某車載電子模組熱仿真分析研究

羅曉川

摘要：應用FloTHERM對某車載電子模塊散熱方案進行熱分析，通過流場、溫度場分布論證了方案的熱設計可行性，結果表明初始方案可行且存在較大的設計余量;在滿足散熱要求的前提下進行方案優(yōu)化，獲得了性價比更高的方案。

關鍵詞：FloTHERM，車載模塊，熱分析

0.引言

隨著新能源電動車（Electric Vehicles， EV）及自動駕駛技術（Piloted Driving， PD）的發(fā)展，汽車電子設計面臨著提高系統(tǒng)性能及集成度、縮減重量和體積的要求，這些要求使得系統(tǒng)單位熱流密度值迅速增大，而汽車應用環(huán)境的復雜性[1] [2]和高可靠性要求對汽車電子熱性能提出更高的挑戰(zhàn)。一項對電子產品失效故障投票統(tǒng)計表明，包括高溫、水、機械振動、污染、供電、電磁兼容、輻射等因素中，高溫故障獲得投票最高[3]，研究[4] [5]表明電子設備的故障率與溫度呈指數增長關系，因此熱分析成為汽車電子從概念設計階段就需要考慮的必要程序。在概念階段利用CFD仿真技術進行電子產品熱設計[6][7]已成為廣大熱設計工程師重要工作。

本文通過Simcenter FloTHERM對某車載模組的散熱特性進行CFD計算分析，在產品概念設計階段驗證設計方案能否在60℃的空間內穩(wěn)定工作，各元器件滿足其溫度限值要求。通過對模擬計算獲得的流場、溫度場進行分析，在滿足散熱要求的前提下進行方案優(yōu)化，獲得更佳的性價比方案。

1 車載模組設備介紹

本文研究對象為某車規(guī)級計算平臺，結合深度學習感知技術，以便為高級別自動駕駛提供穩(wěn)定可靠的高性能感知系統(tǒng)。該模型包括3個主要的高算力計算模塊Module為主要熱源，中間通過7個風扇進行內部通風，系統(tǒng)的頂部設計兩個開口作為風道。設備模型如圖1-1所示，詳見補充材料。

2.仿真流程

2.1 仿真對象及簡化

根據流動傳熱分析需要，在設備進行仿真前，為獲得封閉的流體模型，對原始A1的CAD模型進行必要的簡化、轉換、縫補等工作，原始A1模型包含散熱模塊、7個風扇及其他模塊，模型簡化如圖1-1所示。主要包括如下簡化或假設：

外部箱體進出風口用了等效面積處理;

使用簡化PCB模型;

簡化了計算模組的邊角;

物理模型做如下假設：

對風扇給定固定流量，不考慮旋轉和P-Q曲線數據;

U9芯片按照最大功率計算。

2.3 仿真工況

參考溫度設置為60℃，基于1個標準大氣壓操作，氣體介質選擇為空氣，固定流量型的簡化風扇模型，80尺寸風扇流量為25cfm，120尺寸風扇流量為50cfm，風扇總流量為250cfm，各部件物性參數詳見補充材料。

網格設置中最小尺寸為0.01mm，最大尺寸為10mm，總網格數約為419萬，針對芯片、風扇等關鍵區(qū)域進行加密。采用全局所有部件絕大部分平均溫度為判定收斂標準。

在獲得A1方案數據后發(fā)現(xiàn)模型溫度余量較大，考慮成本和減重需要，提出方案優(yōu)化A2，具體如下：

風扇考慮旋轉和P-Q曲線數據，詳見補充材料;

使用紫銅替換為較為便宜的鋁材（導熱系數為201W/mK）;

刪除原來外殼與紫銅裝配的導熱硅脂，保留芯片與鋁材的導熱硅脂;

其他設置與A1保持不變。

3.結果分析

3.1結果數據

A1方案模型各組件工作狀態(tài)溫度分布如表3-1所示，三個模型內的溫度分布規(guī)律基本一致，組件溫度分布在72.1℃到87.7℃之間，所有主要元器件都能滿足溫度極值要求，且最低有18.8℃的設計余量。A2方案所有主要元器件溫度分布在81℃到97℃之間，相對于A1模型，溫度升高，但是都能滿足溫度極值要求且最低有8.9℃的余量。

3.2 仿真云圖

模組表面溫度云圖如3-1所示，兩個方案3個組件表面溫度整體分布一致，U26、U27、U28、U29區(qū)域器件尺寸較小，其熱流密度較高，該區(qū)域溫度較高;兩個方案3個組件溫度最高器件溫差較低，A1方案Module2最高溫度U26較最低溫Module1高1.5℃，A2方案Module3最高溫U26較Module1高3.4℃，這是因為在考慮旋轉后，流經Module3的氣流沒有充分經過Module3的散熱器，如圖3-2。

流動跡線圖3-2表明，兩個方案流場基本符合設計預期，氣流主要路徑從右側進風口進風后流經Module3后，經過風扇流過Module1、Module2散熱器，然后從左側出風口排出，氣流經過風扇前流動結構基本相似，經過風扇后，流動變得復雜。若不考慮風扇旋轉，設備內流態(tài)較為簡單，反之，流場中有較多復雜漩渦結構。A2方案流體流經風扇前，在Module3處，考慮旋轉后氣流更多流經Module3的下表面，減少了流經上表面散熱器的流量，這就造成上述圖3-1中Module3的器件溫度較高;流經風扇后，在Module1和Module2處氣流因漩渦溫升更高。

3.3 成本分析

上述結果表明，兩個方案在溫度上都可以滿足溫度極值設計要求，改進后的模型A2既可以滿足器件溫度極值要求，又能夠降低成本（A1方案的13.7%）和重量（A1方案的44%），如表3-2所示。

4.總結

本文通過CFD技術對概念設計階段的車載模塊進行熱分析，獲得了設計方案詳細的溫度場、流場分布，結果表明該設計方案所有元器件可滿足溫度極值設計要求，最低有18.8℃的余量;通過進一步的方案優(yōu)化，在滿足散熱要求的前提下（最低有8.9℃的余量），獲得了一個性價比更高的方案（原方案成本的13.7%，原方案重量的44%），細化后方案的流場分析能夠也能協(xié)助溫度場的分析?？傊?，概念階段的熱設計能夠協(xié)助汽車電子工程師進行散熱方案分析及優(yōu)化。

參考文獻

[1]趙治國. 車載計算機環(huán)境適應性設計研究[D].中南大學，2010.

[2]徐浩. 車載多媒體主機的熱固耦合設計[D].蘇州大學，2019.

[3]J. Falck， C. Felgemacher， A. Rojko， M. Liserre， and P. Zacharias， “Reliability of Power Electronic Systems，” IEEE Ind. Electron. Mag.， vol. 12， no. 2， pp. 24–35， 2018， doi： 10.1109/MIE.2018.2825481.

[4]楊林，周堯，喬衛(wèi)華.一種加固計算機熱設計開發(fā)[J].機械研究與應用，2018，31（01）：102-103.

[5]電子設備熱設計及分析技術[M]. 北京航空航天大學出版社， 余建祖， 2008

[6]王長昌，杜廣群.基于FloTHERM的車載電氣設備風冷散熱器參數優(yōu)化設計[J].鐵道車輛，2019，57（04）：17-20+1.

[7]楊林，周堯，喬衛(wèi)華.一種加固計算機熱設計開發(fā)[J].機械研究與應用，2018，31（01）：102-103.

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