《Proceedings of the Design Society》：Simulation-driven design approach for high power-density electric vehicle power electronics
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针对冷藏运输的功率电子器件组件进行了重新设计，以克服功率密度、效率和紧凑性方面的限制。研究人员将计算机辅助设计（CAD）建模与热学和力学仿真相结合的迭代方法，指导了几何形状、材料选择和冷却设计。应用卓越设计（DfX）原则，将多个子模块整合到一个具有三个功能区域
针对冷藏运输的功率电子器件组件进行了重新设计，以克服功率密度、效率和紧凑性方面的限制。研究人员将计算机辅助设计（CAD）建模与热学和力学仿真相结合的迭代方法，指导了几何形状、材料选择和冷却设计。应用卓越设计（DfX）原则，将多个子模块整合到一个具有三个功能区域的单一外壳中。结构和热学验证确认了在极端条件下符合规范要求。优化后的组件重量达到31千克（减少57%），功率密度达到671瓦/升（提高338%）。
研究背景
近年来，电力电子系统设计已从传统的分布式配置转向高度集成的模块化架构。传统组装由独立子模块构成，导致内部空间利用率低、质量大和可扩展性有限。为满足电动汽车和混合动力汽车对更高效率、功率密度和可制造性的需求，紧凑、多功能和热优化的设计成为发展趋势。现代开发采用整体方法，在统一框架内集成电气、机械和热设计，同时保持模块化作为功能组织策略。功率密度作为关键性能指标，反映了空间、材料和热管理的优化程度。然而，随着系统集成度提高，其机械、热和电磁相互作用日益复杂，仿真驱动设计在验证过程中变得不可或缺。尽管大量研究分别探讨了电力电子器件的微型化、热管理和结构稳健性，但这些方面往往被孤立处理，缺乏同时解决汽车法规合规性、基于卓越设计（DfX）原则的模块化架构优化以及统一仿真驱动开发工作流中综合热机验证的集成方法。因此，AddVolt公司针对其冷藏运输插电式混合动力系统的电力电子子系统，提出了新的集成设计，旨在显著提高功率密度并降低重量。
研究内容与意义
本文发表在《Proceedings of the Design Society》，提出了一种集成外壳重新设计框架，结合基于DfX原则的模块化内部重构、结构评估（法规冲击验证）、热学评估和效率比较。该方法应用于M2和N2车辆的工业系统，实现了体积和重量的显著减少，同时提高了功率密度。研究通过仿真驱动的设计方法，验证了集成架构在满足法规要求下的可行性，为下一代电气化运输提供了轻量、高效和可靠的解决方案。
关键技术方法
研究人员采用了结构化迭代开发工作流，包括需求定义、概念开发和耦合热机仿真循环。在参数优化中，使用SolidWorks 2023进行几何建模，并通过手动迭代调整关键变量。结构仿真在ANSYS Mechanical中进行，遵循联合国欧洲经济委员会第100号法规（UN ECE R100）修订版3，执行静态分析、模态分析和瞬态响应分析，采用模态叠加法。热仿真在ANSYS Fluent中进行，考虑传导、自然对流和外部热交换，设定组件损耗和边界条件。验证阶段通过实验关联仿真结果。
研究结果
4.1 外壳重新设计
研究人员通过应用紧凑性设计原则，评估了三种配置，最终选择方案3，将滤波电容（FIBOCAP）和电磁干扰滤波（FIBOEMI）水平置于中心，其他组件扁平排列，实现最大紧凑性，总体积13.32立方分米，满足尺寸约束。模块化设计将组件分为线圈区域、中央印刷电路板（PCB）区域和悬挂区，增强可靠性和可维护性。采用总线排（busbars）连接，并设计塑料梳状夹具和适配板简化装配。外壳采用铝制底板和玻璃纤维增强聚酰胺闭合结构，底板带有轮廓型腔以提高刚度。集成液体冷却板后，最终组件重量约31千克，尺寸533.34×403.34×127毫米，冷却板增加11.5毫米高度和4.93千克。最大功率密度达671瓦/升，平均504瓦/升。
4.2 结构仿真
通过模态分析提取40阶模态，识别出X、Y、Z方向有效质量比最高的模态分别为23、14和28阶，共振频率高于200赫兹，未损害结构完整性。瞬态响应分析显示，Y方向最大变形0.77毫米出现在FIBOEMI PCB，最大等效应力194兆帕位于U形型材；Z方向最大变形0.32毫米，最大应力258兆帕位于六角形螺柱。结果表明符合国际冲击标准。
4.3 热仿真
在极端条件下，绝缘栅双极晶体管（IGBT）局部热点温度约100摄氏度，低于其极限125摄氏度。液体冷却系统有效控制温度，所有组件均保持在推荐热限值内。尽管研究采用顺序解耦仿真，但通过保守材料选择和安全裕度确保了初步验证的准确性。
4.4 效率比较
现有系统功率密度153瓦/升，重量84千克，体积124升。新设计重量减少57%，最大功率密度提高338%至671瓦/升，平均提高229%至504瓦/升。对比证实了集成和DfX原则的优势。
总结讨论
研究人员指出，尽管新设计略超原始尺寸目标，但通过集成和DfX原则实现了轻量、高效和热鲁棒性的解决方案。未来工作应优化尺寸以满足目标，进行疲劳评估，实施完全耦合的多物理场仿真，并验证电磁屏蔽效能。此外，还需原型制作和测试，以及成本分析。
研究结论
本工作提出了一种集成法规模块化架构重新设计的方法论，由DfX原则指导，并在统一开发工作流中结合了热机评估与法规冲击验证。结果证明，这种集成方法可大幅改善紧凑性、减轻重量和提高功率密度，同时确保符合汽车法规要求。通过整合多个子模块到具有三个功能区的单一优化外壳中，新设计不仅增强了可维护性，而且在功率密度、热性能和可制造性方面超越了市场许多产品。该组件的机械和热性能通过仿真验证，结构分析确认了关键组件在振动和冲击下的鲁棒性，热仿真验证了通过优化冷却板的有效散热，使所有电子组件保持在安全温度限值内。最显著的是，新系统实现了671瓦/升的最大功率密度（比现有设计提高338%）和504瓦/升的平均功率密度（提高229%），同时重量减少约57%。这些增强表明，重新设计的电力电子组件提供了一种紧凑、可靠和高性能的解决方案，具有优异的模块化、热管理和可制造性，适用于可持续运输应用。
