摘 要

通过分析燃料电池汽车动力控制模块（PCU）的结构，得到其主要热量来源是DC/DC,DC/AC和电机驱动器等电子元件，这些电子元件封装在基板上，热量通过热传导的方式集中在基板上，不及时把热量散出会造成电子元件的损坏，因此需要设计一个合理的水冷散热器。

利用三维造型软件proe建立水冷散热仿真模型，然后用ICEM-CFD软件对模型建立了计算域和进行网格划分，接着将网格导入 FLUENT软件中对水冷散热器模型仿真模拟计算，最后使用CFD-Post对计算结果进行了后处理得到温度，压力，速度分布云图。对仿真结果进行分析，通过不断优化设计，对比前后方案，最终确定符合要求的水冷散热模型。

本文对燃料电池汽车PCU产热和热传递进行了分析，建立了水冷板散热器仿真模型，对数学模型进行仿真计算分析。其计算和仿真结果对于燃料电池汽车散热方面提供了一定理论价值和参考价值。

关键词：动力控制模块；水冷散热器；fluent ；仿真分析：优化

ABSTRACT

According to the analysis of the structure of the fuel cell vehicle power control module (PCU), the main heat sources are DC / DC, DC / AC and motor drivers. These electronic components are packaged on the substrate. The heat is concentrated on the substrate by heat conduction. Not timely heat will cause damage to electronic components, so the need to design a reasonable water-cooled radiator.

The model is established by using Proe software, and then the grid is imported into FLUENT software. The CFD-CFD software is used to simulate the CFD- Post the results of the post-processing to get the temperature, pressure, velocity distribution cloud. The simulation results are analyzed, and the water cooling and cooling model is finally determined by continuously optimizing the design and comparing the scheme.

In this paper, the heat generation and heat transfer of PCU in fuel cell vehicle are analyzed, and the simulation model of water cooling plate radiator is established, and the mathematical model is simulated and analyzed. The calculation and simulation results provide a theoretical value and reference value for the heat dissipation of fuel cell vehicles.

Key words:Power control module; water cooled radiator; fluent; simulation analysis: optimization

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 水冷散热器国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究进展 1

1.2.2 国内研究进展 2

1.3 本文主要研究内容 2

1.4 研究方法路线 3

第2章 燃料电池汽车动力控制模块的简介 4

2.1PCU的定义 4

2.2PCU热损耗 5

第3章 散热分析相关理论 6

3.1 散热分析理论基础 6

3.1.1 传热方式 6

3.1.2 PCU热传递过程分析 8

3.1.3 散热设计的要求 8

3.2热计算方程 8

3.3 本章小结 10

第4章 建立水冷散热器模型和仿真 11

4.1 仿真模型的建立 11

4.1.1简化模型 11

4.1.2初始模型 12

4.2 划分网格 12

4.3Fluent计算设定 13

4.4仿真结果分析 14

第5章 散热器优化分析 18

5.1原型散热器存在的问题 18

5.2 改进的模型和仿真结果 18

5.2.1优化模型 18

5.2.2优化模型的仿真结果 19

5.3进口条件的优化 22

5.4小结 23

第6章 结论与展望 24

6.1结论 24

6.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

现在我国的能源问题和污染问题受到了社会的普遍关注，在追求绿色发展道路。而燃料电池汽车以燃料电池作为电动汽车的动力来源，具有能量转化效率高，无污染，低噪声等诸多优点，是汽车未来发展的重要方向。但是就目前我国新能源汽车的发展趋势来说，燃料电池汽车的许多问题和技术正处于研究开发阶段，还没有真正得到解决。其中，动力控制单元(PCU)作为电动车三大部件之一电控的核心，为了保证其能够持久、稳定、可靠地工作，必须对其中的DC/AC转换器，DC/DC升压稳压器，电感器，驱动器等发热部件进行冷却。

研究散热效果好，成本低的散热器对PCU的设计有重要的意义。为了获得更强的动力输出，现在对于动力输出的控制要求也越来越高，产生的热量越来越多，所以对于散热这个难点，国内外一直在研究。本文针对现在燃料电池汽车的PCU进行分析后设计了一种水冷散热器，然后对其仿真分析，最后优化水道的结构参数，得到有效的散热方案。通过不断的研究分析，在散热方面我国会取得进步的。

