CN111770671B - 一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法，包括：获取电机控制器的散热器额定齿高以及电机控制器发热模块允许的最高平均温度；以固定步长通过迭代方式对所述散热器实际齿高进行优化，使得电机控制器发热模块的实际平均温度与所述电机控制器发热模块允许的最高平均温度的差值满足阈值要求，从而确定散热器的最优齿高。本发明在保证电机控制器实际散热需求的情况下，降低电机控制器的体积和重量，同时降低了电动飞机的起飞重量，在同等电池容量的情况下，增加了飞机的续航时间，提升了电动飞机的品质。

Description

一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法

技术领域

本发明涉及飞行器散热结构设计领域，具体而言，尤其涉及一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法。

背景技术

电动飞机作为新能源交通工具的一种，以其零排放、无污染、低噪声，结构简单、乘坐舒适性好等诸多优点，逐渐受到人们的广泛青睐。在电动飞机中，电机控制器是电动飞机的核心部件，也是电动飞机的主要发热元件之一，而绝缘栅双极型晶体管(以下简称：IGBT)模块是电机控制器的主要发热源，由于IGBT模块的高度集成，单位体积内的热流密度大，在大电流冷却条件差的情况下极易因发热而损坏，严重影响了电机控制器的可靠性。电机控制器散热器主要有风冷和水冷两种散热结构，各有其优缺点，水冷散热结构的优点是体积小，散热能力强；其缺点主要在于需要配置水泵、水箱、热交换器及管路等辅助设备，辅助结构复杂，可靠性低。而风冷散热结构的优点主要在于结构简单、可靠性高、不需要外加辅助设备等；其缺点是散热能力差，同等功率等级下散热器尺寸和重量较大。

结合电动飞机的自身特点，受电池能量密度的限制，减轻飞机的起飞重量是增加飞机续航时间的有效方式，因此风冷散热器结构以其高可靠性及重量轻的优势更适合于电动飞机电机控制器。在常规电机控制器风冷散热结构设计时，为了满足大电流条件下电机控制器的散热需求，一般根据电机控制器的额定功耗进行设计，而忽略运行工况对设计的影响。

电动飞机在实际飞行过程中，主要可分为：起飞、巡航和降落三个阶段，飞机仅在起飞阶段的较短时间内需要电机控制器按照额定功率运行，而在飞机巡航阶段电机控制器的功率需求仅为额定功率的1/3左右，在降落阶段的功率需求更是微乎其微。显然，按常规电机控制器在额定功率下的散热需求进行散热器的设计，其设计裕度较大，设计完成的散热器重量和体积过大。

发明内容

根据上述因现有散热器设计裕度较大而造成散热器重量和体积过大的技术问题，而提供一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化设计方法。本发明结合电动飞机的实际运行工况，在保证IGBT模块运行工况不超温的前提下，优化电机控制器的散热器结构，减小电机控制器散热器的尺寸及重量，对减小电动飞机电推进系统重量，提升电动飞机续航能力具有重要意义。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法，包括：

获取电机控制器的散热器额定齿高以及电机控制器发热模块允许的最高平均温度，其中所述散热器额定齿高为依据电机控制器的额定散热功率需求设计的散热器齿高；

以固定步长通过迭代方式对所述散热器额定齿高进行优化，使得电机控制器发热模块的实际平均温度与所述电机控制器发热模块允许的最高平均温度的差值满足阈值要求，从而确定散热器的最优齿高，其中所述电机控制器发热模块的实际平均温度根据散热器实际齿高计算得到。

进一步地，所述电机控制器发热模块的实际平均温度，根据以下步骤计算：

获取电机控制器由内部至外部的热阻，所述电机控制器由内部至外部的热阻包括电机控制器发热模块的热阻、发热模块基板到电机控制器散热器的热阻以及散热器与空气热交换热阻之和；

获取电机控制器的实时功率损耗以及外部环境温度；

根据所述电机控制器由内部至外部的热阻、电机控制器的实时功率损耗以及外部环境温度计算电机控制器发热模块的实际平均温度。

进一步地，所述电机控制器发热模块的热阻，根据以下步骤计算：

计算电机控制器发热模块的各子模块的热阻；

根据各子模块的组合方式计算电机控制器发热模块的热阻，其中各子模块的组合方式包括串联和并联。

进一步地，所述电机控制器发热模块的各子模块的热阻，根据以下步骤计算：

获取电机控制器发热模块的各子模块中包含的元件的热阻特性曲线，并通过拟合方式获取元件的热阻特性方程；

根据各元件的组合方式计算所述子模块的热阻。

进一步地，所述发热模块基板到电机控制器散热器的热阻根据散热器实际齿高计算得到。

进一步地，所述散热器与空气热交换热阻，根据以下步骤计算：

获取散热器进气口的来流速度；

根据所述散热器进气口的来流速度计算所述散热器与空气热交换热阻。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在保证电机控制器实际散热需求的情况下，降低电机控制器的体积和重量，同时降低了电动飞机的起飞重量，在同等电池容量的情况下，增加了飞机的续航时间，提升了电动飞机的品质。

