CN115397187A - 用于车辆功率模块的散热器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于车辆功率模块的散热器的设计方法。该设计方法包括：从第一距离D1、第二距离D2和半径R的可能取值范围中分别选取多个待定值进行不同组合，对所述不同组合进行仿真计算，获得各个组合对应的温升ΔTj和压降ΔPf，以形成多个样本；通过响应面方法，根据所述多个样本拟合所述温升ΔTj和所述压降ΔPf的以所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R作为因变量的显示显式函数；以所述温升ΔTj和所述压降ΔPf同时最小为优化目标，通过多目标优化，确定所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R。

Description

用于车辆功率模块的散热器及其设计方法
技术领域
本公开属于电子器件领域，具体涉及一种用于车辆功率模块的散热器及其设计方法。
背景技术
在电动车辆中，电机控制器根据操作指令，将电池所存储的电能转化为驱动电机所需的电能来驱动和控制电动车辆。电机控制器作为连接动力电池和电机的纽带，是电动车辆的关键零部件之一。
车用功率模块是电机控制器中的重要部件。目前，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，给车用功率模块的热管理提出了越来越严苛的挑战。
近年来，车用功率模块的冷却方式，逐渐从传统的齿片风冷散热、水冷板散热(如图1a)，发展为集成有多个柱的液冷散热(如图1b)。
针对集成有多个柱的散热器的优化设计研究，主要集中在柱的形貌结构与阵列排布(如图2)两个方面。目前，由于圆形柱具有成本与性能的折中优势，得到了更多应用。在柱的阵列排布方面，如果采用更加密集的排列，虽然在一定程度上能够增加散热器的换热能力，但是过于密集的排列会阻碍冷却液在多个柱之间的流动，增加散热器的流道阻力和冷却液压降。因此，需要合理优化柱的阵列排布。
关于柱的阵列排布的设计，目前大多采用经验试凑的方法，结合经验枚举、排列组合等方法，产生大量的柱排列方式，然后通过仿真或实验获得其温度特性，最后从中筛选优化方案。此类设计方法缺乏方法论指导，需要进行大量的试验和试错，设计周期长、成本高，且难以实现最优设计。
发明内容
本公开提供了一种用于车辆功率模块的散热器的设计方法，其中，所述散热器包括：
散热基板，所述散热基板具有靠近所述车辆功率模块的第一表面和远离所述车辆功率模块的第二表面；和
冷却槽，所述冷却槽位于所述第二表面的远离所述车辆功率模块的一侧，所述冷却槽的靠近所述第二表面的一侧设置有接口，所述第二表面封闭所述接口，所述冷却槽的侧壁设置有供冷却液流入的进液口和供所述冷却液流出的出液口，
所述散热基板设置有从所述第二表面延伸的多个柱，所述多个柱穿过所述接口伸入所述冷却槽中；
所述多个柱构成柱阵列，所述柱阵列包括多个行，同一行中的柱排列在同一条直线上，同一行中相邻的两个柱之间的间距为第一距离D1，所述多个行彼此平行，彼此相邻的两个行之间的间距为第二距离D2，所述多个柱均为圆柱形且具有半径R，
所述设计方法包括如下步骤：
确定所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R的可能取值范围；
从所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R的可能取值范围中分别选取多个特定值进行不同组合，对所述不同组合进行仿真计算，获得各个组合对应的温升ΔTj和压降ΔPf，以形成多个样本，其中所述温升ΔTj是指在对所述不同组合进行仿真计算时车辆功率模块中芯片的温度与所述冷却液在流经所述进液口时的温度相比的温度变化值，所述压降ΔPf是指对所述不同组合进行仿真计算时冷却液在流经所述进液口和流经所述出液口时的压强变化值；
通过响应面方法，根据所述多个样本拟合所述温升ΔTj和所述压降ΔPf的以所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R作为因变量的显式函数；和
以所述温升ΔTj和所述压降ΔPf同时最小为优化目标，通过多目标优化，确定所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R。
根据本公开上述设计方法，基于响应面方法，摒弃了现有的经验-试凑方法，可以加快散热器的设计速度，降低研发周期和成本。
可选地，所述半径R通过半径占比Rper表示，所述半径R与所述半径占比Rper之间的关系为
Figure BDA0003585112320000031
其中，
Figure BDA0003585112320000032
Figure BDA0003585112320000033
表示
Figure BDA0003585112320000034
与D1/2之间的较小值。通过将半径R用半径占比Rper表示，方便拓宽设计域。
可选地，所述对所述不同组合进行仿真计算，通过有限元仿真实现。有限元仿真的准确度较高，能够保证设计结果的稳定性。
可选地，将所述散热基板与所述多个柱之间设置为等效薄热阻层，所述等效薄热阻层的导热系数与导热界面材料相同。将所述散热基板与所述多个柱之间设置为等效薄热阻层，能够对应后续验证实验中的实际情况，保证仿真计算的准确性。
可选地，设置所述导热界面材料为硅脂。将所述散热基板与所述多个柱之间设置为硅脂，能够对应后续验证实验中的实际情况。
可选地，所述车辆功率模块包括电路板和设置在所述电路板上的功率芯片，设置所述电路板的材料为铜、所述功率芯片的材料为硅、所述散热基板和所述多个柱的材料为铝合金。以上设置，保证了仿真计算更接近于真实产品。
