CN113158611A - 智能功率单元的电热性能分析方法、系统及计算机设备 - Google Patents

智能功率单元的电热性能分析方法、系统及计算机设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种智能功率单元的电热性能分析方法、系统及计算机设备。该智能功率单元的电热性能分析方法包括：建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；基于直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型、功率模块模型以及布置方式搭建智能功率单元的电热性能仿真模型，电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；通过对电热性能仿真模型进行仿真，输出智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。本发明实施例的技术方案，以实现充分考虑智能功率单元各个部件之间的电连接与物理连接关系，得到更接近实际应用的智能功率单元电热特性。

Description

智能功率单元的电热性能分析方法、系统及计算机设备
技术领域
本发明实施例涉及智能功率单元电热性能分析技术领域，尤其涉及一种智能功率单元的电热性能分析方法、系统及计算机设备。
背景技术
随着人民生活水平的日益提高及汽车产业的快速发展，人们对用车的更新换代速度提出了更高的要求，智能功率单元作为新能源车动力总成的核心部件，面临的挑战也越来越高。
通常在智能功率单元设计初期，基于对智能功率单元的体积及接口、耐电压、耐电流及散热设计以及传统的设计、试制、试验、优化设计的长周期、高成本的设计循环提出更高的要求，实现智能功率单元的集成化、小型化、高性能、高功率及短周期的要求，以准确的计算分析智能功率单元电热特性，从而保证系统性能达成并缩短验证周期。
现有技术多采用根据系统功率及效率估算智能功率单元损耗及发热的方式作为散热设计的输入，但是估算的智能功率单元损耗及发热偏高，则将导致系统设计余量大，系统成本高。
发明内容
本发明实施例提供一种智能功率单元的电热性能分析方法、系统及计算机设备，以实现充分考虑智能功率单元各个部件之间的电连接与物理连接关系，得到更接近实际应用的智能功率单元电热特性。
第一方面，本发明实施例提供了一种智能功率单元的电热性能分析方法，该智能功率单元的电热性能分析方法包括：
建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；
基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；
通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
进一步的，建立母排发热计算模型和母排散热计算模型，并根据所述母排发热计算模型和所述母排散热计算模型搭建直流母排模型；
建立母排电容发热计算模型和母排电容散热计算模型，并根据所述母排电容发热计算模型和所述母排电容散热计算模型搭建直流母排电容模型；
根据驱动板的损耗数据和目标网络阶数搭建驱动单元模型；
建立瞬态热阻动态分配模型和功率热网络模型，并根据所述瞬态热阻动态分配模型和所述功率热网络模型搭建功率模块模型。
进一步的，基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，包括：
根据所述布置方式确定所述电性能仿真模型对应各部件的电性能连接关系；
基于所述电性能连接关系搭建所述电性能仿真模型，所述电性能连接关系包括所述直流母排模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接。
进一步的，在基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型之前，还包括：
建立连接器模型和冷却器热性能模型；
基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，包括：
根据所述布置方式确定所述热性能仿真模型对应各部件的热性能连接关系；
基于所述热性能连接关系搭建所述热性能仿真模型，所述热性能连接关系包括所述直流母排模型通过所述连接器模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型通过所述连接器模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接，所述冷却器热性能模型分别与所述直流母排模型、所述直流母排电容模型以及所述功率模块模型连接。
进一步的，通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径，包括：
以功率模块和直流母线电容电热应力下降为目标，基于驱动电阻、线路杂散电感、在传热路径上的热阻以及所述智能功率单元对应的允许电压电流应力对所述电热性能仿真模型进行仿真；
根据所述电热性能仿真模型得到的仿真结果输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