2、采用本发明方案，使得电机控制器体积和重量降低，能够减少电机控制器的成本，同时降低了电动飞机的成本，使电动飞机更具有市场竞争优势。

3、本发明能够适用于所有采用风冷散热结构散热的电动飞机电机控制器的风冷散热结构的优化设计，通用性强。

基于上述理由本发明可在电动飞行器设计领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明散热器结构优化方法流程图。

图2为通用电动飞机发动机舱内部结构示意图。

图3为实施例中散热器结构优化执行流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

小型电动飞机的电机控制器一般采用风冷散热结构，风冷散热结构具有结构简单、免维护等特点，通用电机控制器按其额定功率的散热需求进行风冷散热结构的设计，其设计体积和重量较大，而电动飞机受电池能量密度的限制，为了增加飞机续航时间，为减小“1克”飞机重量而努力，因此根据飞机的实际发热需求进行电机控制器风冷散热结构进行的优化设计，具有重要意义。

电动飞机电机控制器通常作为电动飞机的核心发热功率部件一般被安放在飞机机头部位的发动机舱内，如图2所示为通用双座电动飞机发动机舱内部结构，飞机的电机控制器被安放在电机的后部，同时为了保证电机控制器的散热需求，分别在发动机舱整流罩的前部和后部开进出气口，电机控制器散热结构位于进出气口的位置，气流从飞机发动机舱整流罩前部进气口进入，流经电机控制器的散热结构，然后由发动机舱整流罩的后部出气口流出，可由风速传感器实时采集流进发动机舱整流罩前部进气口的风速，用于电机控制器风冷散热结构的优化算法。电机控制器内部安装有高精度电流及电压传感器，通过实时采集电机控制器的输入/输出电流及电压，可获得电机控制器在飞机不同运行工况下的实时功率损耗。

基于上述研发背景，本申请公开了一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法，如图1所示包括：S1散热器额定齿高以及电机控制器发热模块最高平均温度的获取步骤，以及S2散热器实际齿高的优化步骤。其中散热器额定齿高为依据电机控制器的额定散热功率需求设计的散热器齿高。

散热器实际齿高的优化步骤具体包括：以固定步长通过迭代方式对散热器实际齿高进行优化，使得电机控制器发热模块的实际平均温度与电机控制器发热模块允许的最高平均温度的差值满足阈值要求，从而确定散热器的最优齿高。

其中，电机控制器发热模块的实际平均温度根据散热器实际齿高计算得到，具体包括：

S201、获取电机控制器由内部至外部的热阻，电机控制器由内部至外部的热阻包括电机控制器发热模块的热阻、发热模块基板到电机控制器散热器的热阻以及散热器与空气热交换热阻之和。

其中，发热模块基板到电机控制器散热器的热阻根据散热器的实际齿高计算。散热器与空气热交换热阻根据所述散热器进气口的来流速度计算。

电机控制器发热模块的热阻根据以下步骤计算：

a.计算电机控制器发热模块的各子模块的热阻。包括获取电机控制器发热模块的各子模块中包含的元件的热阻特性曲线，并通过拟合方式获取元件的热阻特性方程；

b.根据各子模块的组合方式计算电机控制器发热模块的热阻，其中各子模块的组合方式包括串联和并联。

S202、获取电机控制器的实时功率损耗以及外部环境温度。

S203、根据所述电机控制器由内部至外部的热阻、电机控制器的实时功率损耗以及外部环境温度计算电机控制器发热模块的实际平均温度。

下面通过具体的应用实例，对本发明的技术方案做进一步说明。

IGBT模块是电机控制器的主要发热器件，一个电机控制器至少由6个IGBT构成，每个IGBT并联一个续流二极管(以下简称：FWD)，用于IGBT开关过程中的续流，防止IGBT应过流而损坏，通过根据热平衡理论，搭建电机控制器热阻网络模型，对IGBT模块的温度进行估算。本实施例中所述发热模块即为由IGBT并联FWD构成的IGBT模块。基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法主要包括以下步骤：

1、一个IGBT模块至少由一个IGBT及一个FWD构成，IGBT和FWD采用并联形式，查阅电机控制器中使用的IGBT模块手册，获得IGBT及FWD的热阻特性曲线，并采用最小二乘多项式拟合法，拟合获得IGBT及FWD的热阻特性方程

其中，R_i为IGBT的热阻拟合系数；R_j为FWD的热阻拟合系数；τ为IGBT和FWD的热时间常数；t为IGBT和FWD的运行时间。

因此，IGBT和FWD采用并联形式，一个IGBT模块的热阻可表示为

2、假设散热器的长度、翅片宽和翅片数保持不变，IGBT模块基板到电机控制器散热器的热阻可表示为散热器齿高的函数

其中，ks为散热器的导热系数，该系数与控制器工作环境温度相关，假设工作环境温度为20℃，可近似为常量；L为散热器长度；b为散热器翅片宽；n为散热器的翅片数；l₁为散热器的齿高。

