電動汽車無線充電發(fā)射器溫度場數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)*

包禮成，榮夢雪

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

現(xiàn)階段，手機(jī)無線充電逐漸普及，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，電動汽車無線充電逐漸進(jìn)入到人們的視野。電動汽車無線充電是近些年逐漸發(fā)展起來的創(chuàng)新的充電形式，電動汽車在充電時(shí)不需要連接電線，不像傳統(tǒng)的飛線充電，車輛與充電器無需接觸便可完成充電，與飛線充電相比，無線充電具有安全系數(shù)高、受氣象因素影響小、充電更智能、配置方便等優(yōu)點(diǎn)。

電動汽車無線充電原理主要有4種，分別是電磁感應(yīng)[1]、磁共振[2]、電場耦合[3]和無線電波[4]，電磁感應(yīng)電動汽車無線充電是發(fā)射線圈與接收線圈相互作用生成電流，產(chǎn)生充電的效果，線圈由于有電阻，電流通過線圈便會產(chǎn)生熱量，同時(shí)發(fā)射器通常安裝在戶外，我國夏季大部分地區(qū)天氣炎熱，通常正午時(shí)分地表溫度將近50 ℃，再加上工作時(shí)的線圈發(fā)熱，發(fā)射器整體溫度過高會直接影響裝置的充電性能、使用的穩(wěn)定性及充電壽命，因此需要對無線充電發(fā)熱器發(fā)熱情況進(jìn)行研究并進(jìn)行優(yōu)化，確保其能在合理的溫度下工作。

1 數(shù)學(xué)模型

由于充電場地的限制，要嚴(yán)格控制無線充電發(fā)射器體積大小，在設(shè)計(jì)時(shí)便將發(fā)射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得十分緊密，因此裝置內(nèi)氣流為湍流動，其換熱形式主要為自然散熱及塑料間熱傳導(dǎo)。本文在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)采用K-ε 湍流模型（K 為湍動能；ε 為耗散率）數(shù)學(xué)模型[5-6]，該模型包括5 個(gè)主要方程。

一是質(zhì)量守恒方程為

式中：vr、vz、vφ分別為圓柱坐標(biāo)系下徑向、軸向和周向的相對流體速度；ρ 為氣體密度；t 為時(shí)間。

二是動量方程（忽略氣體重力作用）為

式中：V 為流體速度向量；μeff為等效黏度，μeff=μ+μt，其中，μ 為流體黏度，μt為湍流黏度，μt=Cμρk2/ε，Cμ為常數(shù)，取為0.09；pt為修正壓力，pt=p+2ρk/3，p 為壓力。

三是能量方程為

式中：ht為氣體總焓；λ 為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；T為氣體溫度。

四是湍動能方程（K 方程）為

式中：Cε1、Cε2、σk、σε均為常數(shù)。根據(jù)Launder B E 等[7]等研究及后來相關(guān)試驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)K-ε 模型中，Cε1、Cε2、σk、σε分別取Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2 無線充電發(fā)射器傳熱機(jī)理

分析研究無線充電發(fā)射器的傳熱過程時(shí)使用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法，將空間上的整體離散，分解成一系列的小節(jié)點(diǎn)，每個(gè)小節(jié)點(diǎn)周圍區(qū)域都由該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，該節(jié)點(diǎn)內(nèi)容豐富，包括負(fù)責(zé)區(qū)域的熱量、溫度等各類物理量。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與外部環(huán)境之間的熱量交換主要有3 種形式，分別是自然對流、熱傳導(dǎo)和輻射。假設(shè)熱量進(jìn)入的節(jié)點(diǎn)的方向是正方向，對節(jié)點(diǎn)i 建立熱平衡方程時(shí)采用熱平衡法，等式左邊為瞬態(tài)項(xiàng)，表示節(jié)點(diǎn)內(nèi)能在單位時(shí)間內(nèi)的變化情況，等式右邊為節(jié)點(diǎn)因傳導(dǎo)、對流和輻射在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的能量[8]。節(jié)點(diǎn)i 的熱平衡方程為