进一步的，所述智能功率单元的电热性能分析方法还包括：
获取所述智能功率单元的部件损耗参数，所述部件损耗参数包括直流母排模型损耗参数、直流母排电容模型损耗参数、驱动单元模型损耗参数和功率模块模型损耗参数。
进一步的，所述智能功率单元的电热性能分析方法还包括：
根据空气导热系数及逆变器腔体内空气体积搭建空气传热网络模型；
根据逆变器壳体采用的材料以及尺寸形状搭建逆变器壳体热网络模型；
通过所述功率模块模型的冷却液流量与稳态热阻的关系曲线以及状态机工具与功率模块的结壳热阻阶数，搭建所述考虑冷却液流量的功率模块热性能模型。
第二方面，本发明实施例还提供了一种智能功率单元的电热性能分析系统，该智能功率单元的电热性能分析系统包括：
模型建立模块，用于建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；
模型搭建模块，用于基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；
结果输出模块，用于通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储多个程序，
当所述多个程序中的至少一个被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本发明第一方面实施例所提供的智能功率单元的电热性能分析方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面实施例所提供的智能功率单元的电热性能分析方法。
本发明实施例的技术方案，通过建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。解决现有技术估算的智能功率单元损耗及发热偏高导致系统设计余量大，系统成本高的问题，以实现充分考虑智能功率单元各个部件之间的电连接与物理连接关系，得到更接近实际应用的智能功率单元电热特性。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种智能功率单元的电热性能分析方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的直流母排模型的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的直流母线电容模型的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的驱动单元模型的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的功率模块模型的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的智能功率单元在逆变器内部的布置示意图；
图7是本发明实施例提供的电性能仿真模型的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的连接器模型的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的热性能仿真模型的结构示意图；
图10是本发明实施例二提供的一种智能功率单元的电热性能分析系统的结构图；
图11是本发明实施例三提供的一种计算机设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种智能功率单元的电热性能分析方法的流程图，本实施例可适用于充分考虑组成智能功率单元的各个部件之间的电连接与物理连接关系，及其各个部件在电动汽车车用逆变器中布置与外部环境，使得分析的智能功率单元的电热特性更接近实际应用的情况，该方法可以由智能功率单元的电热性能分析系统来执行，该装置可以通过软件和/或硬件的形式实现。该智能功率单元的电热性能分析方法具体包括如下步骤：
S110、建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式。
其中，智能功率单元的主要部件包括直流母排、直流母线电容、驱动单元以及功率模块等，在本实施例中对智能功率单元的电热性能建模与仿真分析，则对智能功率单元的主要部件分别建模，包括建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型等。
智能功率单元在逆变器内部的布置方式是指充分考虑组成智能功率单元的各个部件之间的电连接与物理连接关系，及其各个部件在电动汽车车用逆变器中布置与外部环境。
智能功率单元在逆变器内部的布置方式可以采用现有的逆变器系统中各部件的连接关系及安装环境等布置方式，本实施例仅为示例性说明，而不对其进行任何限制。示例性的，功率模块模型对应的功率模块在逆变器中布置可以采用横向布置，也可以采用垂直布置。
进一步的，建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，包括：建立母排发热计算模型和母排散热计算模型，并根据所述母排发热计算模型和所述母排散热计算模型搭建直流母排模型；建立母排电容发热计算模型和母排电容散热计算模型，并根据所述母排电容发热计算模型和所述母排电容散热计算模型搭建直流母排电容模型；根据驱动板的损耗数据和目标网络阶数搭建驱动单元模型；建立瞬态热阻动态分配模型和功率热网络模型，并根据所述瞬态热阻动态分配模型和所述功率热网络模型搭建功率模块模型。