可选地，设置所述冷却液为体积分数50％的乙二醇溶液。以上设置，保证了仿真计算更接近于真实产品。
可选地，采用COMSOL Multiphysics软件进行所述有限元仿真，网格数量大于1.5×106。当网格增加到1.5×106后，网格对结果的影响小于0.02℃，排除了网格对仿真结果的影响。
可选地，所述多个柱具有高度H，所述设计方法还包括分别对所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H进行单变量影响分析。根据单变量影响分析的结果，选择要设计的参数，并根据极值状态确定参数的可能取值范围，能够保证参数及其取值范围的准确性，减少无用的计算。
可选地，将任意现有散热器产品的多个柱的参数，确定为所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的初始参数，在所述初始参数的基础上浮动预设比例，获得在进行单变量影响分析时所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的参数范围，在所述初始参数的基础上，每次只在所述参数范围内改变一个变量的取值，仿真计算所述温升ΔTj和所述压降ΔPf。以上为单变量影响分析的优选实施方式。由于现有产品的既定参数值更接近最理想状态，从现有产品出发进行分析，能够快速获得分析结果，减小设计周期。
可选地，将进行所述单变量影响分析的过程中，所述温升ΔTj和所述压降ΔPf取极值时的所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的取值作为所述特定值。极值状态更接近最理想状态，根据极值状态确定所述特定值,能够确保后续计算在理想值附近进行。
可选地，将进行所述单变量影响分析的过程中，所述温升ΔTj和所述压降ΔPf取极值时的所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的取值上下浮动预设比例，作为所述特定值。极值状态更接近最理想状态，在极值状态附近确定所述特定值,能够确保后续计算在理想值附近进行。
可选地，采用中心复合设计方法，构建响应面。中心复合设计方法具有更高的设计精度，同时还能兼顾极限设计值的情况。
可选地，采用Cubic模型拟合所述显式函数。设计经验表明，Cubic模型的各个方差数值均为最大，对响应面的拟合效果较好。
可选地，分别采用2FI模型、Quadratic模型和Cubic模型拟合所述显式函数，并分别进行方差分析，取方差数值最大的拟合结果作为最终的显式函数。2FI模型、Quadratic模型和Cubic模型是当前常用的模型，方差数值越大，表明拟合结果越好。
可选地，采用非线性多目标优化方法，确定所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R。非线性多目标优化方法的准确度较高。
另一方面，本公开还提供一种用于车辆功率模块的散热器，其根据上述设计方法设计而成。
可选地，所述第一距离D1为3.82mm、所述第二距离D2为2mm，所述半径占比Rper为65.5％。以上数值为根据本公开的设计方法确定的优选结果，适用于目前主流的散热器。
附图说明
附图用来提供对本公开实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开实施例一起用于解释本公开，并不构成对本公开的限制。通过参考附图对详细示例实施例进行描述，以上和其它特征和优点对本领域技术人员将变得更加显而易见，在附图中：
图1a是现有技术中的水冷板散热器的结构示意图；
图1b是根据本公开的实施例的集成有多个柱的液冷散热器的结构示意图；
图2是示出多个柱的阵列排布的示意图；
图3是本公开的实施例的半径占比Rper的设计域与相关技术中半径R的设计域之间的对比图；
图4是示出优化设计多个柱的结构参数的流程图；
图5示出了采用COMSOL Multiphysics软件进行有限元仿真计算时，不同网格密度下的仿真计算结果；
图6a至图6d示出了单变量影响的仿真计算结果，其中，图6a示出了半径占比Rper的影响；图6b示出了第一距离D1的影响；图6c示出了第二距离D2的影响；图6d示出了高度H的影响；
图7a和图7b是根据本公开的实施例的模型拟合结果与有限元仿真计算结果的对比图，其中，图7a是温升ΔTj的对比图；图7(b)是压降ΔPf的对比图；
图8a至图8d示出根据本公开的实施例的响应面，其中，图8a示出压降与D2和D1的函数关系；图8b示出压降与Rper和D1的函数关系；图8c示出压降与D2和D1的函数关系；图8d示出压降与Rper和D1的函数关系；
图9为传统设计、根据本公开的实施例的优化设计和多个样本之间的对比图；
图10示出了乘用车某次出行的实际工况数据；
图11是面对面变流器对拖实验平台的示意性框图；
图12a和图12b示出传统散热器与根据本公开实施例的优化后的散热器之间性能对比图，其中，图12a示出温升随直流电压的变化情况；图12b示出温升随负荷电流的变化情况；
图13示出传统散热器与根据本公开实施例的优化后的散热器之间性能对比图，其中，图13a示出冷却液流量对散热器的热阻的影响；图13b示出冷却液流量对散热器的压降的影响。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
散热器的结构