3、电机控制器在飞机飞行过程中依靠飞行过程中的来流速度进行散热，飞机在飞行过程中电机控制器散热器进气口的风速传感器可实时监测采集散热器进气口的来流速度，散热器与空气热交换热阻可表示为散热器进气口来流速度的函数

其中，式中：ρ(T_air)为空气密度，单位为kg/m³；c_p(T_air)为比热容，单位为J/kg﹒K；Pr(T_air)为普朗特数；δ(T_air)为动力粘度系数，单位为10^-5﹒m²/s；T_air为散热器工作环境温度，单位为℃，假设工作环境温度为20℃；v_s为飞机在飞行过程中电机控制器散热器进气口的来流速度。

4、因此，假设一个电机控制器内部由q个IGBT模块串联及p个模块并联构成，内部至外部的热阻可表示为

5、根据热阻抗的基本定义，假设控制器外部环境的温度为T_air，则IGBT模块内部的平均温度可表示为

T_mode(t)＝T_air+Z_c(t)P_m(t) (6)

其中，P_m(t)为电机控制器在飞机不同运行工况下的实时功率损耗。

6、以电机控制器散热器的齿高l作为优化变量，散热器其它结构设计参数为常量，建立完成的电动飞机控制器风冷散热器结构优化目标函数为

其中，T_mode为IGBT模块在飞机不同运行工况下的最高工作温度；T_{max_mode}为IGBT模块最高允许工作温度；l为按电机控制器额定功率散热需求设计的散热器齿高；△l为步长。

7、在给定允许T_mode情况下，其电机控制器散热器结构优化方法如图3所示，包括：

(1)给定步长△l，令n＝0；

(2)假设l₁＝l-n△l，将l₁带入式(7)计算得T_mode；

(3)若T_mode-T_{max_mode}≤0.01，则l₁＝l为最优风冷散热器齿高；

(4)若T_mode-T_{max_mode}＞0.01，分别取n＝1,2,3,…,

重复步骤(2)，(3)进行迭代计算；

(5)假设当n＝m时，且

T_mode[m]-T_{max_mode}≤0.01，迭代结束；

(6)l₁＝l-m△l为最优风冷散热器齿高。

该技术已经在RX1E飞机风冷电机控制器中得到了应用，其重量减轻5％。本发明能够有效优化飞机电机控制器结构，降低飞机电机控制器的重量及体积，从而减小电动飞机起飞重量，增加飞机续航时间，弥补电动飞机续航时间的短板，提升电动飞机的市场竞争力；其次，能够有效降低电动飞机电机控制器的制造成本，使电动飞机的价格更具优势，从而达到提升电动飞机市场占有率的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (3)

1.一种基于电动飞机运行工况的散热器结构优化方法，其特征在于，包括：

获取电机控制器的散热器额定齿高以及电机控制器发热模块允许的最高平均温度，其中所述散热器额定齿高为依据电机控制器的额定散热功率需求设计的散热器齿高；

以固定步长通过迭代方式对所述散热器实际齿高进行优化，使得电机控制器发热模块的实际平均温度与所述电机控制器发热模块允许的最高平均温度的差值满足阈值要求，从而确定散热器的最优齿高；

所述电机控制器发热模块的实际平均温度的获取方式如下：

获取电机控制器由内部至外部的热阻，所述电机控制器由内部至外部的热阻包括电机控制器发热模块的热阻、发热模块基板到电机控制器散热器的热阻以及散热器与空气热交换热阻之和，

获取电机控制器的实时功率损耗以及外部环境温度，

根据所述电机控制器由内部至外部的热阻、电机控制器的实时功率损耗以及外部环境温度计算电机控制器发热模块的实际平均温度；

所述电机控制器发热模块的热阻，根据以下步骤计算：

计算电机控制器发热模块的各子模块的热阻，

根据各子模块的组合方式计算电机控制器发热模块的热阻，其中各子模块的组合方式包括串联和并联；

所述电机控制器发热模块的各子模块的热阻，根据以下步骤计算：

获取电机控制器发热模块的各子模块中包含的元件的热阻特性曲线，并通过拟合方式获取元件的热阻特性方程，

根据各元件的组合方式计算所述子模块的热阻。

2.根据权利要求1所述的散热器结构优化方法，其特征在于，所述发热模块基板到电机控制器散热器的热阻根据散热器实际齿高计算得到。

3.根据权利要求1所述的散热器结构优化方法，其特征在于，所述散热器与空气热交换热阻，根据以下步骤计算：

获取散热器进气口的来流速度；

根据所述散热器进气口的来流速度计算所述散热器与空气热交换热阻。

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