CN109635517B - 基于cfd的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法、计算机可读存储介质和计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法、计算机可读存储介质和计算机设备，该方法包括：基于虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数模拟虚拟电机控制器和虚拟散热结构的安装位置关系，并在虚拟散热结构中填充虚拟冷却流体；按照实际测试要求模拟虚拟电机控制器工作；提取虚拟电机控制器的温度参数，判断该温度参数是否在温度阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系。本发明采用CFD软件仿真技术，使得设计人员在样件试制前就能对产品性能或缺陷有所预见，使设计阶段尽量完善散热结构优化设计，避免设计错误出现在后期，大大缩短了开发周期，提高了设计质量。
Description
技术领域
本发明涉及结构优化仿真技术领域，尤其涉及一种基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法、计算机可读存储介质和计算机设备。
背景技术
近年来，全球新能源汽车发展已经形成了共识，而在新能源汽车中，电机控制器IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)散热器的功用就是保证电驱动系统在任何负载条件和工作环境中均能在最合适的温度状态下正常可靠且稳定地工作，是影响电驱动系统及整个电动汽车安全性、可靠性和动力性能的重要因素。IGBT工作中产生的热功耗不断增大，为保证电机控制中IGBT能够正常工作，IGBT能够允许的最大结温不超过其说明书温度范围，产品散热性能的优劣已成为电机控制器性能的重要指标。
电机控制器的主流散热方式是散热片加水冷系统，而电机控制器内的热环境是非常复杂的，如何在有限空间内设计一个最优的散热结构是产品开发的一个关键问题。
目前，通过经验判断和温度校核计算方法判断样件产品性能是否有缺陷，当产品性能有缺陷时，需要重新设计样件产品，重新判断样件产品性能是否有缺陷，浪费时间、人力和成本，开发周期长，开发效率低。
因此，提供一种基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法、计算机可读存储介质和计算机设备。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法、计算机可读存储介质和计算机设备，能够解决目前通过经验判断和温度校核计算方法判断样件产品性能是否有缺陷，使得浪费时间、人力和成本，开发周期长，开发效率低的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，包括：
基于虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数模拟虚拟电机控制器和虚拟散热结构的安装位置关系，并在虚拟散热结构中填充虚拟冷却流体；
按照实际测试要求模拟虚拟电机控制器工作；
提取虚拟电机控制器的温度参数，判断该温度参数是否在温度阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：提取虚拟冷却流体在虚拟散热结构进出口的液压差参数，判断该液压差参数是否在液压差阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：在提供电机控制器和虚拟散热结构之前，
基于电机控制器实际参数构建虚拟电机控制器；
基于散热结构实际参数构建虚拟散热结构，
其中，散热结构实际参数包括散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数。
具体地，有限元模型建立及相关参数输入步骤如下：
首先，按电机控制器结构特征具体情况划分，将狭小通道、间隙及要观察位置的网格细化，在电机控制器外空间划分结构化网格；然后，输入相关材料参数及边界条件。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括对三维结构数据进行前期处理，具体如下：
第一步，对建立的三维结构表面的小圆角及倒角进行去除处理，并对建立的三维结构表面的小尖角进行平滑处理；
第二步，对一些无效接触位置进行检查修正处理，建立的冷却流体进行封闭检查处理。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：若温度参数不在温度阈值范围内，则调整虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数、散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：若虚拟冷却流体在虚拟散热结构进出口的液压差参数不在液压差阈值范围内，则调整虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数、散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数。
