熱仿真在變速器電控單元設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

白玉峰

摘要：自動(dòng)變速器電控單元是汽車(chē)的重要零件，工作可靠性和穩(wěn)定性要求非常高。本文介紹通過(guò)應(yīng)用熱分析軟件Icepak對(duì)電控單元進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，從而使電控單元的電子器件工作在許可的范圍內(nèi)，保證電控單元能夠穩(wěn)定可靠地工作。在熱仿真同時(shí)，筆者還做了熱測(cè)試并和仿真結(jié)果做了對(duì)比，二者結(jié)果很接近，這說(shuō)明熱仿真和設(shè)計(jì)優(yōu)化是合理的。

關(guān)鍵詞：電控單元；Icepak；熱仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

電控單元是自動(dòng)變速器控制部分的核心部件，用于控制自動(dòng)變速器自動(dòng)換檔。它一般會(huì)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)或者變速器的殼體上，工作環(huán)境溫度很高，溫度可達(dá)85℃ 到 110℃度之間。

對(duì)于變速器電控單元來(lái)說(shuō)，過(guò)高的溫度可以使電子器件的特性改變，壽命降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀器件。

所以說(shuō)熱設(shè)計(jì)對(duì)于電控單元十分重要， 但是目前的電控單元的熱設(shè)計(jì)都是基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，需要制作大量的樣件做測(cè)試，不但開(kāi)發(fā)成本高，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力 在本文中，通過(guò)應(yīng)用CAE分析工具Icepak對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱仿真，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估并改進(jìn)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到合理的設(shè)計(jì)。

1.應(yīng)用Icepak對(duì)電控單元熱分析仿真

對(duì)于熱分析軟件來(lái)說(shuō)，目前大多數(shù)采用有限體積法。本文中應(yīng)用的熱分析軟件Icepak即采用此方法。Icepak是目前一款常用的電子產(chǎn)品熱分析軟件，由著名的計(jì)算流體力學(xué)軟件公司Fluent開(kāi)發(fā)，廣泛應(yīng)用于通訊和汽車(chē)電子領(lǐng)域，本軟件可以解決產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)，PCB板級(jí)和芯片級(jí)的散熱問(wèn)題，可以分析產(chǎn)品內(nèi)部的溫度場(chǎng)，速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，從多角度分析產(chǎn)品的性能。

1.1 設(shè)計(jì)介紹

電控單元的設(shè)計(jì)由底板，外殼，連接器，PCB（Printed Circuit Board）和電子器件，以及導(dǎo)熱膠組成。底板為電控單元的散熱器件，材料為鋁合金，外殼材料為低碳鋼，主要作用是保護(hù)電子器件，PCB板上貼裝了所有的電子器件，其材料為FR4。另外，在PCB和底板之間涂有導(dǎo)熱膠，以降低底板與PCB間的熱阻。

1.2仿真模型建立

根據(jù)電控單元的結(jié)構(gòu)在軟件內(nèi)建模并劃分網(wǎng)格，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型在不影響仿真結(jié)果的前提下做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，模型如下圖所示

2.結(jié)果分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 結(jié)果分析

根據(jù)以上的網(wǎng)格劃分和邊界調(diào)解設(shè)置，進(jìn)行仿真計(jì)算后結(jié)果如下圖所示：

通過(guò)上面圖5中電控單元內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布云圖分析，我們可以對(duì)當(dāng)前的設(shè)計(jì)得出下面的結(jié)論：

1）整個(gè)電控單元的溫度很高，電子器件的溫度大都超過(guò)了130℃，PCB的許用溫度為125℃，PCB已經(jīng)超過(guò)了它的溫度極限。

2）電控單元上的局部區(qū)域溫度過(guò)高，達(dá)到了154.2℃，為電源調(diào)壓芯片T402/VP， 另外電源芯片IC402和處理器（CPU）的溫度也很高，達(dá)到了136.1℃和136.5℃，兩個(gè)器件溫度已經(jīng)超出了安全工作溫度極限。

3）雖然邏輯電路部分器件發(fā)熱功率低，但是受其發(fā)熱大的器件影響，整體溫度也很高，目前已經(jīng)接近其工作溫度極限。

鑒于以上的仿真結(jié)果，當(dāng)前的設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足電子器件工作溫度的要求，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)以降低整個(gè)電控單元的溫度。

2.2設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于仿真結(jié)果的分析，從以下四點(diǎn)改進(jìn)電控單元的設(shè)計(jì)：

1）針對(duì)電源部分和功率器件部分過(guò)熱的問(wèn)題，我們將電源分壓器件T402/VPR的MOSFET用發(fā)熱功率低的器件代替，以降低其發(fā)熱功率。

2）在PCB內(nèi)增加一層散熱銅箔，提高PCB的導(dǎo)熱能力

3）增加底板上散熱片的數(shù)量和散熱片的高度

4）將導(dǎo)熱膠更換為導(dǎo)熱系數(shù)更高的導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱系數(shù)提高到4.0W/m-K

2.3仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

軟件的仿真結(jié)果是在模型簡(jiǎn)化和在很多外界條件假設(shè)已知的情況下完成的，是在一種理想的條件下仿真計(jì)算的，沒(méi)有考慮實(shí)際情況下外界的變化。因此，仿真結(jié)果不可避免的與實(shí)際測(cè)試存在著偏差。

因此為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，制作了樣品進(jìn)行實(shí)際的溫度測(cè)試。實(shí)際的溫度測(cè)試是通過(guò)專(zhuān)用高導(dǎo)熱膠水將熱電偶粘結(jié)在電子器件的表面，然后將測(cè)試樣品放入溫箱內(nèi)并將溫箱加熱到測(cè)試溫度，待電控單元溫度穩(wěn)定后記錄各電子器件的溫度。即可得到電子器件的實(shí)際溫度。熱電偶測(cè)量精度高，此種方法測(cè)試結(jié)果十分準(zhǔn)確。

我們通過(guò)比較仿真與實(shí)測(cè)的溫度差來(lái)判定仿真結(jié)果的有效性。為了便于比較，只選取了10個(gè)測(cè)試點(diǎn)。比較的結(jié)果如表3所示，在10個(gè)結(jié)果中，多數(shù)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差在5℃以?xún)?nèi)，只有2個(gè)的器件的溫度差異在5℃-8℃之間。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異不大，可以說(shuō)明仿真結(jié)果是可信的，其對(duì)電控單元的設(shè)計(jì)優(yōu)化也是合理的。從中我們可以得出結(jié)論，在溫度差異要求不是很大的情況下可以通過(guò)仿真來(lái)替代實(shí)際測(cè)試，這種方法可以用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期階段對(duì)產(chǎn)品熱性能評(píng)估。

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果誤差較小，證明了仿真結(jié)果的有效性。這為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一種可信、快速的熱分析方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，CAE仿真技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中會(huì)起到越來(lái)越重要的作用。

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