某纯电动微型物流车电机四合一控制器水冷散热优化设计开题报告

全文总字数：5643字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着全球范围能源日益紧缺和人们对环保要求的不断提高，节能、环保的电动汽车越来越成为国内外汽车研发的热点。在电驱动系统中，散热设计对纯电动汽车的可靠运行起着至关重要的作用，如果电驱动系统存在局部过热现象，很容易导致功率器件因热疲劳损坏，影响整车性能。纯电动汽车电驱动系统的热源与内燃机有所不同，以控制器为例，其内部热源主要为功率半导体器件（IGBT 等）的损耗，由于IGBT的发热量集中度高，10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性将增长一倍。在微型纯电动汽车中，散热器的散热效果是制约控制器发展的关键问题。因此应用有效的散热技术，准确的设计出满足散热要求的散热器，是实现电机控制器高可靠性和高效率工作的关键途径。

常见的散热方式一般有自然冷却、强迫风冷、油冷和水冷四种。为了有效地对电机驱动器冷却，保证驱动器温升在允许的范围内，目前已经生产的电动汽车中电机驱动控制系统的冷却方式主要采用强制风冷和液冷两种。从增强散热效果，减少散热器重量和体积，提高电动汽车续航能力角度出发，采用液冷系统更适合电动汽车运行工况，功率在数十千瓦的电动汽车驱动控制器主要采用水冷方式进行散热。本文的主要目的是针对电机控制器的主要热源IGBT模块，根据实际情况为设计相应的冷却系统，并基于FLOEFD软件对其进行散热分析，得出其温度场和流场的详细分布，达到最优化的设计结果，并根据初期计算结果对电机控制器散热进行结构和工况的优化，使其达到最佳散热效果，从而可保证电机控制器长期稳定工作。

针对纯电动车电机控制器散热优化设计，国内外许多学者都进行了相关研究。黄枭凯，张正兴，胥巧丽等人创新性地提出了一种结构优化改进方案以解决电机控制器串联式水道冷却效率低且IGBT模块结温不均匀的问题。经过仿真对比分析，该方案对IGBT均温性有较大提升，为改善串联式翅柱液冷散热器的均温性，提升控制器的散热能力给予了一种新的设计应用思路[1]。潘政薇，温传新，骆 健等人以电机控制器中IGBT模块水冷散热回路为研究对象，根据传热机理对其进行了传热与流阻分析；并利用有限元仿真模拟软件对水冷散回路的散热性能进行仿真模拟，研究不同翅片尺寸、翅片数量、冷却水流量参数对IGBT散热结温与冷却水压降的影响规律，获得了水冷散热的最优设计参数[2]。姜坤，李 涛，张永亮等人，以直接水冷IGBT模块翅针散热器为研究对象，采用有限元方法建立翅针散热器及电机控制器冷却水槽的散热模型，并利用有限元软件ICEPAK对不同流量、结构参数IGBT模块翅针散热器的散热性能进行仿真分析，总结了各主要参数对散热性能的影响规律，为翅针散热器的优化设计提供了参考[3]。李菩卿根据IGBT实际情况，设计了具有两层水道的水冷散热器，将水冷散热器的三维模型导入ANASYS平台下的FLUENT进行热仿真分析，研究了流量对其散热性能及压降的影响，对散热器进行结构优化[4]。丁杰 ，张平等人以某电动汽车电机控制器用IGBT水冷散热器为研究对象，实验研究了模拟热源发热量、入口流量和冷却介质对温升曲线的影响；利用FLUENT软件进行了仿真分析，确定了水冷散热器热仿真时合适的流动状态模型[5]。文建平采用PSIM 和Matlab/Simulink，计算电动汽车用永磁同步电机控制器逆变电路的功率耗散及额定功率工况下的温度变化。在PSIM环境下建立电机控制器逆变电路热计算模型，获得功率器件的功耗，优化散热器结构[6]。王淑旺，赵卫健，唐志国等人针对一种新型水冷电机控制器的主要热源IGBT模块，根据实际工作情况设计了相应的冷却系统，并基于FLUENT软件对其进行散热分析，得出其温度场和流场的详细分布[7]。王 婷，谷 波，赵鹏程等人针对燃料电池汽车动力控制模块的液冷冷板，提出15种不同柱直径、柱高、柱间距的圆柱和椭圆柱的肋柱阵列布置方案。通过数值模拟的方法，研究了各方案在散热区域以及冷板整体中的传热强化能力，利用PEF评估了各方案的综合冷却效果，选出了冷板的最优方案[8]。常国峰, 许思传, 倪淮生等人设计了燃料电池汽车动力控制模块的冷却系统, 并用两种方案对其进行了计算校核; 在动力控制模块冷却系统的关键部件上采用了强化传热措施, 并应用FLUENT软件对冷却结构进行了数值模拟,根据模拟的结果对冷却结构进行了优化, 从而使动力控制模块实际运行情况良好[9]。言艳毛利用ICEPAK 软件，全面地对逆变器的各种散热情况进行了分析，得出最佳散热方案，为散热器的设计提供了依据，改进的散热器现已应用于多款电动汽车[10]。Fasquelle, A.; Laloy,D. 提出了一种应用于永磁同步电动机的新型水冷却系统，该系统的灵感来自电子冷却中广泛使用的概念，它包括在磁芯中安装一些冷却板。研究了基于计算流体动力学和有限元方法的数值方法，研究了流动结构和温度分布[11]。Gulhane, A.; Chincholkar, S. P.基于水和乙二醇等汽车散热器中的常规冷却液，研究了低浓度低浓度水基纳米流体在汽车散热器中的应用。证明了传热系数随颗粒浓度、流量的增加而增大，冷却液进口温度和最大传热系数比纯水提高45.87%[12]。Yun Li, Jing Shang,Shiwu Zhu, and Alina Ma介绍了一种基于IGBT双面冷却技术的集成功率模块（IPM）和集成功率单元（IPU）。IPU作为电动汽车应用中的电机控制器，集成在IPU中的IPM采用最新的沟道场阻IGBT器件封装，采用平面键合和双面冷却技术[13]。Ustun, O.; Cakan, M.; Tuncay, R. N.在开发一款纯电动汽车时针对电动机设计了一款蛇形冷却水道，利于电动机的散热设计[14]。