进一步地，虚拟电机控制器包括多个虚拟IGBT芯片，虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数包括相邻两虚拟IGBT芯片之间的间距和各虚拟IGBT芯片与虚拟散热结构表面之间的间距，散热片翅片设计参数包括散热片翅片的宽度、高度和翅片间间距，散热片冷却流体流道设计参数包括散热片冷却流体流道转弯圆弧处半径和散热片冷却流体流道与冷却流体进出口管路交接处的角度。
进一步地，通过以下公式判断温度参数是否在温度阈值范围内：
Tjc＜Tj
其中，Tjc为IGBT芯片的实际工作温度，Tj为IGBT芯片性能衰退或损坏的最低温度，
Tjc＝Tc+Rjc*PTHD
其中，Tc为IGBT芯片的表面温度，PTHD为IGBT芯片的最大热耗，Rjc为IGBT芯片结点至外壳的热阻。
进一步地，液压差阈值范围为≤8KPa。
根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
根据本发明的又一方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
1.本发明的基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法采用CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)软件仿真技术，使得设计人员在样件试制前就能对产品性能或缺陷有所预见，使设计阶段尽量完善散热结构优化设计，避免设计错误出现在后期，大大缩短了开发周期，提高了设计质量。
2.本发明的基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法对电机控制器内部IGBT芯片布局、散热片尺寸设计、冷却流体流道设计提供理论支持，获取有效结果的方法，从而提高计算精度，得到IGBT芯片散热性能的评价结果及保证冷却流体进出口液体液压差在8KPa以内；在评价结果不满足要求时，采用对整体设计影响由小到大的参数改变，提高散热性能参数，使得设计过程中，很快的找到设计缺陷，优化设计，并减少试验次数，降低设计成本。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法步骤图；
图2为本发明的虚拟IGBT芯片在虚拟散热壳体顶部的安装布局示意图；
图3为图2中虚拟IGBT芯片与虚拟散热壳体顶部连接处的A-A方向剖视图；
图4为图3中C区域的局部放大图；
图5为本发明的虚拟散热片翅片设置示意图；
图6为图5中虚拟散热片与虚拟散热壳体底部位置关系的B-B方向剖视图；
图7为图6中D区域的局部放大图；
图8为本发明的虚拟冷却系统中的流体轨迹示意图；
图9为本发明实施例的计算机设备的示意图，
在附图中，1-虚拟IGBT芯片，2-虚拟散热壳体；3-虚拟散热片。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1是本发明的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法步骤图，参见图1，本发明提供的基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，包括：
S110，基于虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数模拟虚拟电机控制器和虚拟散热结构的安装位置关系，并在虚拟散热结构中填充虚拟冷却流体；
具体地，如图2所示，虚拟电机控制器包括多个虚拟IGBT芯片1，虚拟电机控制器和虚拟散热结构的安装位置关系为：多个虚拟IGBT芯片1排列安装在虚拟散热结构上。参见图5，虚拟散热结构包括虚拟散热壳体2和虚拟散热片3，并且虚拟散热壳体2和虚拟散热片3一体成形。结合图2和图5所示，虚拟散热片3和虚拟IGBT芯片1分别设置在虚拟散热壳体2的两对立面。
S120，按照实际测试要求模拟虚拟电机控制器工作；
S130，提取虚拟电机控制器的温度参数，判断该温度参数是否在温度阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系。
本发明的基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法采用CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)软件仿真技术，使得设计人员在样件试制前就能对产品性能或缺陷有所预见，使设计阶段尽量完善散热结构优化设计，避免设计错误出现在后期，大大缩短了开发周期，提高了设计质量。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：S140，提取虚拟冷却流体在虚拟散热结构进出口的液压差参数，判断该液压差参数是否在液压差阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：S101，在提供电机控制器和虚拟散热结构之前，