具体的，在实际完成直流母排的3D设计及选材后，通过Ansys Q3D软件进行母排参数提取，并生成包括单根母排及正负母排之间的等效电阻、电容、自感与互感等参数的直流母排等效电路模型，再根据直流母排散热材料特性与外形尺寸通过公式Rth＝d/kA计算直流母排等效热阻，进而搭建直流母排热网络模型，即本实施例中的直流母排模型。
直流母排(即铜排)的发热主要与其自身的电阻及流过它的电流决定，而母排的散热是由其散热才来的材质决定的。图2是本发明实施例提供的直流母排模型的结构示意图，参见图2，直流母排模型中包括母排发热计算模型210和母排散热计算模型220，其中，母排发热计算模型210中3个电阻R为功率电阻，通过对其施加电流(即各个look-up table部分为电性能仿真模型中提取流过母排的电流)，即可输出母排发热计算模型210的功率损耗，并将该功率损耗作为散热模型中的输入。可选的，若系统中的母排为3段形式，则整个直流母排模型分为3段。母排散热计算模型220中c_constant均为常数系数，其用于计算直流母排的热阻，即通过公式Rth＝d/kA计算直流母排等效热阻。在上述基础上，在图2中的直流母排模型中除母排发热计算模型210和母排散热计算模型220以外，还包括热阻热容网络模型，热阻热容网络模型用于模拟直流母排的散热。
在上述实施例的基础上，根据直流母线电容器的3D数模，通过Ansys Q3D软件提取直流母线电容容量、等效串联电阻ESR、等效电感ESL、绝缘电阻等参数，并模拟直流母线电容芯子中心到壳体的热阻，进而搭建直流母线电容热网络模型，即本实施例中的直流母排电容模型。
图3是本发明实施例提供的直流母线电容模型的结构示意图，参见图3，直流母排电容模型包括母排电容发热计算模型310和母排电容散热计算模型，其中，母排电容发热计算模型310的发热主要由两部分产生：其一是由电容的纹波电流及其自身的等效串联电产生的(即下方look-up table部分为电性能仿真模型中提取的流过电容的纹波电流，电阻为功率电阻，其输出为母排电容发热计算模型310的功率损耗)；其二是有电容两端的电压纹波及其等效的并联电阻产生的(即上方look-up table部分为电性能仿真模型中提取的电容两端的纹波电压，电阻为功率电阻，其输出为母排电容发热计算模型310的功率损耗)。图3中除母排电容发热计算模型310以外的部分为母排电容散热计算模型，即热阻热容网络，用于模拟电容的散热。
在上述实施例的基础上，根据智能功率单元对驱动单元的功能要求，利用Saber软件的StateAMS工具搭建基于状态转换的驱动单元电性能模型，即本实施例中的驱动单元模型。驱动单元模型中包含驱动电阻、驱动单元线路杂散参数、驱动电压、功率模块及外部电路保护逻辑等信息，同时根据驱动单元电路原理及主要发热元件/芯片散热路径利用有限元仿真软件提取驱动单元热网络模型。具体的，图4是本发明实施例提供的驱动单元模型的结构示意图，参见图4，根据驱动板的损耗数据通过SIwave软件计算提取，并通过Icepak软件生成目标网络阶数的热网络模型，进而搭建驱动单元模型。
依据功率模块的数据手册数据，利用Saber软件的功率电子器件建模工具，描绘功率模块输入输出特性及模块内部参数特性，并进行特性的拟合，搭建功率模块的等效电路电特性模型，同时通过逆向功率模块内部结构层级，并根据系统应用需求，搭建热网络层级可编辑的功率模块多级的热网络模型，进而得到本实施例中的功率模块模型。
图5是本发明实施例提供的功率模块模型的结构示意图，参见图5，功率模块模型中包括热阻与冷却液流量的关系模型510、瞬态热阻动态分配模型520和功率热网络模型，图5中除热阻与冷却液流量的关系模型510、瞬态热阻动态分配模型520以外的部分即为功率热网络模型。功率模块模型的具体工作原理为在外部输入冷却液流量与温度后，即可计算功率模块结温，并反馈到电性能仿真模型。
可选的，功率模块模型包含但不限于为绝缘栅双极型晶体管IGBT、半导体场效晶体管MOSFET、集成门极换流晶闸管IGCT、续流二极管DIODE等。
需要说明的是，功率模块的散热方式不限于液体冷却，也可以是强制风冷或自然冷却等方式，本实施例对此不作任何限制。
在本实施例中，直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，各部件模型以智能功率单元的动态特性参数与双脉冲测试的结果为目标，通过分析影响智能功率单元准确性的关键参数及参数敏感性，从而对各部件模型进行参数迭代优化，得到高精度的各部件模型。
S120、基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型。
智能功率单元为系统的热源，图6是本发明实施例提供的智能功率单元在逆变器内部的布置示意图，参见图6，智能功率单元在逆变器内部其各主要部件的散热路径如下：功率模块的主要散热路径为模块底部的强制液冷；直流母线电容的主要散热路径为贴逆变器壳体散热及通过连接器与功率模块连接实现的热传导散热；直流母排的主要散热路径通过连接器与直流母线电容实现热传导散热；驱动单元的主要散热路径为通过与功率模块的连接实现的热传导。同时，以上几个智能功率单元的主要部件均通过逆变器内部的空气热传导并通过逆变器箱体散热。