式中：m 為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；cp為材料比定壓熱容；T 為節(jié)點(diǎn)溫度；t 為時(shí)間；QC為節(jié)點(diǎn)因傳導(dǎo)而導(dǎo)入的熱量；Qc為節(jié)點(diǎn)因?qū)α鞫鴮?dǎo)入的能量；Qr為節(jié)點(diǎn)因輻射而導(dǎo)入的能量。

3 仿真模型的建立

在數(shù)值模擬前，首先對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用Fluent 軟件中ANSYS FLUENT Meshing 模塊完成網(wǎng)格的劃分。由于本文的研究對象是自然散熱狀態(tài)下無線充電發(fā)射器的溫度場，DO 輻射模型在計(jì)算式不僅精度高而且計(jì)算速度快，因此在數(shù)值模擬前選擇DO 模型作為仿真時(shí)的輻射模型?？紤]到發(fā)射器的工作環(huán)境，夏季自然環(huán)境溫度最高，故將太陽輻射的影響考慮到數(shù)值模擬當(dāng)中，F(xiàn)luent 軟件中可對發(fā)射器安裝位置的經(jīng)緯度、時(shí)區(qū)和基本天氣條件進(jìn)行設(shè)定，中國東部沿海地區(qū)時(shí)區(qū)為東八區(qū)，設(shè)置經(jīng)緯度為119°26′E、32°24′N（揚(yáng)州市）；一年中夏季溫度最高，因此天氣情況設(shè)置為夏天中午，晴朗少云的天氣。

在數(shù)值模擬前，不僅需要選擇合適的輻射模型，還要將無線充電發(fā)射器各部件材料參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)定，具體材料參數(shù)見表1，包括材料、密度、熱導(dǎo)率和比定壓熱容。

表1 材料參數(shù)表

由于發(fā)射器溫度場數(shù)值模擬屬于流固熱耦合范圍，因此在數(shù)值模擬計(jì)算前需要設(shè)定裝置外界空氣的接觸面、放置地面的性質(zhì)和充電線圈的發(fā)熱情況。由于無線充電發(fā)射器通常在室外使用，發(fā)射器的外表面直接接觸空氣，因此選擇“wall”作為發(fā)射器模型的外表面屬性，熱條件卡片選擇對流，將熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為5 W/（m2·K），安裝位置環(huán)境溫度設(shè)置為308 K，故將自由流溫度設(shè)為308 K。地面設(shè)置為“wall”，熱條件卡片選擇溫度，設(shè)置為308 K。發(fā)射器的熱源為發(fā)射器中的線圈，通過實(shí)測，測得線圈工作時(shí)的電流為0.26 A，線圈體積約為0.000 321 9 m3，線圈中電線的阻值為220 mΩ，計(jì)算出該發(fā)射器工作時(shí)消耗功率為148.72 W，因此熱源設(shè)置為體積熱源612 342 W/m3。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 新老發(fā)射器之間溫度場對比

在無線充電發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，將良好的散熱性能作為設(shè)計(jì)要求之一，將發(fā)射器一體式設(shè)計(jì)改進(jìn)為分體式設(shè)計(jì)，增加了抗壓層和外框?qū)?，抗壓層提高了抗碾壓性能的同時(shí)，也為熱量的散發(fā)流出了通道，同時(shí)在抗壓層與外框?qū)又g添加一圈散熱硅膠，提高散熱性能，本節(jié)對增加了散熱硅膠的新設(shè)計(jì)無線充電發(fā)射器進(jìn)行溫度場數(shù)值模擬分析，并與初代發(fā)射器數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比，分析其表面最高溫度和表面平均溫度是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。圖1 為散熱硅膠示意圖。