基于电机控制器实际参数构建虚拟电机控制器；
基于散热结构实际参数构建虚拟散热结构，
其中，散热结构实际参数包括散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：若温度参数不在温度阈值范围内，则调整虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数、散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数。
进一步地，上述基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，还包括：若虚拟冷却流体在虚拟散热结构进出口的液压差参数不在液压差阈值范围内，则调整虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数、散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数。优选地，对整体设计影响由小到大的参数进行优化。
进一步地，通过以下公式判断温度参数是否在温度阈值范围内：
Tjc＜Tj
其中，Tjc为IGBT芯片的实际工作温度，Tj为IGBT芯片性能衰退或损坏的最低温度，
Tjc＝Tc+Rjc*PTHD
其中，Tc为IGBT芯片的表面温度，通过CFD仿真分析得出，PTHD为IGBT芯片的最大热耗，Rjc为IGBT芯片结点至外壳的热阻，Rjc和PTHD通过IGBT芯片厂商说明书上标出。
进一步地，液压差阈值范围为≤8KPa。
具体地，在优化散热片冷却流体流道设计参数时，保证进出口液体液压差在8KPa以内，其中，液压差是通过进口流体压强减去出口流体压强得到，进口流体压强是已知的，出口压强通过CFD软件提取。
进一步地，参见图3和图4，虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数包括相邻两虚拟IGBT芯片1之间的间距L1和各虚拟IGBT芯片1与虚拟散热结构表面之间的间距L2，参见图6和图7，散热片翅片设计参数包括散热片翅片的宽度L3、高度L4和翅片间间距L5，散热片冷却流体流道设计参数包括散热片冷却流体流道转弯圆弧处半径和散热片冷却流体流道与冷却流体进出口管路交接处的角度。
为了匹配整车热管理设计，将散热片冷却流体流道与冷却流体进出口管路交接处的角度，或者进出口管路与冷却流体接触的角度设置为θ，如图8所示，以避免流体出现回流，增大沿程压力损失，并在初始角度例如30°的基础上给出一个浮动范围，该浮动范围例如可以但不限于±5°，θ角越大，流体沿程阻力越大，压力损失也就越大，不利于整车热管理设计，θ角太小，在结构设计中很难实现。将散热片冷却流体流道转弯圆弧处半径设为R，如图8所示，以避免流体出现回流，增大沿程压力损失，在初始半径例如1cm的基础上给出一个浮动范围，该浮动范围例如可以但不限于±3mm，R值越大，流体出现回流、明显漩涡的几率就越小，换热效率就越高，但R值受冷却流体空间及结构限制。在这里，基于流体热力学原理，能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，该定律控制着流场内各点的温度，其中含有压力、速度、温度等变量
具体地，相邻两虚拟IGBT芯片1之间的间距取值范围为1～5mm，需要优化的原因如下：基于热辐射原理，当IGBT单个芯片1发热功耗达到2KW以上时，相邻两虚拟IGBT芯片1之间的间距太小会导致由于热辐射影响太大不利于散热，而间距太大会导致壳体尺寸太大增加成本。
各虚拟IGBT芯片1与虚拟散热结构表面之间的间距取值范围为-2～0mm，例如，当各虚拟IGBT芯片1与虚拟散热结构表面之间的间距为0mm时，表明各虚拟IGBT芯片1直接安装在虚拟散热结构表面；当各虚拟IGBT芯片1与虚拟散热结构表面之间的间距为-2mm时，表明将各虚拟IGBT芯片1安装在虚拟散热结构的凹槽中，该凹槽离虚拟散热结构的表面2mm；各虚拟IGBT芯片1与虚拟散热结构表面之间的间距需要优化的原因如下：采用热沉技术和热传导原理，该间距可以改变内部热沉热阻，影响热传导效率，该间距越大热沉热阻越小，但太大会导致影响散热结构与冷却流体的密封性。
为了增加热对流换热面积，在散热片上设置翅片，基于热对流换热原理，散热片翅片的宽度、高度和翅片间间距尺寸直接影响着热对流的有效接触面积。
本发明的基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法的应用方法流程如下：第一步，输入虚拟电机控制器散热结构以及虚拟电机控制器建模参数；根据虚拟电机控制器散热结构以及虚拟电机控制器建模参数进行建模；进行虚拟电机控制器工作仿真试验，以获取虚拟电机控制器的工作温度以及虚拟冷却流体在虚拟电机控制器散热结构进出口之间的液压差；判断虚拟电机控制器的工作温度以及虚拟冷却流体在虚拟电机控制器散热结构进出口之间的液压差是否在阈值范围内；若在阈值范围内，则导出虚拟电机控制器散热结构以及虚拟电机控制器建模参数；若不在阈值范围内，则对虚拟电机控制器散热结构以及虚拟电机控制器建模参数进行优化调整。
