电机控制器是连接电池和电机的纽带，是电动汽车的“心脏”。高压、大容量、高效率、高功率密度、高可靠性、低成本是车用电机控制器的持续追求目标。由于应用市场的需求牵引，车用功率模块的集成度越来越高、功率芯片的热通量越来越大，对功率模块的热管理提出了越来越严苛的挑战。热管理设计的缺陷：一方面将制约电动汽车的续航里程与综合能效；另一方面将降低功率模块的稳定性与可靠性。
近年来，车用功率模块的冷却方式，逐渐从齿片风冷散热、水冷板散热发展为集成Pin-Fin液冷散热。实验证明：相对于传统水冷板的间接冷却散热器，采用Pin-Fin结构的直接冷却散热器，可以降低30%～50%的热阻，以及40%以上的尺寸和70%的质量，有效地提高电机控制器的可靠性和功率密度。然而，集成Pin-Fin散热器的设计是一个电-热-流耦合的多物理场优化问题，涉及多学科交叉，研究难度大。在有限的可行域内，如何最小化Pin-Fin散热器的热阻和冷却液压降，还缺乏基础研究，亟待进行技术创新。
Pin-Fin的设计，以形貌结构和阵列排布为优化自由度，以散热器热阻和冷却液压降为协同优化目标，是一个多物理场耦合、多学科交叉的技术难题。现有Pin-Fin设计缺乏方法论指导，采用有限枚举、排列组合等试凑设计，导致设计成本高、优化效果差、优化效率低、失败风险大，因此急需构建基于模型的Pin-Fin优化设计理论，提升车用功率模块的热性能和车用电机控制器的可靠性。
针对Pin-Fin散热器缺乏模型方法、难于进行定量设计的问题，基于响应面优化方法，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的张嘉伟、曾正、孙鹏、王亮，在年第22期《电工技术学报》上撰文，详细研究了车用功率模块Pin-Fin散热器的建模表征与优化设计，采用可行域的扩展变换，解决了设计域过小或不平滑的问题。
他们对标英飞凌公司HybridPack封装车用功率模块，建立了集成Pin-Fin散热器的结构描述与表征模型，借助于有限元仿真软件，采用多物理场分析方法，研究了Pin-Fin结构参数对其性能的影响规律，基于中心复合设计方法，构建了Pin-Fin设计的响应面模型，有限元仿真结果验证了模型的合理性和有效性，以散热器的热阻和压降协同最小为目标，建立了Pin-Fin的多目标优化设计模型，并得到了优化设计结果。
图1面对面变流器对拖实验原理研究人员发现，基于响应面方法，可以加快Pin-Fin设计的速度，降低研发周期和成本，降低设计失败的风险。优化Pin-Fin设计的结果与功率芯片、封装结构、封装材料、Pin-Fin形貌、Pin-Fin布局等有关，他们表示，该Pin-Fin设计方法是一种通用方法，结合本工作中提供的参数设置，可以在任何尺寸结构下进行响应面拟合设计，具有较好的普适性，定制化程度高。通过全面构建各个变量与目标之间的曲面函数，直观准确地表现了优化过程，并验证了其准确度，增加了优化结果的可信度。
图2面对面变流器对拖实验平台研究人员指出，为了降低散热器的热阻，在设计空间允许范围内Pin-Fin越高越好，Pin-Fin高度与Pin-Fin的直径、横向和纵向分布距离关系不大。在一定范围内增加Pin-Fin直径和间距，可以降低热阻。但是，过度增加Pin-Fin直径，可能导致Pin-Fin的密集排布，会增加流体的阻力和散热器压降，降低冷却液速度，不利于降低散热器的热阻。
图3Pin-Fin散热器和液冷逆变器实物样机为了验证理论模型和优化设计的可行性和有效性，研究人员研制了Pin-Fin散热器和逆变器样机，搭建了面对面变流器对拖实验平台，通过固定工况和实际工况的车用逆变器实验结果，对比验证了基于响应面的Pin-Fin优化设计方法。
他们指出，相对于商业化车用功率模块的传统Pin-Fin设计，优化Pin-Fin设计能有效提升Pin-Fin的性能。仿真与实验表明：基于响应面法的优化Pin-Fin设计，能够降低7.62%的功率模块结-流热阻，在实际工况下可以降低14%的芯片平均温升和20%的芯片最大温升，减少65%的功率模块损伤度，提升车用电机控制寿命的1.8倍。验证了优化Pin-Fin在提升功率模块热管理性能和车用电机控制器可靠性方面的应用前景。能够有效降低散热器的热阻，提高车用电机控制器的寿命。
本工作的研究结果可以为集成Pin-Fin车用功率模块的研发提供基础理论模型和技术方法指导，为高可靠车用电机控制器的研究提供新的思路和途径。
本文编自年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于响应面的车用功率模块Pin-Fin优化设计”。本课题得到国家自然科学基金项目和重庆市研究生科研创新训练项目的支持。
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