圖1 散熱硅膠示意圖

通過查閱GB/T 38775.1《電動汽車無線充電系統(tǒng)第1 部分：通用要求》，可知其對無線充電發(fā)射器表面最高溫度的相關(guān)規(guī)定具體內(nèi)容見表2。

表2 表面最高溫度 （℃）

經(jīng)過計(jì)算，初代發(fā)射器外表面溫度云圖見圖2，新設(shè)計(jì)發(fā)射器外表面溫度云圖見圖3。

圖2 初代發(fā)射器表面溫度云圖

圖3 新設(shè)計(jì)發(fā)射器表面溫度云圖

通過分析云圖可以看到，發(fā)射器中間位置溫度較高，即線圈所在位置，溫度由線圈位置逐漸向四周降低。新設(shè)計(jì)發(fā)射器與初代發(fā)射器外表面最高溫度分別為349.2 K 和356.3 K，發(fā)射器外表面最高溫度有所降低，可見新設(shè)計(jì)的發(fā)射器散熱能力有一定提升?？紤]到電動汽側(cè)無線充電裝置的使用及維護(hù)場景，裝置通常安裝在地面，同時(shí)工作人員在進(jìn)行日常清潔和維修保養(yǎng)都會觸碰到裝置表面，且發(fā)射器的外表面都是非金屬，根據(jù)GB/T 38775.1《電動汽車無線充電系統(tǒng)第1 部分：通用要求》規(guī)定，可以確定發(fā)射器外表面為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的接觸表面和用戶維護(hù)時(shí)需要觸及的非金屬表面，表2 中規(guī)定發(fā)射器外表面規(guī)定最高溫度為80 ℃（353.15 K）。最后，將數(shù)值模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值進(jìn)行比較，得出結(jié)論：由于初代發(fā)射器表面最高溫度比國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值高了3.15 K，因此初代發(fā)射器散熱不達(dá)標(biāo)；由于新設(shè)計(jì)發(fā)射器表面最高溫度比國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值低了3.95 K，因此新設(shè)計(jì)發(fā)射器散熱情況有所改善，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

接下來，對新老發(fā)射器表面平均溫度和溫度場進(jìn)行對比研究，圖4 為新老發(fā)射器表面平均溫度變化曲線。將新老發(fā)射器溫度場對比情況匯總成表，見表3。由于新設(shè)計(jì)發(fā)射器的表面最高溫度和表面平均溫度相較于初代發(fā)射器僅降低了7.1 K 和9.2 K，因此新設(shè)計(jì)的發(fā)射器散熱性能相較于初代發(fā)射器有所提高，且表面最高溫度在國家標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍內(nèi)，但是散熱效果提升不明顯，與國家標(biāo)準(zhǔn)值十分接近，考慮到實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性和數(shù)值模擬的偏差性，因此需要繼續(xù)優(yōu)化發(fā)射器，提升其散熱性能。

圖4 初代發(fā)射器與新設(shè)計(jì)發(fā)射器表面平均溫度變化曲線

表3 新老發(fā)射器溫度場對比 （K）

4.2 散熱結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)

上節(jié)進(jìn)行數(shù)值模擬分析后結(jié)果顯示，新設(shè)計(jì)發(fā)射器表面最高溫度和平均溫度相較于初代發(fā)射器有一定的降低，說明新設(shè)計(jì)發(fā)射器的散熱能力有所提高，降低的溫度值較小，散熱性能提升的不顯著，仍有一定的優(yōu)化空間。

不論是初代發(fā)射器，還是增加了散熱硅膠的新設(shè)計(jì)發(fā)射器，在散熱時(shí)都是利用外表面的材料進(jìn)行散熱，材料的導(dǎo)熱性好散熱性能就好，材料的導(dǎo)熱性差散熱性能也就較差，材料的導(dǎo)熱性是發(fā)射器散熱效果好與壞的決定性條件，考慮到無線充電是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的，因此制造發(fā)射器的主要材料為塑料，塑料的導(dǎo)熱性通常很差，考慮到在發(fā)射器材料上已經(jīng)沒有優(yōu)化的可行性，因此考慮改進(jìn)發(fā)射器的結(jié)構(gòu)，增加物流散熱通道來提升發(fā)射器的散熱能力。

