面向“双碳目标”国家战略和“创新、绿色”发展理念，电动汽车将逐渐取代燃油车，成为电气化交通的重要发展趋势。电机控制器是电动汽车能量传输的纽带，是电动汽车的“心脏”。高压大容量、高功率密度、高可靠、低成本，是车用电机控制器的追求目标。

得益于SiC等宽禁带器件的快速发展，车用电机控制器越来越小型化、轻量化、集成化，芯片单位面积的热通量显著提高，给电机控制器的热管理带来严峻挑战。相对于传统水冷板结构，集成Pin-Fin散热器物理结构简单、扰流效果好、换热面积大，可以降低40 %的结-流热阻，在车用功率模块中得到了广泛应用。

图1 传统Pin-Fin散热器存在的问题

然而，车用电机控制器缺乏高热通量管理方法，难以匹配车用功率芯片的快速发展，已经成为制约其功率密度提升的瓶颈。如何优化设计集成Pin-Fin散热器，适应车用功率芯片的高热通量需求，有待进一步的深入研究。目前，传统参数设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构，设计自由度低、设计效果欠佳，难以实现Pin-Fin的热-流协同设计，亟需有效的基础理论模型和定量设计方法。

针对Pin-Fin形貌结构的设计难题，基于变密度拓扑优化方法，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）的李恺颜、曾正、孙鹏 等，提出了Pin-Fin形貌结构的表征模型和设计方法，弥补了传统设计方法缺乏模型指导、设计自由度低、缺少热-流协同等问题。

图2 面对面变流器三相对拖实验原理

研究者发现，惩罚因子是影响拓扑优化的主要因素。增大惩罚因子会加强收敛性，但是会陷入局部最优解；减小惩罚因子能避免局部最优解，但是会模糊流-固边界。采用连续变换法，可以提高模型收敛性，并避免陷入局部最优解。此外，构建多目标优化模型，可以根据设计目标，加快设计速度，降低研发周期和成本，实现Pin-Fin形貌结构的定制化设计。

图3 Pin-Fin散热器和电机控制器样机

此外，基于拓扑优化的Pin-Fin结构，可以提高冷却液的利用效率，降低芯片结温，以及芯片之间的温度梯度，实现热-流协同设计。通过拓扑优化方法，综合考虑入水口与出水口的影响，分配不均匀功率，得到了全新的Pin-Fin形貌结构。基于大量的实验证明了所提出的设计方法的有效性。实验结果表明，采用拓扑优化设计的Pin-Fin散热器，各芯片之间的温度梯度小于1 ℃。

研究者表示，与传统结构相比，优化后的Pin-Fin结构可以降低功率模块12 %的结-流热阻，消除了多芯片结温差异的80 %，在实际工况中可以降低15.3 %的平均温升，降低7.2 ℃的最大温升。该思路可以为高热通量车用功率模块的设计，以及高可靠车用电机控制器的研发，提供新的理论模型和技术方法。

本工作成果发表在2023年第18期《电工技术学报》，论文标题为“基于拓扑优化的车用功率模块Pin-Fin设计方法”。本课题得到国家自然科学基金项目、重庆市基础研究与前沿探求项目和重庆市研究生科研创新项目的支持。