電機(jī)控制器是連接電池和電機(jī)得紐帶，是電動(dòng)汽車得“心臟”。高壓、大容量、高效率、高功率密度、高可靠性、低成本是車用電機(jī)控制器得持續(xù)追求目標(biāo)。由于應(yīng)用市場(chǎng)得需求牽引，車用功率模塊得集成度越來越高、功率芯片得熱通量越來越大，對(duì)功率模塊得熱管理提出了越來越嚴(yán)苛得挑戰(zhàn)。熱管理設(shè)計(jì)得缺陷：一方面將制約電動(dòng)汽車得續(xù)航里程與綜合能效；另一方面將降低功率模塊得穩(wěn)定性與可靠性。
智能駕駛汽車三維創(chuàng)意圖
近年來，車用功率模塊得冷卻方式，逐漸從齒片風(fēng)冷散熱、水冷板散熱發(fā)展為集成Pin- Fin液冷散熱。實(shí)驗(yàn)證明：相對(duì)于傳統(tǒng)水冷板得間接冷卻散熱器，采用Pin-Fin結(jié)構(gòu)得直接冷卻散熱器，可以降低30%～50%得熱阻，以及40%以上得尺寸和70%得質(zhì)量，有效地提高電機(jī)控制器得可靠性和功率密度。然而，集成Pin-Fin散熱器得設(shè)計(jì)是一個(gè)電-熱-流耦合得多物理場(chǎng)優(yōu)化問題，涉及多學(xué)科交叉，研究難度大。在有限得可行域內(nèi)，如何最小化Pin-Fin散熱器得熱阻和冷卻液壓降，還缺乏基礎(chǔ)研究，亟待進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。
Pin-Fin得設(shè)計(jì)，以形貌結(jié)構(gòu)和陣列排布為優(yōu)化自由度，以散熱器熱阻和冷卻液壓降為協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)，是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合、多學(xué)科交叉得技術(shù)難題。現(xiàn)有Pin-Fin設(shè)計(jì)缺乏方法論指導(dǎo)，采用有限枚舉、排列組合等試湊設(shè)計(jì)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本高、優(yōu)化效果差、優(yōu)化效率低、失敗風(fēng)險(xiǎn)大，因此急需構(gòu)建基于模型得Pin-Fin優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，提升車用功率模塊得熱性能和車用電機(jī)控制器得可靠性。
針對(duì)Pin-Fin散熱器缺乏模型方法、難于進(jìn)行定量設(shè)計(jì)得問題，基于響應(yīng)面優(yōu)化方法，輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)China重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）得張嘉偉、曾正、孫鵬、王亮，在2022年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，詳細(xì)研究了車用功率模塊Pin-Fin散熱器得建模表征與優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用可行域得擴(kuò)展變換，解決了設(shè)計(jì)域過小或不平滑得問題。
他們對(duì)標(biāo)英飛凌公司HybridPack封裝車用功率模塊，建立了集成Pin-Fin散熱器得結(jié)構(gòu)描述與表征模型，借助于有限元仿真軟件，采用多物理場(chǎng)分析方法，研究了Pin-Fin結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能得影響規(guī)律，基于中心復(fù)合設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了Pin-Fin設(shè)計(jì)得響應(yīng)面模型，有限元仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型得合理性和有效性，以散熱器得熱阻和壓降協(xié)同最小為目標(biāo)，建立了Pin-Fin得多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并得到了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
圖1 面對(duì)面變流器對(duì)拖實(shí)驗(yàn)原理
研究人員發(fā)現(xiàn)，基于響應(yīng)面方法，可以加快Pin-Fin設(shè)計(jì)得速度，降低研發(fā)周期和成本，降低設(shè)計(jì)失敗得風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化Pin-Fin設(shè)計(jì)得結(jié)果與功率芯片、封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料、Pin-Fin形貌、Pin-Fin布局等有關(guān)，他們表示，該P(yáng)in-Fin設(shè)計(jì)方法是一種通用方法，結(jié)合本工作中提供得參數(shù)設(shè)置，可以在任何尺寸結(jié)構(gòu)下進(jìn)行響應(yīng)面擬合設(shè)計(jì)，具有較好得普適性，定制化程度高。通過全面構(gòu)建各個(gè)變量與目標(biāo)之間得曲面函數(shù)，直觀準(zhǔn)確地表現(xiàn)了優(yōu)化過程，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確度，增加了優(yōu)化結(jié)果得可信度。
圖2 面對(duì)面變流器對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
研究人員指出，為了降低散熱器得熱阻，在設(shè)計(jì)空間允許范圍內(nèi)Pin-Fin越高越好，Pin-Fin高度與Pin-Fin得直徑、橫向和縱向分布距離關(guān)系不大。在一定范圍內(nèi)增加Pin-Fin直徑和間距，可以降低熱阻。但是，過度增加Pin-Fin直徑，可能導(dǎo)致Pin-Fin得密集排布，會(huì)增加流體得阻力和散熱器壓降，降低冷卻液速度，不利于降低散熱器得熱阻。
圖3Pin-Fin散熱器和液冷逆變器實(shí)物樣機(jī)
為了驗(yàn)證理論模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)得可行性和有效性，研究人員研制了Pin-Fin散熱器和逆變器樣機(jī)，搭建了面對(duì)面變流器對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過固定工況和實(shí)際工況得車用逆變器實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比驗(yàn)證了基于響應(yīng)面得Pin-Fin優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
他們指出，相對(duì)于商業(yè)化車用功率模塊得傳統(tǒng)Pin-Fin設(shè)計(jì)，優(yōu)化Pin-Fin設(shè)計(jì)能有效提升Pin-Fin得性能。仿真與實(shí)驗(yàn)表明：基于響應(yīng)面法得優(yōu)化Pin-Fin設(shè)計(jì)，能夠降低7.62%得功率模塊結(jié)-流熱阻，在實(shí)際工況下可以降低14%得芯片平均溫升和20%得芯片蕞大溫升，減少65%得功率模塊損傷度，提升車用電機(jī)控制壽命得1.8倍。驗(yàn)證了優(yōu)化Pin-Fin在提升功率模塊熱管理性能和車用電機(jī)控制器可靠性方面得應(yīng)用前景。能夠有效降低散熱器得熱阻，提高車用電機(jī)控制器得壽命。
本工作得研究結(jié)果可以為集成Pin-Fin車用功率模塊得研發(fā)提供基礎(chǔ)理論模型和技術(shù)方法指導(dǎo)，為高可靠車用電機(jī)控制器得研究提供新得思路和途徑。
感謝編自2022年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于響應(yīng)面得車用功率模塊Pin-Fin優(yōu)化設(shè)計(jì)”。本課題得到China自然科學(xué)基金項(xiàng)目和重慶市研究生科研創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目得支持。