2. 研究的基本内容与方案

本研究基本内容包括：了解电动车的基本原理，掌握电动车控制器散热器的设计过程，基于给定条件对某微型纯电动物流车四合一电机控制器进行水冷散热优化设计（其中包括散热器冷却水道设计，上下水板结构优化）；计算电机控制器中主要功率器件的热损耗，为散热器的设计和结构优化提供充足的理论依据，并在对电机控制器热量交换和散热原理分析的基础上，合理确定散热器的水冷形式以及几何尺寸；利用专业的热分析软件floefd，建立电机控制器散热器的模型，对散热器进行热仿真和热分析，完成对电机控制器散热器的优化设计；完成相应的图纸绘制工作。

通过此次毕业设计，希望达成以下目标：

（1）、完成对电动车原理相关知识的巩固，掌握电动车控制器散热优化设计的一般流程。

3. 研究计划与安排

周次（时间）	工作内容
毕业设计预备周 （2019.12.26-2020.1.10）	确定指导教师人选，对未选好导师的学生进行调剂分配。确定选题志愿、校内搜集资料、消化资料。
第1周（2020.2.24-2.29）	学生提交文献检索摘要。
第2～3周 毕业实习周 （3.1~ 3.14）	赴校外实习、搜集设计资料，并提交实习日记、实习报告
第4～5周（3.16～3.29）	撰写开题报告。并完成网上提交开题报告。整理论文提纲、设计概要。
第6周（3.30～4.5）	进行外文翻译，并提交外文翻译译文。
第 7周（4.6~ 4.12）	设计类，下达绘图任务，开始绘图。
第8周（4.13~ 4.19）	继续完成绘图、试验或编程任务； 撰写毕业设计说明书（设计类）或论文（研究类）。
第9 ~ 11周（4.20~ 5.10）	完成绘图、试验或编程； 完善毕业设计说明书、毕业论文；
第12周（5.11~ 5.17）	网上提交毕业设计说明书、毕业论文、绘图等附件材料；提交答辩申请。
第13~14周（5.18~ 5.31）	教师审阅毕业设计说明书（设计类）或论文（研究类）和（图纸），审查确定学生答辩资格并予以公示。
第15周（6.1～6.7）	根据评阅意见修改毕业设计说明书、毕业论文，并网上提交；准备答辩PPT。
第16周（6.8~ 6.11）	毕业设计答辩。
备注：	此表是拟定时间。如有变化，以实际为准。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]黄枭凯,张正兴,胥巧丽.电机控制器串联式水道仿真及优化[j].汽车电器,2020(01):20-21.

[2]潘政薇,温传新,骆健.电机控制器igbt模块水冷散热设计[j].机电信息,2019(30):122-123 125.

[3]章国光,郭军朝,金万虎,王希诚.控制器热仿真分析与试验研究[j].电机与控制应用,2016,43(11):34-38 46.