EPS无刷电机控制器结构设计与散热性能试验

吴高峰+冉振云+陈奇志

摘 要： 为解决汽车电动助力转向系统大功率无刷电机控制器发热过大所致的功率MOSFET管损坏问题，结合固体结构热传导原理对控制器结构进行设计。运用有限体积法的控制器三维温度场模型，对该汽车电动助力转向系统（EPS）无刷控制器结构散热性能进行数值模拟，对控制器大电流、高温运行的情况下电路板温升进行试验测定，对比试验数据与数值计算结果，新型控制器结构设计合理，散热性能最好。数值模拟对新型EPS无刷控制器的批量生产具有重要实际意义。

关键字： 汽车电动助力转向系统； 无刷电机控制器； 有限体积法； 数值模拟

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0143?03

Design and heat dissipation performance simulation of EPS brushless motor ECU structure

WU Gao?feng， RAN Zhen?yun， CHEN Qi?zhi

（Elite Academe， Hunan Nanfang Aviation Industry Co.， Ltd.， Zhuzhou 412002， China）

Abstract： Based on heat conduction principle， the EPS （electric power steering） brushless motor ECU （electronic control units） structure was designed to eliminate the power Mosfet damage caused by overheating of EPS systems brushless motor ECU. By using ECU 3D temperature field model of the finite volume method， the heat dissipation performance of the brushless motor ECU structure was simulated and analyzed. PCB temperature rise was measured under the condition of large current and high temperature. The comparison between test values and numerical simulation results show that the design of the new type ECU structure is reasonable and its heat dissipation performance is best. The numerical simulation has the important practical significance for mass production of new EPS brushless ECU.

Keywords： electric power steering system； brushless motor ECU； finite volume method； numerical simulation

0 引 言

近年来，伴随着汽车工业的迅速崛起，汽车电动助力转向系统（EPS）[1]得到蓬勃发展，然而，消费大众对汽车相关的技术要求也越来越高，与汽车配套的EPS也逐步向大功率、高性能方向发展。通过增大控制器的输出电流以及电机功率， EPS功率、性能的虽有所改善，但同样也带来控制器电子元器件性能降低、发热过大的新问题，控制器发热过度，EPS整体功率提升也就不显著。可见，控制器电子元器件的发热与温控问题是制约EPS向大功率、高性能方向发展的重要因素之一。

EPS安装在汽车仪表下方，受汽车结构及工作性质的限制，EPS控制器无法按理想结构实现散热要求，加装风扇进行散热更加不切实际，由此更降低了控制器的散热能力，进而影响到EPS工作性能乃至相关元器件的寿命。因此，控制器散热的理论分析、结构设计及试验研究是大功率控制器开发面临的重大问题。

本文以匹配1 000 kg以上前轴载荷的新型大功率EPS无刷控制器结构的研制为基础，完成了对新型EPS控制器散热性能的数值模拟以及试验验证，为产品的批量生产提供了可靠的参考依据。

1 新型EPS控制器散热结构设计

EPS控制器须具有一定的防水、防潮功能，因此必须保证其结构紧凑，密闭，更因EPS控制器多数情况位于汽车驾驶室内，空气流通性差，因此控制器电子元器件产生的热量只能依靠传导和辐射的方式耗散[2]。

图1所示为新型EPS控制器散热结构。控制器由压铸的铝制壳体、钢制的镀锌壳盖、铝基板、控制板以及三个尼龙插座组成。钢制壳盖紧扣在壳体上，形成一个安装铝基板以及控制板的密闭空间，铝基板上装有6个功率MOSFET管。

图1 新型EPS控制器结构

在其他条件一定的情况下，物体传导系数越大，传热效率越高[2?4]，因此将铝制壳体作为传热介质，散热效果最好。在铝制壳体上，设计了一大小与铝基板面积相当的光洁平面，铝基板则采用导热硅胶粘结在铝制壳体上，这样驱动器产生的热量，通过铝制壳体传导至外界。如表1为所用材料的273 K时热传导系数[λ]。

表1 所用材料273 K时热传导系数 W/（m·K）

2 数值模拟理论模型

2.1 控制器三维温度场模型

根据傅里叶导热原理：控制器任一微元体的导热微分方程可以用下式表达[5]：

[ρc?t?τ=??xλ?t?x+??yλ?t?y+??zλ?t?z+qv]

式中：[t]为物体温度（单位：K）；[λ]为材料的导热系数（单位：W/（m·K））；[qv]为物体的内热源（单位：W·m3）；[ρ]为物体的密度（单位：kg·m-3）；[c]为材料定压比热（单位：J·kg-1·m-1）。