在本实施例中通过智能功率单元各个主要部件在逆变器中的布置及各主要部件之间的连接关系，搭建智能功率单元的电热性能仿真模型，即得到电性能仿真模型和热性能仿真模型。
进一步的，基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，包括：根据所述布置方式确定所述电性能仿真模型对应各部件的电性能连接关系；基于所述电性能连接关系搭建所述电性能仿真模型，所述电性能连接关系包括所述直流母排模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接。
图7是本发明实施例提供的电性能仿真模型的结构示意图，参见图7，电性能仿真模型分别与控制算法的输入端和电机连接，控制算法用于向电性能仿真模型输入仿真分析参数，电机可以为永磁同步电机PMSM，也可以为其他电机，本实施例对此不作限制。可以理解的是，电性能仿真模型还与电源连接，电源用于向电性能仿真模型供电。
进一步的，在基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型之前，还包括：
建立连接器模型和冷却器热性能模型；
基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，包括：
根据所述布置方式确定所述热性能仿真模型对应各部件的热性能连接关系；
基于所述热性能连接关系搭建所述热性能仿真模型，所述热性能连接关系包括所述直流母排模型通过所述连接器模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型通过所述连接器模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接，所述冷却器热性能模型分别与所述直流母排模型、所述直流母排电容模型以及所述功率模块模型连接。
其中，连接器与冷却器是智能功率单元各个部件之间热传递的主要介质，在本实施例中根据连接器与冷却器形式及材料搭建连接器与冷却器的热网络模型，即建立连接器模型和冷却器热性能模型。
图8是本发明实施例提供的连接器模型的结构示意图，图8为连接器模型的实体结构示意图，以螺栓连接为例，搭建基于螺栓材料与尺寸的传热网络模型，即得到连接器模型。
图9是本发明实施例提供的热性能仿真模型的结构示意图，参见图9，连接器模型用于连接直流母排模型和直流母排电容模型，以及连接直流母排电容模型和功率模块模型。
可以理解的是，热性能仿真模型分别与控制算法的输入端和电机连接，控制算法用于向热性能仿真模型输入仿真分析参数，电机可以为永磁同步电机PMSM，也可以为其他电机，本实施例对此不作限制。可以理解的是，热性能仿真模型还与电源连接，电源用于向热性能仿真模型供电。
S130、通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
在上述实施例的基础上，通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径，包括：以功率模块和直流母线电容电热应力下降为目标，基于驱动电阻、线路杂散电感、在传热路径上的热阻以及所述智能功率单元对应的允许电压电流应力对所述电热性能仿真模型进行仿真；根据所述电热性能仿真模型得到的仿真结果输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
具体的，以功率模块和直流母线电容电热应力下降为目标，对驱动电阻以0.5Ω的固定步长进行扫描仿真，获得功率单元最佳的开关速度，使功率模块的电压应力及其高频辐射能量在可接受的范围，同时功率模块的损耗也在可接受的范围内，功率模块的电热性能达到一个平衡，从而选定最优的开关电阻值；对线路杂散电感以1nH的固定步长进行扫描仿真，选取功率模块两端电压应力较小时，同时结构设计可以实现的杂散电感值，作为直流母排及直流母线电容等效串联电感设计目标值，从而在进行直流母排及直流母线电容设计，降低外部电路对功率模块电压应力的影响，可以理解的是，线路杂散电感不仅仅包括直流母排及直流母线电容的等效串联电感，还包括驱动单元杂散电感、功率模块引线电感等；按照0.1Ω的固定步长，对传热路径上的热阻进行扫描仿真，同时考虑结构与成本可行性，设计最优的散热路径并选择最合适的散热材料。另一方面，通过仿真获得在智能功率单元各部件允许的最大电压电流应力范围内，以及在控制算法允许的开关频率范围内智能功率单元能够输出的最高相电压和相电流。本实施例的技术方案，最终通过建模仿真的方法指导智能功率单元的电热性能分析与设计，功率模块的各部件热网络模型阶数可根据实际应用及计算资源调整。
在上述实施例的基础上，获取所述智能功率单元的部件损耗参数，所述部件损耗参数包括直流母排模型损耗参数、直流母排电容模型损耗参数、驱动单元模型损耗参数和功率模块模型损耗参数。
具体的，在智能功率单元的电热特性分析过程中，除以上各模型之外，还包括根据智能功率单元电热性能测试条件编制的电热性能测试程序，即上述的控制算法，其用于智能功率单元各部件损耗参数的提取。