1.2 水冷散热器国内外研究现状

随着现代技术的发展，动力控制模块的集成度不断在提升，散热方面的要求随之也越来越高，从风冷发展到液冷，从自然冷却到强迫冷却，不同的产热采用不同的散热方式，但是在散热方面的研究，国内外都做了大量的仿真分析和实验验证。

1.2.1 国外研究进展

国外的设备和技术都比较先进，在科技研究方面也走在世界的前沿，很多科研成果都值得我们去学习，在冷却方面也不例外。首先，Perret和 Biswal^[19]通过建立模型数值模拟得到结果，再做对应实验得到的数据与模拟结果对比，判断是否一致，这为设计和优化水冷散热器建立了一种基本方法。Biswal等^[18]人模拟了矩形微通道散热器模型在层流状态条件下的传热特性，同时分析了通道的大小数量，冷却液的流速流量，散热器基板高度等参数对传热的影响，最后通过对比实验数据与模拟数据，发现两者基本相同。Wu[^17]则建立了一种准确性较高的模型来研究其在层流、过渡层和湍流这三种流态下的散热性能和水力特性，同时在相同压力损失的条件下来优化水冷散热器的结构和参数。近年，Dong-Kwon Kim^[16]通过对Y 型翅片散热器进行建模分析，对比了普通形状的肋片在同等泵耗功率情况下的散热情况，发现Y 型翅片散热器的热阻更小，之后Bar-Cohen对Y 型肋片的厚度进行优化，得到了更好的Y 型翅片散热器。同年8月Mitchell P. Hoesing和Gregory J. Michna^[15]设计出一种脉动热管（PHP）散热器，这种脉动热管PHP结构简单且成本低，重要的是其热流通能力高，是散热的好材料。对此，他们等人做了两个简单的实验，分别在水冷却和空气冷却两种情况下计算PHP的热阻，发现这种脉动热管（PHP）确实比一般的热管散热性能好。

1.2.2 国内研究进展

近年来，国内在散热方面的研究也十分活跃，并且取得了一些重要进展。

在多年前，国内对水冷散热器数值模拟研究中 ,很少进行相应的实验验证。但是后来随着技术的发展，常国峰,许思传等^[1]做了对燃料电池汽车动力控制模块水冷系统数值模拟与试验研究。先用经验公式对散热器的热性能进行了理论计算 ,然后利用仿真软件模拟了动力控制模块水冷散热器的散热过程, 得到散热器的温度分布和内部流体的流动情况 , 综合考虑强化传热和降低成本的要求对其进行合理优化,完成了水冷板系统的优化方案设计.PCU冷却系统设计完成后,最后进行了相应的试验研究.最后发现在PCU冷却水冷板流道设计中,设计的流道应尽可能均匀一致;还有设计的流道应尽可能窄,避免产生死角,增强换热.2013年李成阳^[20]对翅针结构进行仿真分析，在正常入口流量下，芯片的最高温度符合温度要求。改变翅针半径和长度这两个参数进行仿真，发现冷却液流速比流固接触面积对散热效果的影响更大。这些结果对设计大功率散热结构有一定的参考意义。2016年吉瑜^[19]针对原型散热器存在的问题进行优化处理，通过对内部流道增设挡板、改变扰流柱直径、改变进出口流道夹角、综合增设挡板与改变绕流柱直径结构的四种方式分别构建了不同的模型，对其模拟结果进行流动与换热的分析，分析判断可知增设挡板结构、增大扰流柱直径及综合优化结构均可使散热器的综合性能和温度均匀性有所提升。

1.3 本文主要研究内容

PCU作为燃料电池汽车的三大核心部件之一，其散热技术也要随着它的发展而不断更新。只要把散热问题解决了，燃料电池汽车的发展会更上一层楼，这也会决定其能不能投入到社会的使用。希望能通过这次的研究对散热做出一点贡献。