相关技术中的水冷板散热器，如图1a所示。功率芯片101设置在直接敷铜板200(Direct Bonded Copper,DBC)上，直接敷铜板200的两个表面敷设有铜层201，功率芯片101通过焊料202安装至直接敷铜板200的一个表面的铜层201。直接敷铜板200通过焊料202安装至基板3。由于直接敷铜板200不能受力，基板3起到承载板的作用。基板3下方设置有水冷板4，基板3与水冷板4之间夹着导热界面材料5(Thermal interface material,TIM)。水冷板4的侧壁设置有供冷却液流入的进液口401和供所述冷却液流出的出液口402，冷却液6在水冷板4的进液口401与出液口402之间流动，以带走功率芯片101传导过来的热量。冷却液通常为乙二醇的水溶液。
随着车用功率模块的集成度越来越高、功率芯片101的热通量越来越大，上述水冷板散热器逐步发展为集成有多个柱301的液冷散热器，如图1b所示。功率芯片101设置在直接敷铜板200上，直接敷铜板200的两个表面敷设有铜层201，功率芯片101通过焊料202安装至直接敷铜板200的一个表面的铜层201。直接敷铜板200通过焊料202安装至散热基板300的第一表面。除了后面详细说明的散热作用，散热基板3还起到承载直接敷铜板200的作用。散热基板300还具有远离功率芯片101的第二表面，与相关技术中的水冷板散热器不同，散热基板300设置有从所述第二表面延伸的多个柱301。
如图1b所示，集成有多个柱的液冷散热器还包括冷却槽400。冷却槽400位于散热基板300的第二表面的远离功率芯片101的一侧。冷却槽400的靠近散热基板300的第二表面的一侧设置有接口，散热基板300的第二表面封闭该接口。从图1b可以看到，在冷却槽400的接口与散热基板300的第二表面之间设置有密封圈403，该密封圈403起到密封冷却槽400的接口的作用，使得冷却液6不会从密封冷却槽400的接口漏出。冷却槽400的侧壁设置有供冷却液流入的进液口401和供所述冷却液流出的出液口402，冷却液6在冷却槽的进液口401与出液口402之间流动，以带走功率芯片101传导过来的热量。从第二表面延伸的多个柱301穿过冷却槽400的接口伸入冷却槽400中，冷却液6在流动过程中会经过多个柱301。
图2是示出多个柱的阵列排布的示意图，图2的左侧示出根据本公开的液冷散热器的立体图，图2的右侧是左侧中方框区域的放大图。如图2所示，除了设置在直接敷铜板200上的功率芯片101外，直接敷铜板200上还设置有二极管芯片102。多个柱301构成柱阵列。柱阵列包括多个行，同一行中的柱排列在同一条直线上，同一行中相邻的两个柱301之间的间距为第一距离D1，多个行彼此平行，彼此相邻的两个行之间的间距为第二距离D2，多个柱301均为圆柱形且具有半径R。此外，多个柱301还具有高度H。
半径R的取值范围受到第一距离D1和第二距离D2的限制。为了避免多个柱301之间产生干涉，半径R需要小于或等于
Figure BDA0003585112320000081
其中，
Figure BDA0003585112320000082
表示
Figure BDA0003585112320000083
与之间的较小值。如图2所示，D1/2为第一距离的一半，
Figure BDA0003585112320000084
为相邻位于不同行中的两个柱301之间的距离。半径R小于或等于D1/2与
Figure BDA0003585112320000085
之间的较小值，能够保证任意相邻的两个柱301不会产生干涉。
在本公开的设计方法中，半径R通过半径占比Rper表示。半径R与半径占比Rper之间的关系为
Figure BDA0003585112320000086
其中，
Figure BDA0003585112320000087
表示
Figure BDA0003585112320000088
与D1/2之间的较小值。在本公开的设计方法中，半径占比Rper的设计范围在0％至100％之间。即，半径占比Rper的设计范围覆盖了半径R的全部允许范围。
通过将半径R手半径占比Rper表示，能够方便拓宽设计域。如图3所示，采用变换后的半径占比Rper的设计域相比变换前的半径R的设计域增加了1.69倍，能够覆盖半径R的全部允许范围。
热传导过程的数学模型
用于车用功率模块的散热器的热传导过程，具有完备的数学描述。下面将具体说明该数学模型。
根据传热学原理，功率芯片101的结温Tj可以表示为
Tj＝PlossRthjf+Ta (1)
其中，Ploss为功率芯片101的损耗，Ta为冷却液6在流经进液口401时的温度，Rthjf为功率芯片101到冷却液6的结-流热阻。
对于如图1a所示的水冷板散热器，结-流热阻Rthjf表示为：
Rthjf＝Rthjc+RTIM+Rthhs (2)
其中，Rthjc为功率芯片101到基板3的热阻，RthTIM为导热界面材料5的热阻，Rthhs为水冷板4的热阻。
对于如图1b所示的集成有多个柱301的液冷散热器，结-流Rthjf表示为
Rthjf＝Rthjc+Rthpf (3)
其中，Rthjc为功率芯片101到散热基板300的热阻，Rthpf为多个柱301与冷却液6之间的热阻。由此可见，采用集成有多个柱的液冷散热器，能够消除导热界面材料5的热阻，并增加冷却液6与多个柱301之间的换热面积，降低功率模块的结-流热阻。
在电-热-流多物理场耦合分析中，首先需要计算流体的雷诺数Re，以便确定最佳的流体计算模型，Re可以表示为
Re＝ρvDh/μ (4)
其中，ρ为冷却液6的密度，v为冷却液6的速度，Dh为特征长度、即进液口401处冷却液流的直径，μ为冷却液6的动力粘度。