功率模块模型损耗参数等于绝缘栅双极型晶体管IGBT损耗与续流二极管DIODE损耗之和，而绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管DIODE损耗则分别由导通时由饱和压降产生的导通损耗与开关时的开关损耗之和构成。即：
Pmodule＝Pigbt+Pdiode
Pigbt＝Pcond_igbt+Psw_igbt
Pcond_igbt＝d*Vcesat*Ic
Psw_igbt＝fsw(Eon+Eoff)
Pdiode＝Pcond_diode+Psw_diode
Pcond_diode＝(1-d)VfIf
Psw_diode＝fswErec
其中，Pmodule为功率模块模型损耗参数；Pigbt为绝缘栅双极型晶体管IGBT损耗；Pdiode为续流二极管DIODE损耗；
直流母排模型损耗参数主要由流过母排的电流有效值和母排的等效阻抗决定，其中，电流有效值通过智能功率单元电性能测试程序获取，等效阻抗通过Ansys Q3D软件提取。直流母排模型损耗参数由下式进行计算得到：
PDC_bus＝irms 2requ
其中，
Figure BDA0003043864720000151
为直流母排模型损耗参数；irms为电流有效值；requ为等效阻抗。
直流母排电容模型损耗参数主要由两部分构成，一部分是流过电容的纹波电流有效值和电容的等效串联电阻ESR产生的，另一部分是由直流母线电容的端电压和电容的绝缘电阻产生的。其中，电容纹波电流有效值及电容端电压通过智能功率单元电性能测试程序获取，等效串联电阻及绝缘电阻通过电容本体仿真获取。具体的，直流母线电容模型损耗参数由下式进行计算得到：
Pcapacitor＝irms 2esr+UDC 2/Riso
其中，Pcapacitor为直流母排电容模型损耗参数；ifms为电容纹波电流有效值；esr为电容的等效串联电阻；UDC为电容端电压；Riso为绝缘电阻。
在上述实施例的基础上，所述智能功率单元的电热性能分析方法还包括：根据空气导热系数及逆变器腔体内空气体积搭建空气传热网络模型；根据逆变器壳体采用的材料以及尺寸形状搭建逆变器壳体热网络模型；通过所述功率模块模型的冷却液流量与稳态热阻的关系曲线以及状态机工具与功率模块的结壳热阻阶数，搭建考虑冷却液流量的功率模块热性能模型。
具体的，根据空气的导热系数及逆变器腔体内空气的体积搭建空气的传热网络模型，即空气传热网络模型；根据逆变器壳体采用的材料、尺寸形状搭建逆变器壳体热网络模型；通过功率模块样件试验得到冷却液流量与功率模块稳态热阻的关系曲线，基于状态机工具及功率模块的结壳热阻阶数，在保证用的稳态热阻准确的条件下，动态分配模块各结构连接之间的热阻，搭建考虑冷却液流量的功率模块热性能模型，即考虑冷却液流量的功率模块热性能模型。
本发明实施例的技术方案，通过建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。解决现有技术估算的智能功率单元损耗及发热偏高导致系统设计余量大，系统成本高的问题，以实现充分考虑智能功率单元各个部件之间的电连接与物理连接关系，得到更接近实际应用的智能功率单元电热特性。
实施例二
图10为本发明实施例二提供的一种智能功率单元的电热性能分析系统的结构图，本实施例可适用于充分考虑组成智能功率单元的各个部件之间的电连接与物理连接关系，及其各个部件在电动汽车车用逆变器中布置与外部环境，使得分析的智能功率单元的电热特性更接近实际应用的情况。
如图10所示，所述智能功率单元的电热性能分析系统包括：模型建立模块1010、模型搭建模块1020和结果输出模块1030，其中：
模型建立模块1010，用于建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；
模型搭建模块1020，用于基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；
结果输出模块1030，用于通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
本实施例的智能功率单元的电热性能分析系统，通过建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。解决现有技术估算的智能功率单元损耗及发热偏高导致系统设计余量大，系统成本高的问题，以实现充分考虑智能功率单元各个部件之间的电连接与物理连接关系，得到更接近实际应用的智能功率单元电热特性。
在上述各实施例的基础上，模型建立模块1010具体用于：
建立母排发热计算模型和母排散热计算模型，并根据所述母排发热计算模型和所述母排散热计算模型搭建直流母排模型；
建立母排电容发热计算模型和母排电容散热计算模型，并根据所述母排电容发热计算模型和所述母排电容散热计算模型搭建直流母排电容模型；
根据驱动板的损耗数据和目标网络阶数搭建驱动单元模型；
建立瞬态热阻动态分配模型和功率热网络模型，并根据所述瞬态热阻动态分配模型和所述功率热网络模型搭建功率模块模型。
在上述各实施例的基础上，模型搭建模块1020，包括：