圖5 為增加了散熱硅膠的新設(shè)計(jì)發(fā)射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，上節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果顯示新設(shè)計(jì)發(fā)射器散熱能力提升不顯著，故放棄散熱硅膠設(shè)計(jì)，由于新設(shè)計(jì)發(fā)射器在研發(fā)初期將擁有良好的抗碾壓性能作為設(shè)計(jì)要求之一，因此在發(fā)射器中間部位增加了中空層，通過中空層增加了緩沖空間，該緩沖空間為散熱優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)空間，通過在裝置的外框上挖散熱孔，跟中空層連通，改變外框?qū)雍涂箟簩樱嬖械纳峁枘z結(jié)構(gòu)，提高裝置的散熱性能。設(shè)計(jì)思路及開孔情況見圖5，因線圈和芯片被密封在底蓋層與底架層之間，如圖5 矩形框所示，開孔并不影響該發(fā)射器的防水防塵。

圖5 新設(shè)計(jì)發(fā)射器結(jié)構(gòu)

為了研究不同尺寸散熱孔對散熱性能的影響，設(shè)計(jì)3 種尺寸的散熱孔，散熱孔長度分別為70 mm、80 mm、90 mm，高度為中空層的高度9.62 mm。圖6為散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖；圖7 為不同尺寸散熱孔示意圖。

圖6 散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

圖7 不同尺寸散熱孔示意圖

4.3 優(yōu)化后散熱性能分析

發(fā)射器增加了散熱孔后，散熱空與中空層形成了散熱通道，需要評估增加了散熱通道的發(fā)射器散熱能力的改善情況。先在Fluent 軟件中導(dǎo)入增加散熱孔后的模型，邊界、輻射模型和太陽輻射模型等初始條件與上節(jié)設(shè)定相同，經(jīng)過計(jì)算可以得到圖8、圖9 和圖10 所示不同尺寸散熱孔發(fā)射器的仿真云圖。通過云圖可以看到，發(fā)射器表面最高溫度仍然聚集在發(fā)射器線圈所處的中間位置，且發(fā)射器表面溫度由中間部分向四周逐漸降低，除此之外散熱孔的大小對散熱性能有一定的影響，結(jié)果顯示，70 mm、80 mm 和90 mm 散熱孔的發(fā)射器外表面最高溫度分別為338.3 K、335.2 K 和333.4 K，散熱孔面積增大，散熱性能隨之提升，且?guī)в猩峥椎陌l(fā)射器表面最高溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，符合設(shè)計(jì)要求。圖11 為不同發(fā)射器平均溫度變化曲線。

圖8 70 mm 散熱孔發(fā)射器表面溫度云圖

圖9 80 mm 散熱孔發(fā)射器表面溫度云圖

圖10 90 mm 散熱孔發(fā)射器表面溫度云圖

圖11 不同發(fā)射器平均溫度變化曲線

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，散熱孔對發(fā)射器的散熱效果影響很大，增加散熱孔后散熱性能提升明顯，的發(fā)射器的表面最高溫度大幅降低，帶有70 mm、80 mm和90 mm 散熱孔的發(fā)射器外表面最高溫度，相較于初代發(fā)射器分別降低了18K、21.5K 和22.9 K，相較于帶有散熱硅膠的無散熱通道發(fā)射器表面最高溫度分別降低了10.9 K、14 K 和15.8 K，可見散熱孔對發(fā)射器散熱能力的提升有重要作用。對于發(fā)射器表面平均溫度，帶有3 種不同尺寸散熱孔的發(fā)射器表面平均溫度具有相同的變化趨勢，隨著散熱孔面積越大，發(fā)射器表面平均溫度也隨之變低，帶有散熱通道的發(fā)射器相較于舊版發(fā)射器表面平均溫度降低顯著。表4 為各發(fā)射器溫度場對比。