车用逆变器的冷却剂一般为乙二醇溶液防冻，根据具体运行环境和散热器性能的不同，可以采用不同配比，或者例如冷却油等其他材料的冷却剂。在根据本公开的实施例中，选用体积分数为50％的乙二醇溶液作为冷却液6，进液口401的直径设置为8mm，进液口401处冷却液6的温度设置为65℃，进液口401处冷却液6的流速设置为1m/s。则，将冷却液6的密度ρ＝1.071kg/L，冷却液6的速度v＝1m/s，特征长度Dh＝8mm，冷却液6的动力粘度μ＝1.19×10–3Pa·s代入式中计算Re，计算得到雷诺数为Re≈7200，表明冷却液6的运动形式已经完全属于湍流。此外，在集成有多个柱301的液冷散热器，柱301的设置增加了流体扰流间的相互作用，流体径向流动效果加强，需要使用湍流模型进行计算。
在各种湍流模型中，k-ε湍流模型对于复杂结构的外部流体流动具有较准确的计算结果，同时具有较高的收敛性和较低的内存需求。因此，本公开采用k-ε湍流模型描述散热器中流体的动力学行为。
k-ε湍流模型引入了两个传输方程以及两个湍流变量。在湍流模型中，冷却液6满足湍流动能方程
Figure BDA0003585112320000101
其中，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，v为速度场，Pk为湍流生成项，μT为湍流耗散项，常数Cμ和σk分别为0.09和1.0。计及湍流之间的耗散作用，冷却液6还应满足湍流动能损耗方程
Figure BDA0003585112320000102
其中，封闭系数σε、Cε1和Cε2用来构成封闭方程组求解模型，分别为：σε＝1.3、Cε1＝1.44和Cε2＝1.92。
此外，在冷却槽400内的冷却液6具有连续性，其质量梯度为0，表示为
Figure BDA0003585112320000103
冷却槽400内的冷却液6还存在不可压缩性，进液口401和出液口402的冷却液6满足动量守恒，即
Figure BDA0003585112320000104
其中，P为流体压力。
同时，冷却液6还满足能量守恒，即
Figure BDA0003585112320000105
其中，“:”表示矩阵的双点积运算，CP为比热容，q为热量。
对于冷却槽400和散热基板300等固体材料，满足能量守恒，即
Figure BDA0003585112320000111
其中，Ts为固体材料的温度。
由此可见，对于集成有多个柱301的散热器的热传导过程，具有完备的数学描述。但是，湍流方程与传热方程均为隐式方程，使用有限元法或有限体积法直接求解依然存在巨大的挑战，暴力搜索或启发式算法都面临大量的反复计算，计算复杂度高，时间和内存消耗都非常大，难于求解。
基于响应面方法的设计方法
本公开采用响应面方法将高维、隐式的有限元模型，转换为低维空间的显式模型，表征集成有多个柱的散热器的基本性能，降低设计的难度。
所谓响应面方法，是指对可行域内的设计进行取样试验，使用试验结果对试验范围内的因变量进行模型拟合，得到因变量Y与各设计变量xn之间的显式函数
Y＝F(x1,x2,…,xn) (11)
求解该显式函数的极值，从而间接求解高维空间的复杂优化问题。
具体地，在根据本公开的设计方法中，包括如下步骤：
确定第一距离D1、第二距离D2、半径R和高度H的参数范围；
分别对所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H进行单变量影响分析；
根据单变量影响分析的结果，确定第一距离D1、第二距离D2、半径R和高度H的特定值；
对多个待定值进行不同组合，对不同组合进行仿真计算，形成多个样本；通过响应面方法，根据多个样本拟合显式函数；
通过多目标优化，确定第一距离D1、第二距离D2和半径R。
如图4所示，优化模块中的单因素分析和响应曲面优化需要调用仿真计算模块。其中，不论单因素分析还是响应曲面优化，都需要计算不同参数对应的温升ΔTj和压降ΔPf，所述温升ΔTj是指在车辆功率模块中功率芯片101的温度与冷却液6在流经进液口401时的温度相比的温度变化值，所述压降ΔPf是指冷却液6在流经进液口401和流经出液口402时的压强变化值。在根据本公开的实施例中，仿真计算模块通过有限元仿真(Finite ElementSimulation)实现。有限元仿真利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，将求解域看成是由许多被称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。有限元仿真准确度较高，在本公开的实施例中通过有限元仿真进行仿真计算，能够提高设计结果的稳定性。
仿真计算模块
在根据本公开的实施例中，采用COMSOL Multiphysics软件进行有限元仿真计算。在COMSOL Multiphysics软件中，选择与方程(1)至(10)对应的有限元计算模型进行有限元仿真计算。
在根据本公开的实施例中，仿真设置如下：设置进液口处冷却液的温度为65℃，设置进液口处冷却液的流速为1m/s。设置车辆功率模块中的功率芯片101与二极管芯片102的区域为热源，热源功率分别为400W和100W。将散热基板300与多个柱301之间设置为等效薄热阻层，厚度设置为0.25mm，导热系数与导热界面材料相同为6.5W/(m·K)，即设置等效薄热阻层为硅脂。
这里，将散热基板300与多个柱301之间设置为硅脂，是为了对应后续验证实验中的实际情况。由于直接制作带有多个柱301的散热基板300需要将多个柱301焊接在散热基板300上，具有一定的难度。因此，在根据本公开的设计方法中，采用硅脂将多个柱301连接到散热基板300。即，在多个柱301与散热基板300之间增加了一层硅脂层，即薄热阻层。因此，需要在仿真计算时，将在多个柱301与散热基板300之间的硅脂层考虑进去。
