随着汽车电动化的迅速发展,电动汽车低温环境下续航里程下降严重的问题亟待解决,开发安全高效的加热系统是解决问题的有效对策。高压电加热系统作为一种新型加热设备,具有制热效率高,工作温度范围广的优点,给上述问题的解决提供了新选择。本文以某型号高压电加热系统为研究对象,制备了用作该加热系统换热介质的丙二醇水溶液基石墨烯纳米流体,探究了该加热系统热交换器内的流动传热特性以及石墨烯纳米流体对流动传热特性的影响机制。并且,基于石墨烯纳米流体为换热介质,针对该加热系统中的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的热失效风险,以及热交换器内流量分布不均匀的问题进行了热交换器的结构设计与优化。主要研究工作如下:（1）试验研究了分散条件对纳米流体稳定性的影响,以重量百分比（wt%）为60 wt%的丙二醇去离子水溶液为基液,制备出不同质量浓度的石墨烯纳米流体。基于纳米流体导热系数和粘度的测试结果,阐述了石墨烯质量浓度和纳米流体温度对导热系数和粘度的影响规律及其机理,并建立热物性的预测模型。理论分析了导热系数和粘度的耦合作用对纳米流体强化传热效果的影响规律,以此确定最佳石墨烯质量浓度。研究结果表明:分散剂与石墨烯的质量配比对纳米流体稳定性的影响最大,p H值次之,超声振动时间影响最小。石墨烯质量浓度和纳米流体温度的增加均能引起导热系数的增加。粘度随石墨烯质量浓度增加而增加,随纳米流体温度增加而显著下降。当石墨烯质量浓度超过0.2 wt%后,石墨烯质量浓度对导热系数增幅的影响显著减小,对粘度增幅的影响显著提高,强化传热效果基本不变。（2）设计并搭建了高压电加热系统加热性能试验台架,分别以基液和石墨烯纳米流体为换热介质,开展了不同加热功率时的加热性能试验,得出石墨烯纳米流体对加热性能的影响。基于试验的相关参数,建立了单次加热循环过程仿真模型,对两种换热介质时的对流换热过程分别进行数值模拟。探究了热交换器内的流动传热特性,分析了石墨烯纳米流体对流动传热特性的影响机制。研究结果表明:热交换器内存在流量分布不均匀现象,前中部流道流量大于后部流道流量,石墨烯纳米流体加剧了不均匀程度。热交换器腔内各并行流道的入口压力沿入口方向呈现先升后降的分布规律,各流道的出口压力大致相同。在流道结构变化程度大的位置,换热介质易发生流动分离现象,局部压力损失大,石墨烯纳米流体对流动分离现象有抑制作用。热交换器腔盖的外表面温度呈现由中后部向四周逐渐降低的分布规律,最高温度出现在IGBT安装区域,石墨烯纳米流体有利于降低腔盖外表面的温度,强化控制电路的散热。在少量增加热交换器进出口压降的前提下,石墨烯纳米流体能从整体上提高热交换器的换热能力,对热交换器腔内壁面平均传热系数的增幅高达10.31%,对加热系统制热效率的增幅为5.28%。（3）面向高压电加热系统的改进需求,确定了优化设计方法的选择思路,并对热交换器的腔盖和腔体分别进行结构设计与优化。运用正交试验设计法结合极差分析法,在腔盖内侧IGBT安装区域的对应位置,主动设计了翅柱式散热结构,研究翅柱结构参数和空间分布参数对IGBT散热效果的影响规律。研究结果表明:翅柱直径和翅柱长度分别是对IGBT散热量和散热均匀性影响最大的参数。翅柱间距的取值应当以翅柱间换热介质流动充分为目标。最优翅柱结构方案对IGBT散热效果提升显著,IGBT芯片层平均温度的最高值和最大差值分别下降8.17%和7.36%。（4）运用响应面分析法研究了腔体主流区-并行流道的各结构参数及参数间的耦合作用对热交换器内的流动传热特性的影响规律,并结合带精英策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对腔体结构进行了多目标优化设计。研究结果表明:单流道宽度是影响腔体内的流动传热特性评价指标的最重要参数,随单流道宽度增加,流量分布均匀性系数先慢后快地增加,进出口压降单调减小,腔内壁面平均传热系数先减后增。并行流道结构参数的影响明显大于主流区结构参数。优化前后各优化目标的改善效果显著,流量分布均匀性系数和进出口压降分别降低53.49%和19.52%,腔内壁面平均传热系数增加28.05%。加热系统的制热效率有少许提升,增大2.24%。