电动汽车电机控制器散热器轻量化研究

电动汽车电机控制器散热器轻量化研究刘婷2009年06月分类号TM351UDC621电动汽车电机控制器散热器轻量化研究刘婷机械与车辆学院导师姓名(职称)张承宁（教授）答辩委员会主席张玉璞（教授）申请学位级别工学硕士学科、专业车辆工程授予学位单位北京理工大学论文答辩日期2009年6月14日RESEARCHOFHEATSINKINELECTRICEVEHICLEMOTORCONTROLLERSYSTEMADissertationSubmittedforDegreeofMasterByLiuTingSupervisors：Prof.ZhangChengningBeijingInstituteofTechnologyJune,2009研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：刘婷日期：2009-6-10关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：刘婷日期：2009-6-10导师签名：张承宁日期：2009-6-12北京理工大学硕士学位论文I摘要本文以纯电动环卫车电机控制器为研究对象，着重从热量角度分析如何优化控制器散热器，提出了一种使散热器轻量化并提升散热效果的实用方法。电机控制器中的主要热源是绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等大功率电力电子器件，文中计算了环卫车电机在峰值工况及额定工况运行时功率模块的热损耗，并考虑了温度对各种损耗带来的影响。利用热阻等效电路，推导得出了散热系统各点温度的实用计算公式，计算得出IGBT模块热阻及所需散热器的热阻值。依据计算所得功率模块的热损耗，确定散热器的冷却方式，分析散热系统热量传递及散热机理。通过理论分析Cu和Al质散热器的散热效果，对比机加工和装配等方面的区别，确定散热器的使用材质。通过计算确定了散热器的几何尺寸，初步确定水道采用U型或S型两种形式，并对热阻进行核算，确定符合散热要求。应用流体仿真软件对散热器进行三维数值模拟，建立了U型水道及S型水道的流场模型，通过速度场及压力场的对比分析可知，S型水道兼具轻量化与高散热性能的特点。针对S型水道散热器，建立了三维实体模型，模拟流场与温度场的耦合模型，获得散热器传热性能以及流体力学特性，通过对计算结果的分析，发现散热器机构中存在的问题。本文在散热器改进措施方面，提出了使用扰流柱及圆弧形弯道的改进措施，并对改进后的模型进行数值模拟，研究表明改进后散热器的在质量减轻的基础上，散热的效果有一定改善。文中最后研究了环境温度，壁厚，流速等参数对散热效果的影响，为散热器的轻量化设计提供了有益的参考。关键词：电动汽车电机控制器散热设计流体仿真北京理工大学硕士学位论文II北京理工大学硕士学位论文IIIABSTRACTABSTRACT：Thisthesistakestheelectricsweepervehicle’smotorcontrollersystemastheobjectofstudy,mainfocusonhowtooptimizetheradiatingeffectofthecontrollersystemandapracticalmethodtodesigntheheatdissipationsystemoftheinverterispresented.Themainheatsourceinthemotorcontrolleristheinsulatedgatebipolartransistor(IGBT),thepapercalculatedthethermallosseswhenthesweeperrunninginthepeakconditionandintheratedconditionwithconsideringtheeffectofthejunctiontemperatureonthelosses.Aheatresistanceequivalentcircuitoftheheatdissipationsystemispresented；apracticalformulatocalculatetheheatresistanceofheatdissipationsystemisderived.Additionally，thispaperdescribesthedevelopmentofcarradiatorsandmakesacomparisonbetweenradiatorsmadeofcopperandthosemadeofaluminum.Byanalyzingthematerialsofvehicle’sradiator，wefurtherdefinestheimportanceofthematerialsandclarifiesthataluminumradiatorisoneofthedevelopingtrendsintheindustry.Italsoprovidesusefulreferencesonthematerials’designandchoicefortheradiator.Inthispaper，FLUENTisusedtosimulatetheflowfieldandtemperaturefieldoftheradiator，togettheheattransferperformanceandhydrodynamicspropertyofradiatorandcomparewithexperimentvalue，andthenwefoundsomeproblemsoftheradiatorstructureandimproveit.TheapplicationofFLUENTinthedesignofradiatorcanimprovedesigning，enhancethedesignfunction，shortenexploitationtimeandenhancetheindependentexploitationabilityoftheproduct.Keywords：electricvehicle，motorcontroller，heatsink，fluentsimulation北京理工大学硕士学位论文IV北京理工大学硕士学位论文V目录摘要................................................................................................................................IABSTRACT.............................................................................................................III第1章绪论..............................................................................................................11.1课题的研究背景............................................................................................11.2纯电动环卫车的组成....................................................................................21.3电动环卫车上的电机系统............................................................................31.4电动环卫车电机控制器涉及的关键元件....................................................51.5电机控制器散热器的发展概况及研究现状................................................61.6课题的研究意义..........................................................................................101.7本课题的主要研究内容..............................................................................11第2章电动环卫车电机驱动系统的热损耗...............................................132.1功率模块损耗的计算依据..........................................................................132.2功率器件损耗的具体计算..........................................................................132.2.1IGBT通态损耗计算..........................................................................132.2.2开关损耗计算...................................................................................152.2.3续流二极管（FWD）的通态损耗计算...........................................182.2.4系统的总损耗...................................................................................192.3散热系统的热阻..........................................................................................192.3.1散热系统的热阻等效电路...............................................................202.3.2热阻计算...........................................................................................212.4本章小结......................................................................................................22第3章电机控制器散热系统轻量化设计....................................................233.1散热方式的选择................................