需要说明的是，如果将与该硅脂层对应的热阻除去，即与将多个柱301焊接在散热基板300上的结果相同。即在增加了硅脂层的情况下进行仿真或实验，得到的优化结果，应用到未增加硅脂层情况时，具有相同的优化效果。
散热器的仿真材料设置与要优化的散热器的实际材料密切相关。在根据本公开的实施例中，根据要优化的英飞凌公司车用功率模块，分别设置直接敷铜板200的材料为铜、功率芯片101与二极管芯片102的材料为硅、散热基板300和多个柱301的材料为铝合金、导热界面材料(即，散热基板300与多个柱301之间的等效薄热阻层的材料)为硅脂、冷却液6为体积分数为50％的乙二醇溶液，具体材料属性设置如表1所示。
表1散热器的仿真材料属性
Figure BDA0003585112320000131
对模型进行设置后，进行网格无关性分析，逐渐增加网格数量，得到仿真结果如图5所示。结果显示，当网格增加到1.5×106后，网格对结果的影响小于0.02℃，排除了网格对仿真结果的影响，因此最终确定各区域网格尺寸如表2所示。表2中示出了各个区域的网格设置。对于区域间的网格设置，流体域和散热器接触区域边界层中层数设置为5，拉伸因子设置为1.2，角细化中最小夹角240°，比例因子0.35。
表2仿真网格设置
Figure BDA0003585112320000141
单变量影响分析
在建立响应面模型之前，首先需要对优化对象进行单变量影响分析，得到影响目标变量的主要因素，并确定响应面中变量的试验范围。
根据英飞凌公司车用功率模块的柱的设计，确定多个柱301的初始参数为：H＝8mm、D1＝4mm、D2＝3.6mm、Rper＝62.5％。在此基础上，确定单因素试验的参数范围：2mm≤H≤10mm、2mm≤D1≤6mm、2mm≤D2≤6mm、40％≤Rper≤90％。这里，由于现有产品的既定参数值更接近最理想状态，所以在根据本公开的实施例中，从现有产品出发进行分析，能够快速获得分析结果，减小设计周期。
在给定的柱的参数的基础上，每次只在特定范围内改变一个变量的取值，计算集成有多个柱的散热器的性能，结果如图6a至图6d所示，其中，图6a示出了Rper的影响；图6b示出了为D1的影响；图6c示出了D2的影响；图6d示出了H的影响。
如图6a所示，增加柱301的半径，可以降低散热器的热阻，降低芯片的温升，同时压降线性上升。但是，当半径增大到一定程度之后，密集的柱减少了冷却液的流动性，以及柱301与冷却液6之间的换热空间，散热器的热阻反而会增加。
如图6b所示，增加D1，可以减小散热器的热阻。但是，当D1大于4mm时，效果开始减缓，并在D1增加到6mm之后，热阻反而增加。同时，随着D1的变化，压降呈现出完全相反的特性。
如图6c所示，对于D2的影响，热阻在设计范围内几乎随着D2的增大而增大，而压降随着D2的增大先减小后增加。
如图6d所示，增加柱301的高度H，可以增大柱301的换热面积，可以有效降低散热器的热阻。根据单变量分析的结果，H与热阻负相关，且冷却液6沿垂直于柱301的方向流动，H与其他变量相互作用较小。因此，可以根据优化设计的可行域，取H的最大值8mm。
此外，D1在4mm附近，热阻和压降有极值，优化设计的范围取为3～5mm。对于D2，考虑到柱301的制造工艺和结构稳定性，优化设计的范围取为2～4mm。考虑到Rper在70％附近，压降有极值，Rper的优化设计的范围取为60％～80％。
至此，已经根据单变量影响分析的结果确定了要设计的参数及其可能取值范围。具体地，高度H与热阻负相关，所以直接取H的最大可能值；并基于热阻和压降的极值状态确定第一距离D1、第二距离D2和半径占比Rper的可能取值范围。因为在热阻和压降取极值时的结构参数更接近最理想状态(即，待求解的理想参数)，所以根据极值状态确定参数的可能取值范围，能够提高参数及其取值范围的准确性，减少无用的计算。
综上所述，以ΔTj和ΔPf为响应值，柱301的结构参数D1、D2和Rper作为响应因素，设计三因素三水平(A、B和C)的响应面，以优化车用功率模块的散热器的结构，因素与水平见表3所示。从表3可以看出，第一距离D1、第二距离D2和半径占比Rper的特定值，均是从根据热阻和压降的极值状态确定的可能取值范围中选取，这样能够确保后续计算在理想值附近进行，能够进一步提高参数及其取值范围的准确性，减少无用的计算。
表3响应面设计的因素-水平结果
Figure BDA0003585112320000161
中心复合响应面设计
常用的响应面设计有Box-Behnken设计和中心复合设计。其中，中心复合设计是包括中心点并使用一组轴点(又称为星形点)扩充的因子或部分因子设计，这些轴点可用于估计弯曲。相对于Box-Behnken设计，中心复合设计的试验次数略有增加，但是具有更高的设计精度，同时还能兼顾极限设计值的情况。因此，本公开采用中心复合设计方法，构建响应面。
试验设计结果如表4所示。试验结果均通过上述COMSOL Multiphysics软件进行有限元仿真得到，中心点数量设置为1。
表4中心复合设计的仿真结果
Figure BDA0003585112320000162
Figure BDA0003585112320000171
响应面模型拟合
根据表4的中心复合设计响应面的结果，采用显式函数构建ΔTj和ΔPf与柱301的尺寸之间的曲面模型。在构建响应面模型时，在保证拟合精度和预测精度的同时，应使用尽可能简单的模型，来描述集成有多个柱的散热器的动力学行为。
常用的模型主要有3种。两因素交互(Two factor interactive,2FI)模型可以表示为
Figure BDA0003585112320000172
其中，
Figure BDA0003585112320000173