表4 各發(fā)射器溫度場對比 （K）

4.4 強(qiáng)制散熱對發(fā)射器溫度場的影響

上節(jié)對無線充電發(fā)射器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過自然對流的方式利用散熱通道將線圈產(chǎn)生的熱量帶出發(fā)射器內(nèi)部，從而發(fā)射器的整體溫度隨之降低，數(shù)值模擬結(jié)果也顯示帶有散熱通道的發(fā)射器散熱能力明顯增強(qiáng)。

本節(jié)以70 mm 散熱孔發(fā)射器模型為研究對象，探究若在散熱孔處增加強(qiáng)制散熱對發(fā)射器散熱性能的影響情況。給散熱孔處設(shè)置為速度入口，模擬散熱孔處有微型風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱的情況。設(shè)置3 種不同的散熱孔入口風(fēng)速，分別為0.3 m/s、0.5 m/s 和1 m/s，另一端散熱孔邊界條件設(shè)置為無風(fēng)速的自由出口，研究增加了強(qiáng)制散熱后發(fā)射器的散熱能力的改善情況。散熱孔入口風(fēng)速分別為0.3 m/s、0.5 m/s、1 m/s 時(shí)散熱通道流速流線圖和發(fā)射器表面溫度云圖，分別見圖12 和第86 頁圖13。

圖12 散熱通道速度流線圖

結(jié)合圖12 和圖13 可以看到，隨著散熱孔入口風(fēng)速的變大，散熱通道中氣流速度越快，快速的氣流流動帶走了更多的熱量，發(fā)射器表面溫度也就隨之下降，散熱孔入口風(fēng)速分別為0.3 m/s、0.5 m/s 和1 m/s時(shí)，發(fā)射器表面最高溫度分別為308.9 K、308.7 K 和308.5 K，以70 mm 散熱孔發(fā)射器為例，通過自然散熱與強(qiáng)制散熱發(fā)射器表面最高溫度有近30 K 的溫度差。研究結(jié)果表明，增加了強(qiáng)制散熱后的無線充電發(fā)射器散熱效果提升明顯。

圖13 發(fā)射器表面溫度云圖

5 結(jié)論

本文主要對電動汽車無線充電發(fā)射器進(jìn)行研究，利用數(shù)值模擬的方法研究新老發(fā)射器的溫度場的變化情況，并根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行散熱優(yōu)化，得到如下結(jié)論。

1）使用散熱硅膠形式散熱的新設(shè)計(jì)發(fā)射器相較于無散熱優(yōu)化的初代發(fā)射器表面最高溫度降低了7.5 K，表面平均溫度降低了9.2 K，使用散熱硅膠形式散熱的新設(shè)計(jì)發(fā)射器散熱能力有一定提高，但效果提升甚微，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

2）針對使用散熱硅膠散熱的無線充電發(fā)射器散熱效果提升不明顯的問題，通過增加散熱通道的方式提升發(fā)射器的散熱能力并進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果顯示自然對流散熱通道的發(fā)射器散熱能力提升明顯，表面最高溫度和表面平均溫度降幅顯著，例如帶有80 mm 散熱孔的發(fā)射器表面最高溫度和平均溫度相較于初代發(fā)射器分別降低了21.5 K 和11.8 K，證明發(fā)射器增加散熱孔對于散熱性能的提升十分明顯。

3）強(qiáng)制散熱對發(fā)射器散熱效果影響明顯，強(qiáng)制散熱條件下的發(fā)射器相對于自然散熱條件下的發(fā)射器表面最高溫度降低30 K，散熱效果進(jìn)一步提升，研究結(jié)果可為無線充電發(fā)射器的散熱優(yōu)化提供一定的設(shè)計(jì)思路。