假定导热系数为常数，控制器各个部分均是各向同性、连续的、有内热源、物性参数已知。上式可以写成：

[ρcλ?t?τ=（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ] （1）

式中：[a=λρc]为热扩散系数（导温系数）。

本文主要探讨控制器结构的稳态温度场，那么式（1）中：[?t?τ=0]；则有：

[（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ=0] （2）

式（2）为以温度为变量的代数方程，本文采用基于有限体积法的数值计算法对式（2）进行数值分析。

2.2 边界条件以及初始条件处理

（1） 边界条件

根据前述的分析，控制器边界均为自由换热面，计算时假定所有自由换热面[Γ]热流均单向流出[5]：

[-λ?T?n-=α（TΓ-T∞）] （3）

式中：[α]为表面对流换热系数（单位：W/（m2·K））；[TΓ]为表面温度（单位：K）；[T∞]为环境介质温度（单位：K）。

（2） 初始条件

初始条件就是计算初始给定的参数，即[t=t0]时各个未知量的函数分布，很明显，控制器内部、外部的流体运动为定量的常数，即：

[u=v=w=0；p=p0‘ρ=ρ0；t=t0]

2.3 基于有限体积法的离散模型

有限体积法是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广泛的一种方法，这种方法具体是将所计算的区域划分为一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表，通过将守恒型的控制方程对控制体积作积分来导出离散方程[6]。主要包括计算区域的离散和控制方程的离散。控制器由多个部件构成，各个部件结构复杂，例如壳盖最小厚度尺寸为0.7 mm，因此必须采用非结构化网格对此这种复杂边界区域进行离散。采用非结构化网格离散方法所生成的模型如图2所示。

图2 非结构化网格离散模型图

3 数值模拟结果与试验验证分析

试验验证采用如图3所示试验台架进行，试验台架包括有控制器存放区、加载电机、ECU输出电流检测仪、PCB板温度监测仪组成。

图3 控制器高温运行试验台架

通过试验证明：在环境温度为85 ℃、控制器运行10 h以及控制器工作电流保持在80 A Peak的情况下，控制器的温升为43 ℃，控制器PCB板最高温度为128 ℃。

经过数值模拟计算出控制器在高温环境下的温度场以及空气流速分布，如图4所示。从计算结果分析，控制器在85 ℃的环境下，工作电流为80 A Peak，控制器的温升为46 ℃，MOSFET最高温度为138 ℃，PCB板温度为131 ℃。实测数据与数值模拟对比如表2所示。

图4 控制器温度分布以及空气流速云图

对比数值模拟与控制器试验验证，此控制器结构合理，散热性能最好。

4 结 语

根据热传导的基本原理，基于有限体积法进行数值模拟，结合试验验证，分析了新型EPS无刷控制器结构散热性能，结论如下：

（1） 运用控制器离散模型，以热传导能量控制方程为基础，能够实现控制器温度场的数值模拟，模拟结果与试验结果吻合较好。

（2） 压铸铝壳体是EPS控制器热量耗散的关键部分，换句话说，传导散热是控制器散热的主要形式之一，数值模拟验证了上述判断。

（3） 以热传导系数高的材料为导热基体、增大热源与导热基体的接触面积是提高控制器散热的有效方法。

（4） 本文所建立的基于有限体积法的控制器三维温度场模型、采用的数值模拟以及试验验证方法，对此类型控制器的研究是正确、可靠的。

表2 实测数据与数值模拟对比

参考文献

[1] HU Ai?jun， BAOZHAN LV. Development of the automobile steering system [J]. Applied Mechanics and Materials， 2011， 20（11）： 272?275.

[2] 付桂翠，高泽溪.影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析[J].电子器件，2003，26（4）.354?356.

[3] 罗颖，陈慧，高峰，等.EPS控制器散热片设计优化[C].中国汽车工程学会年会论文集.北京：中国汽车工程学会，2009：1797?1802.

[4] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 孙首群，卢华阳.新型驱动器散热器散热性能仿真与优化[J].系统仿真学报，2008，20（11）：2821?2824.

[6] 江帆，黄鹏.Fluent 高级应用与实例教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7] 杨兆华，王坤林.新型EPS电源工作过程及仿真研究[J].现代电子技术，2007，30（8）：11?13.

[8] 刘典文，陈列.尊基于Modbus的EPS应急电源监控系统的研究[J].现代电子技术，2007，30（21）：150?152.