为模型估计值，xi为考虑的变量因素，n为计及的变量个数，βij为各个变量之间的耦合系数。
二次(Quadratic)模型表示为
Figure BDA0003585112320000174
三次(Cubic)模型表示为
Figure BDA0003585112320000175
采用2FI、Quadratic和Cubic模型，分别对表4的数据进行拟合，方差分析结果如表5所示。方差数值越大，表明模型拟合效果越好。
表5响应面的模型拟合结果
Figure BDA0003585112320000176
Figure BDA0003585112320000181
根据表5，Cubic模型的各个方差数值均为最大，对响应面的拟合效果较好。因此，可以得到响应值与表1编码值的响应曲面方程
Figure BDA0003585112320000182
折算为柱的结构参数，式(15)所示的响应面方程，改写为
Figure BDA0003585112320000183
模型拟合的预测值与有限元的仿真值对比，如图7a和图7b所示。在图7a和图7b中，数值点对应的横坐标表示根据响应面方程获得的预测值，数值点对应的纵坐标表示有限元的仿真值。可见，仿真结果和模型结果一致性很好，所选择的拟合模型能很好表征响应面的基本信息。
中心复合设计的仿真结果，以及响应面的拟合结果，如图8a至图8d所示，其中，图8a示出压降与D2和D1的函数关系；图8b示出压降与Rper和D1的函数关系；图8c示出压降与D2和D1的函数关系；图8d示出压降与Rper和D1的函数关系。可见，不同响应面均接近马鞍形，试验设计中各个参数设计及其参数范围选取较为合理。随着柱301的半径占比Rper增加，芯片温升先降低后增大，且变化幅度较大，而冷却液6的压降变化略有增加，但变化不大。随着第一距离D1增加，压降先减小后增加，温升持续增加，且D1对于压降更敏感，对温度影响较小。随着第二距离D2增加，温度持续增大，同时D2与D1之间的交互作用，对冷却液6的压降产生较大影响。
优化设计结果
响应面模型建立了柱301的结构参数与散热器性能之间的显式数学描述，由此可以得到柱301的优化设计结果。以温升ΔTj和压降ΔPf同时最小为优化目标，得到多目标优化问题
Figure BDA0003585112320000191
采用非线性多目标优化方法，得到最优的柱结构参数：D1＝3.82mm、D2＝2mm、Rper＝65.5％。如图9所示，根据响应面模型，此时的温升和压降分别为26.00℃和502.9Pa，对于功率芯片101，优化后的集成有多个柱的散热器的结-流热阻为65K/kW。对于英飞凌公司车用HybridPack封装功率模块，其温升和压降分别为27.56℃和532.43Pa，功率芯片101的结-流热阻为68.9K/kW。可见，相对于现有商业化产品，采用本公开的设计方法，能进一步降低5.67％的热阻，以及3.3％的冷却液压降。
采用有限元仿真软件，进一步验证优化设计结果的可行性。即将传统的参数和根据本公开的设计方法优化后的参数分别输入有限元仿真软件，进行仿真计算。结果表明：传统的散热器的热阻和压降为68.21K/kW和520Pa，仿真结果与模型预测结果之间的误差分别为–0.79K/kW和–12.43Pa。优化后的散热器的热阻和压降分别为64.99K/kW和568.6Pa，仿真结果与模型预测结果之间的误差分别为–0.01K/kW和65.7Pa。由仿真结果与预测结果对比可以看出，本公开采用的响应面方法可以得到较好的结果，能有效获得柱301的最优设计参数。
以某乘用车为例，采用实际工况评估优化参数的真实性能，某次出行的实际工况数据如图10所示，包括车速、坡度以及输出功率等。
通过瞬态仿真得到芯片结温的分布情况，仿真设置功率芯片101和二极管芯片102的损耗，根据数据手册计算得到。其中，功率芯片101的导通损耗可以表示为
PIcond＝VceIc (18)
其中，Vce和Ic分别为功率芯片101的饱和压降和集电极电流。功率芯片101的开关损耗可以表示为
Figure BDA0003585112320000201
其中，Eon和Eoff为功率芯片101的开通损耗和关断损耗，fs为开关频率，Vdc为直流母线电压，Vdcn为和Icn分别为数据手册中开关断损耗测试所用的直流母线电压和集电极电流。二极管芯片102的导通损耗可以表示为
PDcond＝VdId (20)
其中，Vd和Id分别为二极管芯片102的导通压降和导通电流。二极管芯片102的开关损耗主要为反向恢复损耗，可以表示为
Figure BDA0003585112320000202
其中，Erec为二极管芯片102的反向恢复损耗，Idn为数据手册中二极管芯片102的反向恢复损耗测试所用的导通电流。将计算结果以查表的方式带入COMSOL中计算，瞬态仿真时间为1000s，每0.5s输出一次瞬态数据。
在最大功率损耗情况下得到的实测实验数据表明：通过优化，能降低芯片最高结温10℃，提升功率模块的可靠性。
实验验证与结果分析
1、实验平台
为了模拟车用电机控制器的运行工况，搭建了如图11所示的面对面变流器对拖实验平台。一个三相桥作为被测模块，模拟电机控制器，另一个三相桥用于模拟电机。电机控制器通过电感连接到电机模拟器。直流电源和直流电容，用于模拟电池电压，由于功率仅在两个逆变器之间流动，直流电源仅需提供两个逆变器的损耗，功率需求较小，容易实现大功率加载。
为了验证前述基于响应面优化后的设计效果，针对英飞凌公司HybridPack封装功率模块，基于金属3D打印技术，采用铝合金材料，研制了传统的和优化后的散热器样机，以及由功率模块构成的变流器样机。
2、固定工况下的散热器性能测试
