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基于ANSYS Workbench的电动汽车功率变换器冷却技术仿真研究

牛云华  
【摘要】:电动汽车功率变换器安全可靠运行的重要保障是良好的散热条件,因此变换器中电子元器件的散热优化设计是该领域的研究热点之一。变换器的核心功率器件是IGBT,其功率损耗会产生温升,如果散热条件不良,温升超过允许的温度范围会导致功率变换器工作效率降低,影响电动汽车的续驶里程。目前,传统的功率变换器冷却系统的优化设计方法考虑的因素较少,未考虑冷却系统的节能降耗的问题,对电动汽车功率变换器的热稳定性和可靠性的提高有限。针对上述问题,本文在对电动汽车功率变换器热力学分析的基础上,考虑流-固耦合传热的影响,对其冷却系统进行了优化设计。首先,阐述了功率变换器的组成结构及工作原理。其次,在电动汽车驱动和再生制动工况下,实验测试了通过功率变换器中IGBT的电流,电流为连续的三角波。利用实验所得的电流和相关公式计算了IGBT的热损耗。再次,应用ANSYS Workbench有限元软件研究了IGBT的流-固耦合传热问题,并分别针对散热器散热翅片的厚度、散热翅片之间的间距、散热翅片的个数、IGBT之间的相对位置变化、散热器的结构尺寸等不同的情况进行热力学仿真分析。然后,采用ANSYS Workbench/Design Exploration分析模块对散热器进行了多目标快速优化设计,选择了一组最佳设计点。另外,选用强迫风冷的散热技术,计算风机的功率,匹配最佳的功率风机。最后,利用ANSYS Workbench/UDF模块导入IGBT的热源条件,对优化的散热系统进行在线模拟,得到了散热系统在热源随时间连续变化时的温度分布情况,验证了本文的优化设计方案可行、有效,达到了节能降耗的目的,也为电动汽车功率变换器的热管理系统的优化设计奠定了基础。


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