根据傅里叶导热原理：控制器任一微元体的导热微分方程可以用下式表达[5]：

[ρc?t?τ=??xλ?t?x+??yλ?t?y+??zλ?t?z+qv]

式中：[t]为物体温度（单位：K）；[λ]为材料的导热系数（单位：W/（m·K））；[qv]为物体的内热源（单位：W·m3）；[ρ]为物体的密度（单位：kg·m-3）；[c]为材料定压比热（单位：J·kg-1·m-1）。

假定导热系数为常数，控制器各个部分均是各向同性、连续的、有内热源、物性参数已知。上式可以写成：

[ρcλ?t?τ=（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ] （1）

式中：[a=λρc]为热扩散系数（导温系数）。

本文主要探讨控制器结构的稳态温度场，那么式（1）中：[?t?τ=0]；则有：

[（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ=0] （2）

式（2）为以温度为变量的代数方程，本文采用基于有限体积法的数值计算法对式（2）进行数值分析。

2.2 边界条件以及初始条件处理

（1） 边界条件

根据前述的分析，控制器边界均为自由换热面，计算时假定所有自由换热面[Γ]热流均单向流出[5]：

[-λ?T?n-=α（TΓ-T∞）] （3）

式中：[α]为表面对流换热系数（单位：W/（m2·K））；[TΓ]为表面温度（单位：K）；[T∞]为环境介质温度（单位：K）。

（2） 初始条件

初始条件就是计算初始给定的参数，即[t=t0]时各个未知量的函数分布，很明显，控制器内部、外部的流体运动为定量的常数，即：

[u=v=w=0；p=p0‘ρ=ρ0；t=t0]

2.3 基于有限体积法的离散模型

有限体积法是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广泛的一种方法，这种方法具体是将所计算的区域划分为一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表，通过将守恒型的控制方程对控制体积作积分来导出离散方程[6]。主要包括计算区域的离散和控制方程的离散。控制器由多个部件构成，各个部件结构复杂，例如壳盖最小厚度尺寸为0.7 mm，因此必须采用非结构化网格对此这种复杂边界区域进行离散。采用非结构化网格离散方法所生成的模型如图2所示。

图2 非结构化网格离散模型图

3 数值模拟结果与试验验证分析

试验验证采用如图3所示试验台架进行，试验台架包括有控制器存放区、加载电机、ECU输出电流检测仪、PCB板温度监测仪组成。

图3 控制器高温运行试验台架

通过试验证明：在环境温度为85 ℃、控制器运行10 h以及控制器工作电流保持在80 A Peak的情况下，控制器的温升为43 ℃，控制器PCB板最高温度为128 ℃。

经过数值模拟计算出控制器在高温环境下的温度场以及空气流速分布，如图4所示。从计算结果分析，控制器在85 ℃的环境下，工作电流为80 A Peak，控制器的温升为46 ℃，MOSFET最高温度为138 ℃，PCB板温度为131 ℃。实测数据与数值模拟对比如表2所示。

图4 控制器温度分布以及空气流速云图

对比数值模拟与控制器试验验证，此控制器结构合理，散热性能最好。

4 结 语

根据热传导的基本原理，基于有限体积法进行数值模拟，结合试验验证，分析了新型EPS无刷控制器结构散热性能，结论如下：

（1） 运用控制器离散模型，以热传导能量控制方程为基础，能够实现控制器温度场的数值模拟，模拟结果与试验结果吻合较好。

（2） 压铸铝壳体是EPS控制器热量耗散的关键部分，换句话说，传导散热是控制器散热的主要形式之一，数值模拟验证了上述判断。

（3） 以热传导系数高的材料为导热基体、增大热源与导热基体的接触面积是提高控制器散热的有效方法。

（4） 本文所建立的基于有限体积法的控制器三维温度场模型、采用的数值模拟以及试验验证方法，对此类型控制器的研究是正确、可靠的。

表2 实测数据与数值模拟对比

参考文献

[1] HU Ai?jun， BAOZHAN LV. Development of the automobile steering system [J]. Applied Mechanics and Materials， 2011， 20（11）： 272?275.

[2] 付桂翠，高泽溪.影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析[J].电子器件，2003，26（4）.354?356.

[3] 罗颖，陈慧，高峰，等.EPS控制器散热片设计优化[C].中国汽车工程学会年会论文集.北京：中国汽车工程学会，2009：1797?1802.

[4] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 孙首群，卢华阳.新型驱动器散热器散热性能仿真与优化[J].系统仿真学报，2008，20（11）：2821?2824.

[6] 江帆，黄鹏.Fluent 高级应用与实例教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7] 杨兆华，王坤林.新型EPS电源工作过程及仿真研究[J].现代电子技术，2007，30（8）：11?13.

[8] 刘典文，陈列.尊基于Modbus的EPS应急电源监控系统的研究[J].现代电子技术，2007，30（21）：150?152.