电性能连接关系确定单元，用于根据所述布置方式确定所述电性能仿真模型对应各部件的电性能连接关系；
电性能仿真模型搭建单元，用于基于所述电性能连接关系搭建所述电性能仿真模型，所述电性能连接关系包括所述直流母排模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接。
在上述各实施例的基础上，所述智能功率单元的电热性能分析系统，还包括：
连接器模型建立模块，用于建立连接器模型和冷却器热性能模型；
模型搭建模块1020，包括：
热性能连接关系确定单元，用于根据所述布置方式确定所述热性能仿真模型对应各部件的热性能连接关系；
热性能仿真模型搭建单元，用于基于所述热性能连接关系搭建所述热性能仿真模型，所述热性能连接关系包括所述直流母排模型通过所述连接器模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型通过所述连接器模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接，所述冷却器热性能模型分别与所述直流母排模型、所述直流母排电容模型以及所述功率模块模型连接。
在上述各实施例的基础上，结果输出模块1030，包括：
电热性能仿真模型仿真单元，用于以功率模块和直流母线电容电热应力下降为目标，基于驱动电阻、线路杂散电感、在传热路径上的热阻以及所述智能功率单元对应的允许电压电流应力对所述电热性能仿真模型进行仿真；
结果输出单元，用于根据所述电热性能仿真模型得到的仿真结果输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
在上述各实施例的基础上，所述智能功率单元的电热性能分析系统还包括：
损耗参数获取模块，用于获取所述智能功率单元的部件损耗参数，所述部件损耗参数包括直流母排模型损耗参数、直流母排电容模型损耗参数、驱动单元模型损耗参数和功率模块模型损耗参数。
在上述各实施例的基础上，所述智能功率单元的电热性能分析系统还包括：
空气传热网络模型搭建模块，用于根据空气导热系数及逆变器腔体内空气体积搭建空气传热网络模型；
逆变器壳体热网络模型搭建模块，用于根据逆变器壳体采用的材料以及尺寸形状搭建逆变器壳体热网络模型；
考虑冷却液流量的功率模块热性能模型搭建模块，用于通过所述功率模块模型的冷却液流量与稳态热阻的关系曲线以及状态机工具与功率模块的结壳热阻阶数，搭建所述考虑冷却液流量的功率模块热性能模型。
上述各实施例所提供的智能功率单元的电热性能分析系统可执行本发明任意实施例所提供的智能功率单元的电热性能分析方法，具备执行智能功率单元的电热性能分析方法相应的功能模块和有益效果。
实施例三
图11为本发明实施例三提供的一种计算机设备的结构示意图，如图11所示，该计算机设备包括处理器1110、存储器1120、输入装置1130和输出装置1140；计算机设备中处理器1110的数量可以是一个或多个，图11中以一个处理器1110为例；计算机设备中的处理器1110、存储器1120、输入装置1130和输出装置1140可以通过总线或其他方式连接，图11中以通过总线连接为例。
存储器1120作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的智能功率单元的电热性能分析方法对应的程序指令/模块(例如，智能功率单元的电热性能分析装置中的模型建立模块1010、模型搭建模块1020和结果输出模块1030)。处理器1110通过运行存储在存储器1120中的软件程序、指令以及模块，从而执行计算机设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的智能功率单元的电热性能分析方法。
存储器1120可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器1120可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器1120可进一步包括相对于处理器1110远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置1130可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与计算机设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置1140可包括显示屏等显示设备。
实施例四
本发明实施例四还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种智能功率单元的电热性能分析方法，该智能功率单元的电热性能分析方法包括：
建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；
基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；
通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的智能功率单元的电热性能分析方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
