随着我国新能源汽车，特别是纯电动汽车的迅速发展，电动汽车充电技术以及车载充电器的研究已处于新能源交通领域的前沿位置。本文以奇瑞公司某款纯电动汽车车载充电器样机为例，详细阐述了车载充电器机械部分的开发流程。

目前，电动汽车动力电池最为成熟也最可实施的充电方式为接触式充电，即插头和插座的插拔连接方式。按充电速度不同可分为快充（如大功率充电站和充电桩，见图1）以及慢充（如车载充电器）；按安装方式不同又可分为车载式和非车载式两种。

由于电动汽车车载充电器采用了大量高功率、发热量大的电子元器件（如变压器、MOS管等），而且车载充电器自身内部电路以及外部安装都有严格的密封要求，在整车上的空间尺寸以及安装位置也都有一定的局限性，因此使用车载充电器给电动汽车动力电池组充电时，充电器不可避免地会产生大量的热量并会堆积在充电器周围。由于单纯采用风扇强制风冷不仅难以达到汽车零部件可靠性要求，而且还会增加充电器的体积和质量等，因此强制风冷在车载充电器上一般不采用或者只是起次要的辅助散热功能。从目前应用来看，可选散热方式有自然冷却和水冷却，但水冷却有很多技术难题，短时间内难以攻克且成本相对较高，安装麻烦，所以自然冷却方式成为众多整车厂商首选车载充电器散热方式。因此，设计一款既满足整车空间尺寸和安装位置要求，又满足散热性能要求的车载充电器壳体就显得尤为重要。

结构设计

1. 全局尺寸定义

首先，根据车载充电器电控部分的输入，确定主要电子元器件以及电路板的三维数据；然后，根据整个充电器工作控制原理，电路的走线、接线以及工艺等的要求布置电控部分；最后，根据整车给定的输入，确定车载充电器的总体尺寸、质量和安装方式。

按照前述输入条件以及其他诸如密封等的要求，确定车载充电器各组成部件及其结构、尺寸、安装方式、材料、表面处理以及加工工艺等。本文中车载充电器样机总体采用上、下两部分结构。上、下两部分整体结构类似（如图2所示）。上部分主要由上壳体、上电路板、变压器、谐振电感、输出滤波电感和O形密封圈等组成；下部分主要由下壳体、下电路板和储能电感等组成。

图2  车载充电器上、下两部分总成

2. 局部尺寸定义

（1）根据安装要求细化局部尺寸 根据上、下电路板的安装要求，首先在上、下壳体内腔相对应于上、下电路板焊接引脚的地方挖出避让沟槽，然后在上、下壳体内腔相对应于上、下电路板安装孔处增加安装用凸台。

在车载充电器电控部分设计中，会有诸如变压器、谐振电感等体积和质量比较大的元器件，一般不会把它们集成在电路板上，而是单独列出并直接固定安装在铝合金壳体上。对于此类电子元器件的安装设计一般是先在壳体内腔相应位置挖出安装用的沟槽和台阶，然后采用板金支架以及橡胶垫片将元器件包裹后整体紧固在壳体上。另外，对于发热量大的元器件安装方式通常是采用螺钉直接将其紧固在散热壳体上以起到快速散热的效果。

其他安装要求：本文中车载充电器样机根据电控以及散热要求，定义电源输入口、接地螺栓以及防水帽布置在下壳体上，仅在上壳体中布置一个充电输出口。车载充电器样机与整车安装用螺栓过孔均布置在下壳体上。上、下壳体采用两侧8颗和两端2颗M5安装螺钉紧固连接，安装螺钉均涂覆螺纹锁固胶增强紧固效果，以满足其放松及振动要求。另外，由于充电器的上部分发热量比下部分大，因此上、下壳体两侧安装螺钉定义为从下往上安装以尽量增加上壳体散热面积。

（2）根据散热要求细化局部尺寸 一般来讲，热量的传递分为吸热、导热及散热三个步骤。首先热源的热量需要在短时间内传递到散热器基板上，然后从基板迅速传导到散热翅片上，最后通过辐射或空气对流最终进行散热。在这个过程中，需要尽量减少热阻，增加热传导率以及增加散热面积，因此，散热器基板的厚度、散热翅片的高度、间距、厚度和拔模角度等都会对散热效率产生很大的影响。本文中车载充电器外壳散热翅片的拔模角度根据经验值设定为1.5°，上、下壳体翅片数均为26根。

综上所述，电动汽车车载充电器结构设计的主要设计步骤或者主要考虑的关键点如下：

（1）确定输入条件，确定总体尺寸，安装方式以及与外界的输入输出；

（2）确定上、下电路板以及主要元器件尺寸，然后相应地设计出安装孔、槽、凸台和板金支架等；

（3）根据整体发热量，初步估算并定义上、下壳体厚度尺寸与翅片参数（翅片根数、高度、间距和拔模角度等）；

（4）确定其他配件或者有特殊要求元器件的设计及安装；

（5）确定整体装配布局，检查空间尺寸分析干涉等情况。

根据以上步骤完成结构设计，并满足装配要求，就可以进入热分析仿真阶段进一步的确定设计的准确性或对结构进一步优化。

热分析

1. 软件介绍

SolidWorks软件是结构设计工程师们广泛使用的一款三维设计软件，利用其中的FloEFD流体分析工具能够很方便地进行热分析和仿真。FloEFD流体分析工具是Flomerics公司的产品，是针对结构设计工程师开发的一款可以无缝集成于主流CAD 软件中的通用计算流体动力学（CFD）分析软件。结构设计工程师只需很少的流体动力学以及热传导知识，无需更多理解数值分析方法，即可在熟悉的CAD 软件界面中完成热仿真分析。FloEFD 流体分析工具在SolidWorks软件中的嵌入式版本为Flow Simulation，是SolidWorks软件中的一款插件。