根据傅里叶导热原理：控制器任一微元体的导热微分方程可以用下式表达[5]：

[ρc?t?τ=??xλ?t?x+??yλ?t?y+??zλ?t?z+qv]

式中：[t]为物体温度（单位：K）；[λ]为材料的导热系数（单位：W/（m·K））；[qv]为物体的内热源（单位：W·m3）；[ρ]为物体的密度（单位：kg·m-3）；[c]为材料定压比热（单位：J·kg-1·m-1）。

假定导热系数为常数，控制器各个部分均是各向同性、连续的、有内热源、物性参数已知。上式可以写成：

[ρcλ?t?τ=（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ] （1）

式中：[a=λρc]为热扩散系数（导温系数）。

本文主要探讨控制器结构的稳态温度场，那么式（1）中：[?t?τ=0]；则有：

[（?2t?x2+?2t?y2+?2t?z2）+qvλ=0] （2）

式（2）为以温度为变量的代数方程，本文采用基于有限体积法的数值计算法对式（2）进行数值分析。

2.2 边界条件以及初始条件处理

（1） 边界条件

根据前述的分析，控制器边界均为自由换热面，计算时假定所有自由换热面[Γ]热流均单向流出[5]：

[-λ?T?n-=α（TΓ-T∞）] （3）

式中：[α]为表面对流换热系数（单位：W/（m2·K））；[TΓ]为表面温度（单位：K）；[T∞]为环境介质温度（单位：K）。

（2） 初始条件

初始条件就是计算初始给定的参数，即[t=t0]时各个未知量的函数分布，很明显，控制器内部、外部的流体运动为定量的常数，即：

[u=v=w=0；p=p0‘ρ=ρ0；t=t0]

2.3 基于有限体积法的离散模型

有限体积法是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广泛的一种方法，这种方法具体是将所计算的区域划分为一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表，通过将守恒型的控制方程对控制体积作积分来导出离散方程[6]。主要包括计算区域的离散和控制方程的离散。控制器由多个部件构成，各个部件结构复杂，例如壳盖最小厚度尺寸为0.7 mm，因此必须采用非结构化网格对此这种复杂边界区域进行离散。采用非结构化网格离散方法所生成的模型如图2所示。

图2 非结构化网格离散模型图

3 数值模拟结果与试验验证分析

试验验证采用如图3所示试验台架进行，试验台架包括有控制器存放区、加载电机、ECU输出电流检测仪、PCB板温度监测仪组成。

图3 控制器高温运行试验台架

通过试验证明：在环境温度为85 ℃、控制器运行10 h以及控制器工作电流保持在80 A Peak的情况下，控制器的温升为43 ℃，控制器PCB板最高温度为128 ℃。

经过数值模拟计算出控制器在高温环境下的温度场以及空气流速分布，如图4所示。从计算结果分析，控制器在85 ℃的环境下，工作电流为80 A Peak，控制器的温升为46 ℃，MOSFET最高温度为138 ℃，PCB板温度为131 ℃。实测数据与数值模拟对比如表2所示。

图4 控制器温度分布以及空气流速云图

对比数值模拟与控制器试验验证，此控制器结构合理，散热性能最好。

4 结 语

根据热传导的基本原理，基于有限体积法进行数值模拟，结合试验验证，分析了新型EPS无刷控制器结构散热性能，结论如下：

（1） 运用控制器离散模型，以热传导能量控制方程为基础，能够实现控制器温度场的数值模拟，模拟结果与试验结果吻合较好。

（2） 压铸铝壳体是EPS控制器热量耗散的关键部分，换句话说，传导散热是控制器散热的主要形式之一，数值模拟验证了上述判断。

（3） 以热传导系数高的材料为导热基体、增大热源与导热基体的接触面积是提高控制器散热的有效方法。

（4） 本文所建立的基于有限体积法的控制器三维温度场模型、采用的数值模拟以及试验验证方法，对此类型控制器的研究是正确、可靠的。

表2 实测数据与数值模拟对比

参考文献

[1] HU Ai?jun， BAOZHAN LV. Development of the automobile steering system [J]. Applied Mechanics and Materials， 2011， 20（11）： 272?275.

[2] 付桂翠，高泽溪.影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析[J].电子器件，2003，26（4）.354?356.

[3] 罗颖，陈慧，高峰，等.EPS控制器散热片设计优化[C].中国汽车工程学会年会论文集.北京：中国汽车工程学会，2009：1797?1802.

[4] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 孙首群，卢华阳.新型驱动器散热器散热性能仿真与优化[J].系统仿真学报，2008，20（11）：2821?2824.

[6] 江帆，黄鹏.Fluent 高级应用与实例教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7] 杨兆华，王坤林.新型EPS电源工作过程及仿真研究[J].现代电子技术，2007，30（8）：11?13.

[8] 刘典文，陈列.尊基于Modbus的EPS应急电源监控系统的研究[J].现代电子技术，2007，30（21）：150?152.