本发明的基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法对电机控制器内部IGBT芯片布局、散热片尺寸设计、冷却流体流道设计提供理论支持，获取有效结果的方法，从而提高计算精度，得到IGBT芯片散热性能的评价结果及保证冷却流体进出口液体液压差在8KPa以内；在评价结果不满足要求时，采用对整体设计影响由小到大的参数改变，提高散热性能参数，使得设计过程中，很快的找到设计缺陷，优化设计，并减少试验次数，降低设计成本。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
图9为本发明实施例提供的计算机设备的示意图。本发明实施例提供的计算机设备，包括存储器901、处理器902及存储在存储器901上并可在处理器902上运行的计算机程序，所述处理器902执行所述计算机程序时实现上述各个基于物联网的知识产权许可方法实施例中的步骤，例如图1所示的S101，基于电机控制器实际参数构建虚拟电机控制器，基于散热结构实际参数构建虚拟散热结构；S110，基于虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数模拟虚拟电机控制器和虚拟散热结构的安装位置关系，并在虚拟散热结构中填充虚拟冷却流体；S120，按照实际测试要求模拟虚拟电机控制器工作；S130，提取虚拟电机控制器的温度参数，判断该温度参数是否在温度阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系；S140，提取虚拟冷却流体在虚拟散热结构进出口的液压差参数，判断该液压差参数是否在液压差阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系。
所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图5仅仅是计算机设备的示例，并不构成对计算机设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述计算机设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述计算机设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种基于CFD的电机控制器散热结构的模拟优化设计方法，其特征在于，包括：
基于虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数模拟虚拟电机控制器和虚拟散热结构的安装位置关系，并在虚拟散热结构中填充虚拟冷却流体；
按照实际测试要求模拟虚拟电机控制器工作；
提取虚拟电机控制器的温度参数，判断该温度参数是否在温度阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系；
虚拟电机控制器包括多个虚拟IGBT芯片，虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数包括相邻两虚拟IGBT芯片之间的间距和各虚拟IGBT芯片与虚拟散热结构表面之间的间距，散热片翅片设计参数包括散热片翅片的宽度、高度和翅片间间距，散热片冷却流体流道设计参数包括散热片冷却流体流道转弯圆弧处半径和散热片冷却流体流道与冷却流体进出口管路交接处的角度；还包括：提取虚拟冷却流体在虚拟散热结构进出口的液压差参数，判断该液压差参数是否在液压差阈值范围内，若是，则保存该虚拟散热结构以及虚拟电机控制器与虚拟散热结构的安装位置关系；还包括：
在提供电机控制器和虚拟散热结构之前，
基于电机控制器实际参数构建虚拟电机控制器；
基于散热结构实际参数构建虚拟散热结构，
其中，散热结构实际参数包括散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数；还包括：若温度参数不在温度阈值范围内，则调整虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数、散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数；还包括：若虚拟冷却流体在虚拟散热结构进出口的液压差参数不在液压差阈值范围内，则调整虚拟电机控制器与虚拟散热结构之间的安装参数、散热片翅片设计参数和散热片冷却流体流道设计参数；通过以下公式判断温度参数是否在温度阈值范围内：
Tjc＜Tj
其中，Tjc为IGBT芯片的实际工作温度，Tj为IGBT芯片性能衰退或损坏的最低温度，
Tjc＝Tc+Rjc*PTHD
其中，Tc为IGBT芯片的表面温度，PTHD为IGBT芯片的最大热耗，Rjc为IGBT芯片结点至外壳的热阻；液压差阈值范围为≤8KPa。
2.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
3.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。
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