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电动汽车集成功率控制单元热分析与散热研究

作　者: 李成阳
导　师: 郑亮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 力学
关键词: 电动汽车 流固耦合 散热 热阻法 等效热阻
分类号: U469.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


电动汽车中大量使用电力电子设备，为了提高整车系统的集成度和稳定性，将驱动电机控制器、车载充电器、DC/DC（直流转直流）和电动空调等以电力电子变换电路为核心的电气设备集中布置，形成集成功率控制单元（PCU），以便对其进行统一的电路结构、驱动单元、控制单元的设计。由于系统集中布置，集成度高，发热零部件的分布高度集中，系统的散热问题更加突出，不容忽视。本文重点分析PCU主要热源和关键零部件的散热特点和计算热损耗值，并进行专门的散热研究和仿真计算。本文主要研究的内容和成果如下：分析PCU系统的主要热量来源，对主要热源零部件结构进行传热学的分析。对散热零部件内部封装结构和散热机理进行分析研究，找到热源和热传递的路径。分析热源体部件工作方式的特点，计算其工作时的热损耗量，作为散热计算和仿真的重要参考依据。根据传热学知识，建立流固耦合分析的数学模型，作为仿真分析的理论基础。建立水冷散热的热阻模型，为仿真分析提供理论对比。由于某些发热零部件内部具体参数为商业机密，生产商一般不会提供。为了建立散热仿真用三维模型，本文根据等效热阻的概念，计算出仿真用关键部件的尺寸，建立仿真模型，用Fluent进行流固耦合散热仿真，其结果和热阻模型计算结果进行对比，验证等效热阻法简化模型的正确性和散热方案的可行性。对于热损耗不同的PCU，小功率采用S型流道结构散热，大功率采用翅针结构进行散热。分别在Fluent软件中对它们进行流固耦合散热仿真，仿真结果跟热阻法计算值进行对照分析，验证仿真结果可靠性。然后对改变散热结构或尺寸参数的模型进行仿真计算，分析不同结构或尺寸参数对于散热效果的影响，找到比较有效率的散热结构。本文对电动汽车集成功率控制单元热损耗和散热进行的理论分析、计算和仿真，建立了热阻法计算模型和等效热阻法简化仿真模型，对水冷散热进行仿真计算。其计算和仿真结果对于电动汽车散热方面具有一定理论价值和较强的工程应用和参考价值。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 课题背景  9
  1.2 研究的目的和意义  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-12
    1.3.1 国外研究现状  10-12
    1.3.2 国内研究现状  12
  1.4 本文主要研究内容  12-13
第2章 集成功率模块热模型的建立  13-25
  2.1 引言  13
  2.2 集成功率控制单元简介  13
  2.3 IGBT 模块封装结构  13-16
    2.3.1 IGBT 芯片结构和连接方式  13-15
    2.3.2 单个芯片的分层封装结构  15-16
  2.4 IGBT 模块散热原理  16-24
    2.4.1 模块散热路径分析  16
    2.4.2 模块散热数学模型  16-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章 小功率集成模块 S 型流道散热分析  25-45
  3.1 引言  25
  3.2 IGBT 模块热损耗计算  25-28
  3.3 热阻法计算模块的温升  28-32
    3.3.1 建立模块热阻模型  28-30
    3.3.2 芯片节点和模块外壳之间的温度差  30
    3.3.3 模块外壳和散热器之间的温度差  30
    3.3.4 散热器和环境之间的温度差  30-32
  3.4 矩形流道散热仿真分析  32-42
    3.4.1 仿真模型建模  32-36
    3.4.2 矩形截面流道散热仿真及结果分析  36-39
    3.4.3 理论解与仿真结果对比  39-42
  3.5 不同流道仿真比较  42-44
  3.6 本章小结  44-45
第4章 大功率集成模块翅针结构散热分析  45-59
  4.1 引言  45
  4.2 大功率器件散热模型  45-49
    4.2.1 大功率模型的热损耗  45-46
    4.2.2 翅针散热模型的建立  46-49
  4.3 翅针结构散热仿真分析  49-52
  4.4 仿真结果对比验证  52-53
  4.5 翅针参数影响因素分析  53-58
    4.5.1 翅针半径对散热的影响  54-56
    4.5.2 翅针长度对散热的影响  56-58
  4.6 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-66
致谢  66

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 汽车工程 > 各种汽车 > 各种能源汽车 > 电动汽车
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