值得注意的是，上述智能功率单元的电热性能分析装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种智能功率单元的电热性能分析方法，其特征在于，包括：
建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；
基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；
通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
2.根据权利要求1所述的智能功率单元的电热性能分析方法，其特征在于，建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，包括：
建立母排发热计算模型和母排散热计算模型，并根据所述母排发热计算模型和所述母排散热计算模型搭建直流母排模型；
建立母排电容发热计算模型和母排电容散热计算模型，并根据所述母排电容发热计算模型和所述母排电容散热计算模型搭建直流母排电容模型；
根据驱动板的损耗数据和目标网络阶数搭建驱动单元模型；
建立瞬态热阻动态分配模型和功率热网络模型，并根据所述瞬态热阻动态分配模型和所述功率热网络模型搭建功率模块模型。
3.根据权利要求1所述的智能功率单元的电热性能分析方法，其特征在于，基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，包括：
根据所述布置方式确定所述电性能仿真模型对应各部件的电性能连接关系；
基于所述电性能连接关系搭建所述电性能仿真模型，所述电性能连接关系包括所述直流母排模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接。
4.根据权利要求1所述的智能功率单元的电热性能分析方法，其特征在于，在基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型之前，还包括：
建立连接器模型和冷却器热性能模型；
基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，包括：
根据所述布置方式确定所述热性能仿真模型对应各部件的热性能连接关系；
基于所述热性能连接关系搭建所述热性能仿真模型，所述热性能连接关系包括所述直流母排模型通过所述连接器模型与所述直流母排电容模型连接、所述直流母排电容模型通过所述连接器模型与所述功率模块模型连接、所述功率模块模型与所述驱动单元模型连接，所述冷却器热性能模型分别与所述直流母排模型、所述直流母排电容模型以及所述功率模块模型连接。
5.根据权利要求1所述的智能功率单元的电热性能分析方法，其特征在于，通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径，包括：
以功率模块和直流母线电容电热应力下降为目标，基于驱动电阻、线路杂散电感、在传热路径上的热阻以及所述智能功率单元对应的允许电压电流应力对所述电热性能仿真模型进行仿真；
根据所述电热性能仿真模型得到的仿真结果输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
6.根据权利要求1所述的智能功率单元的电热性能分析方法，其特征在于，所述智能功率单元的电热性能分析方法还包括：
获取所述智能功率单元的部件损耗参数，所述部件损耗参数包括直流母排模型损耗参数、直流母排电容模型损耗参数、驱动单元模型损耗参数和功率模块模型损耗参数。
7.根据权利要求1所述的智能功率单元的电热性能分析方法，其特征在于，所述智能功率单元的电热性能分析方法还包括：
根据空气导热系数及逆变器腔体内空气体积搭建空气传热网络模型；
根据逆变器壳体采用的材料以及尺寸形状搭建逆变器壳体热网络模型；
通过所述功率模块模型的冷却液流量与稳态热阻的关系曲线以及状态机工具与功率模块的结壳热阻阶数，搭建考虑冷却液流量的功率模块热性能模型。
8.一种智能功率单元的电热性能分析系统，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立直流母排模型、直流母排电容模型、驱动单元模型和功率模块模型，并获取智能功率单元在逆变器内部的布置方式；
模型搭建模块，用于基于所述直流母排模型、所述直流母排电容模型、所述驱动单元模型、所述功率模块模型以及所述布置方式搭建所述智能功率单元的电热性能仿真模型，所述电热性能仿真模型包括电性能仿真模型和热性能仿真模型；
结果输出模块，用于通过对所述电热性能仿真模型进行仿真，输出所述智能功率单元的目标设计参数及其连接与冷却路径。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7中任一项所述的智能功率单元的电热性能分析方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的智能功率单元的电热性能分析方法。
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