替按照一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组， 然后求解代数方程组获得场变量的近似值CFD技术建立各种工业环近年来，随着计算机技术的发展，科研开发周期的缩短，人们广泛应用境流体力学的模型和仿真环境，得出结论，并在原来的基础上进行优化运算，以得出满足要求的最佳 方案ICEPAK软件是专业的电子热分析软件借助 ICEPAK软件的分析和优化结果，用户可以降低设计成本，提高产品的一次成功率，改善电子产品的性能，提高产品可靠性，缩短产品的上市时间以 下均是用ICEPAK软件进行仿真分析的结果。

散热器基板的尺寸为 680mmK 430mnX 20mm翅片的尺寸为 390mnX 80mm< 2mm翅片的截面为长方形，翅片间距为 4mm逆变模块间的间距为 30mm逆变模块与斩波模块间的间距为 20mm环境温度为20C ,未加说明的冷却风机均采用鼓风方式以以上散热器的尺寸为原形，在额定工况下（除特别 说明外），选择不同的参数对其进行了仿真分析3.1翅片厚度的选择选择翅片间距为 4mm翅片高度为 80mm翅片厚度为 1mm 1.5mm, 2mm 2.5mm或3mm（超过3mm风阻 太大）可知，随着散热器翅片厚度的增加，散热能力增强但是翅片厚度超过 2mm后 ,散热的增幅明显变小，所以选用 2mm厚的翅片比较合适3.2翅片间距的选择选择翅片高度为 80mm翅片厚度为 2mm翅片间距为 3mm 4mm 5mm 6mm或 7mm.说明翅片间距越小，散热能力越强由于受工艺条件的限制，目前翅片能加工到的最小间距为 4mm所以选用4mm的翅片间距是合理的3.3翅片高度的选择选择翅片厚度为 2mm翅片间距为 4mm改变翅片高度，即为 90mm 80mm 70mm 60mm或 50mm当翅片高度达到80mm后 ,温升的幅度很小，再增加高度几乎是无用的，所以翅片高度达 80mm为极限高度。

此逆变器选择翅片的高度为 80mm3.4基板厚度的选择基板在14〜22mm之间，随着基板厚度的增加，垂直于基板方向的热扩散能力增强，使温升逐渐减小，但不同基板厚度之间的温升幅度变化较小，因此选择基板的厚度时，主要是考虑基板的强度3.5模块间间距的选择4 个模块间的间距分别选择为： 30mm 40mm 40mm 20mm 30mm 30mm 10mm 20mm 20mm 5mm10mm 10mm对它们进行分析，其前后两者之间的最高温差分别为 1.43K, 1.45K, 2.1K,由此可见，选用间距太宽，对模块的散热没有多少作用，因此选用间距为 10mm 20mm 20mmt匕较合理考虑到该逆变器结构布置，选用模块间的间距为 20mm 30mm 30mm比b较合适3.6对抽风与鼓风的情况进行比较选择翅片间距为4mm翅片高度为80mm翅片厚度分别为1mm 2mm或 3mm将鼓风方式改变为抽 风方式.可知，风机为鼓风时，翅片越厚，散热效果越好，但为抽风时，翅片达 3mm时,风阻明显增大，导致温升比翅片厚度为 2mm时要差因此抽风效果劣于鼓风方式但由于车上受空间限制，该逆变器采用的是抽风方式图4为额定工况下，翅片间距为 4mm翅片高度为80mm翅片厚度为2mm基板厚度为20mm各 模块间间距分别为 20mm 30mm 30mm采用抽风方式的仿真分析结果。

图 5为峰值工况下，其余条件与图4相同的仿真分析结果3.7风机的选择：仿真分析的结果与风机的选型有关 选择风机时，需要考虑的因素很多， 诸如空气的流量，风压，风机的效率，空气流动速度，通风系统的阻力特征，环境条件，噪声，体积和重量等等，其中主要参 数为风量和风压经计算该逆变器的总风量要求为 2040m3/h( 1200CFM ,风压为201Pa.我们选型的风机(P22072HBI) 的实际工作点的风压能满足要求， 风量是通过并联的3台风机来满足要求的由于翅片间的间距为 4mm 翅片高度达80mm所以要求的风压很高由于选型风机的风压与风量都留有裕量， 故都能满足表2中翅片间距为3mm与表3中翅片高度为90mm的要求4试验情况与结果由此可知，分析结果与试验情况比较接近，说明分析能起到指导设计的作用该逆变器经过地面考核，装于北京公交公司的无轨电车上在额定工况下，经过对逆变器的运行 情况跟踪，运行正常5结语该逆变器于2006年7月装于北京公交公司的 104路无轨电车上试运行，2006年底开始批量生产 此后装有该逆变器的无轨电车在 203路和208路线上运行到目前为止（经历了盛夏的考验），该逆变器运行可靠，未发生过因散热器的温升过高而导致主要器件 （如IGBT,电力电容）受损的严重故障。

目前以该种逆变器为原型，衍生出许多系列的逆变器，主要用于北理工奥运纯电动车，广州电车以及 多种混合动力汽车。