通过采用SolidWorks Flow Simulation对电动汽车车载充电器进行热仿真分析，观察上、下部分总成温度场以及大功率器件温度场，从而进一步优化上、下壳体结构。本文以模拟车载充电器处于65 ℃环境温度中的高温试验为例，关注其中功率MOS管的最高温度，通过改变散热壳体基板的厚度、翅片的数量、厚度和间距来进行比较分析，以确定最优的上、下壳体结构。

2. 仿真步骤

使用SolidWorks Flow Simulation软件进行热仿真的一般步骤如下：

（1）在SolidWorks软件环境下建立详细的三维模型。可以适当压缩不显著影响仿真结果的模型细节，以减少不必要的计算网格数量，加快后续热仿真速度。比如，对电路板下的避让空槽、安装孔、圆角和输入输出孔等进行适当的优化；

（2）根据Flow Simulation流体分析工具子菜单下的工程向导一步步建立热设计工程文件并进行一般性设置；

（3）调整计算域的大小，设置边界条件、零部件的材料、定义热源，选择参与辐射的表面，设置收敛目标等与具体问题相关的其他设置（表1为具体设置清单）；

（4）用检查几何结构命令检查模型，无误后运行求解，对优化之后的模型利用Flow Simulation中Check Geometry功能进行模型数据的检查。如果检测结果显示流体体积不为零即可进行仿真运算，如果流体体积为零就必须检查模型，改善模型提高模型质量直到流体体积不为零（否则在求解时软件会自动提醒流体体积为零无法进行运算）；

（5）求解完成后，建立后处理文件，得到切面云图、表面云图、粒子束示踪等后处理报告；

（6）优化分析，使用SolidWorks软件配置管理器添加Solidworks软件模型的不同配置，对应每个配置使用Flow Simulation流体分析工具子菜单下的项目克隆（Clone Project）选项重建与该配置相关的热设计工程文件，进行不同的求解运算，从中选取最佳设计结果。

其中，步骤（1）集中体现了FloEFD流体分析工具优势，由于是和SolidWorks软件模型共用，相比其他热仿真软件，FloEFD流体分析工具具有最高建模精度，仿真模型即可用于实际加工。

3. 结果分析

散热壳体基板厚度、翅片高度/厚度和间距优选结果如表2所示。

优选结果表明，基板厚度在一定的范围之内会表现为越厚越好，但是考虑到实际的结构设计，对体积、质量和加工等方面来讲，一般取值基板厚度不低于2 mm，多取5 mm为佳。一般来讲，良好的基板厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部分变薄，如此可使散热器由热源部分吸收足够的热向周围较薄的部分迅速传递。

优选结果表面表明，翅片高度在16～22 mm之间变化时，最高温度变化不大，且在当前其他参数给定的条件下，最佳翅片高度为20 mm。优选结果表明，取翅片厚度4.5 mm，翅片间距1.5 mm时仿真温度最低。

不同工艺制造的散热翅片的厚度、高度和间距的经验关系数值不太一样。通常风冷散热器翅片越薄、数量越多，能提供的有效散热面积越大，散热效果越好，但并非翅片越密越好。一般情况下，自然冷却的散热器建议翅片间距大于4 mm，如果散热器翅片高度为10 mm，可按翅片间距≥1.2倍翅片高来确定翅片间距。

另外，散热壳体的材质和表面处理等也对散热有一定的影响。考虑到成本和加工工艺的可实现性，一般散热壳体材料选用铝合金和铜，并且铝合金表面做黑色阳极氧化散热效果会更好。

4. 改进措施

从热分析的结果可以很明显地看出整个充电器温度场的分布，哪一块温度高，哪一块温度低，热量需要怎样传导，哪些地方的结构能够继续优化改善，哪些地方布置的热源不合理等一目了然。热分析的结果为结构设计师和电子电器工程师进行结构设计和电路设计提供了很好的参照。

另外，我们认为可以从内部和外部两方面着手考虑，以期进一步提高散热性能，比如可以在上、下壳体内部嵌入热管，把热量集中区域的热快速导到热量不集中区域，以加快散热，或者在上、下壳体外部热量集中区域嵌入安装散热风扇以强制与周围的空气进行强制热交换等。

结论

电动汽车车载充电器的高要求、高性能和热可靠性之间的矛盾日益突出，借助辅助设计软件能够极大地提高设计效率。

FloEFD流体分析工具相比于传统CFD分析软件，对工程师的要求大大降低，直接应用CAD实体模型，整个设计过程快速高效，从而提高了研发效率。

设计小型化、轻量化、智能化符合动力电池充电性能需求的车载充电器，不仅能有效延长电动汽车的续驶里程，而且为电动汽车的实用化和普及化提供了有力支持。