当固定逆变器的交流相电流峰值为136A、冷却液流量为2.62L/min时，控制逆变器的直流母线电压，对比不同散热器的性能。可见，直流母线电压越高，逆变器输出功率越大，功率芯片损耗越大，结温越高。在该测试条件下，当母线电压相等时，采用优化散热器，相对于传统散热器，能够降低芯片结温5～10℃。
当固定变流器的直流母线电压为350V、冷却液流量为2.62L/min时，改变变流器的交流相电流峰值，对比采用传统散热器和优化散热器，功率芯片101的最大结温。可见，当直流母线电压一定时，逆变器输出电流越大，功率芯片的损耗越大，结温越高。相对于传统柱，优化后的柱301能够降低芯片结温5～10℃。
计及直流电压和负荷电流的影响，芯片的温升如图12a和图12b所示，其中，图12a示出温升随直流电压的变化情况；图12b示出温升随负荷电流的变化情况。如图12a和图12b所示，芯片温升与电流和电压应力之间呈线性关系，采用优化后的散热器能有效降低芯片的结温，改善其电-热应力。
当固定直流母线电压为350V、交流侧相电流峰值为90A时，控制逆变器的冷却液流量，对比不同散热器的性能。可见，冷却液的流量越大，散热器的换热能力越强，芯片的结-流热阻越小，芯片结温越低。相对于传统散热器，优化后的散热器能够有效降低芯片的结温。
根据功率模块FS400R07A3E3的数据手册，当功率芯片101的开关频率为10kHz、直流侧电压为350V、交流侧相电流峰值为90A时，可以计算得到功率芯片101和二极管芯片102的功率损耗，最终可以计算得到此时功率模块的总热功率为565W，其中功率芯片101的损耗为392W，二极管芯片102的损耗为173W。根据芯片的温升，进而可以计算芯片的结-流热阻Rthjf＝ΔTj/Ploss，如图13a所示。基于最小二乘拟合方法，可以构建热阻与流量的数学描述，对于初始设计的散热器：Rth＝–15.63lnQ+86.47K/kW，对于优化设计的散热器：Rth＝–25.01lnQ+91.54K/kW。当流量为Q＝3.01L/min时，未经优化的散热器热阻为69.25K/kW，优化后的散热器热阻为63.97K/kW，稳态结-流热阻降低7.62％。验证了基于响应面优化的柱设计方法的可行性和有效性。
此外，测量在不同流量下散热器进水口和出水口的液压，如图13b所示，通过线性函数拟合，可以得到散热器压力关于流量之间的数学描述：
Figure BDA0003585112320000221
Figure BDA0003585112320000222
其中，Q为流量，单位：L/min，Pin1和Pout1分别为传统散热器的进水口和出水口液压，Pin2和Pout2分别为优化散热器的进水口和出水口液压。当Q＝3.01L/min时，计算得到传统的和优化后的集成有多个柱的散热器的压降分别为548.9Pa与569.4Pa。
如图13a和图13b所示，优化后的散热器在低流量时压降略大于传统散热器，随着流量升高，二者压降差距减小并趋于稳定。结合图12a和图12b中使用恒功率水泵时不同散热器的热阻表现，可以看出在使用恒功率水泵驱动冷却液时，优化后的散热器的热阻明显低于传统散热器，结果表明：中低流速时，压降对热阻的影响很小，采用响应面法优化柱的结构，能够有效降低散热器热阻。
3、实际工况下的性能测试
根据图11的测试电路，评估车用电机控制器的电-热性能，逆变器的输出电压和电流波形。采用红外相机，实时观测功率模块的芯片结温。功率模块中心处功率芯片101结温最高，优化前后，在整个工况条件下，芯片的平均结温78.2℃和76.3℃(芯片平均温升13.2℃和11.3℃)，最高结温分别115.9℃和105.9℃(芯片最大温升50.9℃和40.9℃)。此外，实验结果与仿真结果基本一致，优化前后的实验结果与仿真结果之间的平均误差分别为2.2％和1.7％，最大误差分别为10.8％和9.8％。实验证明，采用优化后的柱，芯片平均温升降低14％，最大温升降低20％，可以有效降低功率模块的电-热应力，提升车用电机控制器和电动汽车的预期寿命。
4、柱优化对功率模块寿命的影响评估
基于Coffin-Manson模型，采用功率循环加速老化实验方法，可以建立车用功率模块的寿命模型，表示为
Figure BDA0003585112320000231
其中，Nf为功率模块的寿命，ΔTj＝Tjmax–Tjmin为结温波动的幅值，Tjm＝(Tjmax+Tjmin)/2为结温波动的均值，Tjmax和Tjmin为结温波动的最大值和最小值，kb＝1.38×10–23J/K为玻尔兹曼常量，a和n为与功率模块封装有关的常数，Ea为活化能。对于HybridPack封装的车用功率模块，根据实验结果，可以得到模型参数：a＝8.64×108、n＝5.79、Ea＝0.46eV。
基于累计疲劳损伤理论，根据实际工况的载荷结果，结合实时结温波动的雨流计数，功率模块的损伤度Da表示为
Figure BDA0003585112320000241
其中，Tp为载荷的持续时间，Nd(Tjm,ΔTj)为结温波动Tjm和ΔTj的出现次数，为功率模块的损伤度。当损伤度Da达到100％时，功率模块即发生失效。
基于实验结果，根据损伤度定义，采用不同的柱参数，得到功率模块的寿命消耗。可见，对于实际车用工况，采用优化后的柱，功率模块的损伤度可以降低65％。采用传统散热器和优化后的散热器的车用电机控制器的预测寿命分别为20年和56年，优化后的方案能够提升1.8倍的电机控制器寿命。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (18)

1.一种用于车辆功率模块的散热器的设计方法，其中，所述散热器包括：
散热基板，所述散热基板具有靠近所述车辆功率模块的第一表面和远离所述车辆功率模块的第二表面；和
冷却槽，所述冷却槽位于所述第二表面的远离所述车辆功率模块的一侧，所述冷却槽的靠近所述第二表面的一侧设置有接口，所述第二表面封闭所述接口，所述冷却槽的侧壁设置有供冷却液流入的进液口和供所述冷却液流出的出液口，
所述散热基板设置有从所述第二表面延伸的多个柱，所述多个柱穿过所述接口伸入所述冷却槽中；
所述多个柱构成柱阵列，所述柱阵列包括多个行，同一行中的柱排列在同一条直线上，同一行中相邻的两个柱之间的间距为第一距离D1，所述多个行彼此平行，彼此相邻的两个行之间的间距为第二距离D2，所述多个柱均为圆柱形且具有半径R，
所述设计方法包括如下步骤：
确定所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R的可能取值范围；
从所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R的可能取值范围中分别选取多个特定值进行不同组合，对所述不同组合进行仿真计算，获得各个组合对应的温升ΔTj和压降ΔPf，以形成多个样本，其中所述温升ΔTj是指在对所述不同组合进行仿真计算时车辆功率模块中芯片的温度与所述冷却液在流经所述进液口时的温度相比的温度变化值，所述压降ΔPf是指对所述不同组合进行仿真计算时冷却液在流经所述进液口和流经所述出液口时的压强变化值；
通过响应面方法，根据所述多个样本拟合所述温升ΔTj和所述压降ΔPf的以所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R作为因变量的显式函数；和
以所述温升ΔTj和所述压降ΔPf同时最小为优化目标，通过多目标优化，确定所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其中，所述半径R通过半径占比Rper表示，所述半径R与所述半径占比Rper之间的关系为
Figure FDA0003585112310000021
其中，
Figure FDA0003585112310000022
表示
Figure FDA0003585112310000023
与D1/2之间的较小值。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其中，所述对所述不同组合进行仿真计算，通过有限元仿真实现。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其中，将所述散热基板与所述多个柱之间设置为等效薄热阻层，所述等效薄热阻层的导热系数与导热界面材料相同。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其中，设置所述导热界面材料为硅脂。
6.根据权利要求3所述的设计方法，其中，所述车辆功率模块包括电路板和设置在所述电路板上的所述芯片，
设置所述电路板的材料为铜、所述芯片的材料为硅、所述散热基板和所述多个柱的材料为铝合金。
7.根据权利要求3所述的设计方法，其中，设置所述冷却液为体积分数50％的乙二醇溶液。
8.根据权利要求3所述的设计方法，其中，采用COMSOL Multiphysics软件进行所述有限元仿真，网格数量大于1.5×106。
9.根据权利要求1所述的设计方法，其中，所述多个柱具有高度H，所述设计方法还包括分别对所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H进行单变量影响分析。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其中，将任意现有散热器产品的多个柱的参数，确定为所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的初始参数，在所述初始参数的基础上浮动预设比例，获得在进行单变量影响分析时所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的参数范围，
在所述初始参数的基础上，每次只在所述参数范围内改变一个变量的取值，仿真计算所述温升ΔTj和所述压降ΔPf。
11.根据权利要求10所述的设计方法，其中，将进行所述单变量影响分析的过程中，所述温升ΔTj和所述压降ΔPf取极值时的所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的取值作为所述特定值。
12.根据权利要求10所述的设计方法，其中，将进行所述单变量影响分析的过程中，所述温升ΔTj和所述压降ΔPf取极值时的所述第一距离D1、所述第二距离D2、所述半径R和所述高度H的取值上下浮动预设比例，作为所述特定值。
13.根据权利要求1所述的设计方法，其中，采用中心复合设计方法，构建响应面。
14.根据权利要求13所述的设计方法，其中，采用Cubic模型拟合所述显式函数。
15.根据权利要求13所述的设计方法，其中，分别采用2FI模型、Quadratic模型和Cubic模型拟合所述显式函数，并分别进行方差分析，取方差数值最大的拟合结果作为最终的显式函数。
16.根据权利要求1所述的设计方法，其中，采用非线性多目标优化方法，确定所述第一距离D1、所述第二距离D2和所述半径R。
17.一种用于车辆功率模块的散热器，其根据权利要求1-16任一的所述的设计方法设计而成。
18.如权利要求17所述的车辆功率模块的散热器，其中，
所述第一距离D1为3.82mm、所述第二距离D2为2mm，所述半径占比Rper为65.5％。
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