熱趨勢仿真分析在車身控制模塊上的應用

高李明，李曉蓮，胡婭婭

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211806）

熱趨勢仿真分析在車身控制模塊上的應用

高李明，李曉蓮，胡婭婭

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211806）

從商用車電子化發(fā)展的進程，闡述了熱穩(wěn)定性對于系統(tǒng)可靠性的重要性，并且對熱設計的意義和手段進行了介紹。以實際案例為基礎，對比了基于FloEFD軟件熱仿真結果與實物試驗，說明了仿真與實物測試相互驗證的重要性，同時提出了未來熱仿真的優(yōu)化方向。

熱仿真；輕型商用車；車身控制模塊；電源分配；可靠性

圖1 車身模塊外形圖

隨著電子技術的發(fā)展，電子元件的封裝形式和性能不斷提升，電子元件正在向復合化和集成化方向發(fā)展，作為汽車上主要的電控系統(tǒng)，得益于電子技術的發(fā)展，模塊也在向著集成化方向發(fā)展。作為汽車電器中主要控制模塊，車身控制模塊也經(jīng)歷了多輪技術革新。模塊從分散式向集成式發(fā)展，目前在高檔車上又出現(xiàn)了新的“分散”。

近年來輕型商用車電子化進程加快，車身控制已經(jīng)出現(xiàn)了控制模塊+電源分配的集成方式（圖1）。這種高度集成的結構方式從整車布置、工藝性、可靠性上有大幅提升。但是對于系統(tǒng)的設計是一種考驗，尤其是高集成對于模塊的熱穩(wěn)定性設計的考驗。下文介紹南京依維柯公司在輕型商用車領域車身控制模塊熱設計的應用摸索。

圖2 電子產(chǎn)品可靠性影響因素

1 熱設計的意義

車身控制模塊集成電源分配后，在產(chǎn)品設計時不僅需要考慮原有控制部分設計，如布板、布線、EMC，還需要考慮電源分配的線路容量、功率布線、熱影響。高度集成后，熱管理成為影響模塊最終穩(wěn)定的主要因素之一。傳統(tǒng)的開發(fā)方式對于熱管理必須采用實物驗證方式進行，這種方式成本高、周期長，不滿足當下整車開發(fā)的要求。因此當下階段，在開發(fā)前期采用熱趨勢仿真分析，對設計進行優(yōu)化，成為一種必要手段。

熱設計的目的就是為了控制產(chǎn)品溫度而采取的方法。從歷史經(jīng)驗來看，影響電子電器系統(tǒng)可靠性和性能的因素有振動、粉塵、濕度和溫度。某研究機構的研究結果發(fā)現(xiàn)溫度對電子產(chǎn)品的影響尤為關鍵。如圖2所示。

溫度是如何影響系統(tǒng)可靠性呢？電子元件都具有電阻，包括導體和半導體。當通電工作時，因為內(nèi)阻的存在成了一個內(nèi)部熱源，產(chǎn)生了功率損失，輸入功率很大一部分是以熱能形式散發(fā)出來，因此器件本身溫度會有所上升。如果熱量不能有效及時地傳遞到周邊環(huán)境中，元件內(nèi)部將會持續(xù)升溫。因為溫升導致元件的性能參數(shù)發(fā)生變化，進而影響電子電器系統(tǒng)的可靠性。

持續(xù)的高溫會導致元件基材和產(chǎn)品的結構件偏離其性能穩(wěn)定的工作穩(wěn)定區(qū)間，出現(xiàn)軟化、膨脹變形，造成機械強度降低甚至出現(xiàn)熱老化現(xiàn)象，導致材料快速失效。

持續(xù)的高溫聚集，導致電路板上低熔點焊縫易開裂、焊點脫落，造成電路板失效或者異常。

隨著溫度上升，元器件電阻阻值也逐步上升；元件的電流放大倍數(shù)、使用壽命、漏電流、絕緣電阻等電子元件的特性偏離參數(shù)表，導致整個系統(tǒng)采樣或者輸出偏離設計值，引起系統(tǒng)故障。

隨著溫度上升，元器件中所使用的絕緣材料的絕緣性能也逐漸變差且加速老化，這個結果與溫度成反比，溫度越高，絕緣性能越低。

有研究數(shù)據(jù)表明，隨著結點溫度的增加，電半導體元器件其熱失效率呈指數(shù)增長。甚至有的元件，溫度每上升10 ℃，失效率增大1倍，如圖3所示。

圖3 元件故障率與結點溫度分布

綜上所述，針對電子電器元件的特點，熱設計主要目的就是控制元件和產(chǎn)品溫升。將系統(tǒng)工作時內(nèi)部的熱量散到外界環(huán)境中，確保系統(tǒng)內(nèi)部所用的電子元器件的工作溫度環(huán)境不超過其參數(shù)表中規(guī)定的最高溫度，避免出現(xiàn)因為高溫導致的產(chǎn)品失效，使電子電器系統(tǒng)按照設計目標穩(wěn)定可靠的工作。

2 熱設計的路徑

1）路徑一 提高元件的工作溫度范圍區(qū)間，選用耐高溫性能更好的元器件。然而此種方式將使得系統(tǒng)成本迅速提升，某些情況下還可能找不到合適元器件。這種方法在實際項目開發(fā)中不會作為首選方案采用。

2）路徑二 進行熱設計，控制系統(tǒng)的溫升。通過合理選型、元器件布局、熱流通道設計，對系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生的熱量，快速有效地散到周邊環(huán)境中，從而實現(xiàn)保護元器件的目的，進而實現(xiàn)熱設計的需求。過去通常經(jīng)過多輪實物驗證和改進后進行控制；在當下計算機和工程分析軟件成熟的條件下，開發(fā)中的熱仿真分析成為了主流。

3 車身控制模塊熱仿真分析

本項目中采用了FLoEFD 軟件對模塊進行了分析。仿真計算包括了熱的傳導、對流和熱輻射。

本文研究的車身集成控制模塊集成了邏輯控制部分、電源分配和功率控制部分。工作時，溫升來自熔斷器、繼電器、內(nèi)部電源通路、熔斷器和繼電器與端子接觸電阻、功率器件的輸出、MCU運算等電阻產(chǎn)生的焦耳熱。

通電且具有回路電路產(chǎn)生熱量，從電子運動的概念中可以理解。維持電荷的移動需要消耗功率，最后轉變?yōu)闊崃?，以焦耳熱公式表示如?/p>

式中：P——焦耳熱功率：I——電流；R——電阻。

熱量來源上述公式能夠表述，其控制模塊所控制的下游用電器功率是確定的，控制模塊輸出的電流基本核定。對于控制模塊的幾何形狀不規(guī)則，但是還能夠用幾何的方法表達出來，所有各個回路的電流密度也可以計算得到。根據(jù)電工學公式，物體電阻計算公式如下

式中：R——電阻；ρ——電阻系數(shù) ；L——物體長度；S——物體的橫截面積。

本項目仿真分析中，在FLoEFD中建立耦合分析模型，通過有限元分析對電流密度、熱量擴展進行求解。同時進行了實際的實物測試與仿真結果進行對比。

1）分析考慮了PCB板上布線的焦耳發(fā)熱，繼電器和熔斷絲的功耗以及接觸發(fā)熱，進行整個產(chǎn)品的熱趨分析。

2）負載電流參數(shù)按額定負載1.2倍輸入。繼電器負載功率按照0.64 W統(tǒng)一設定。

3）材料：銅、FR4 和尼龍66。

4）環(huán)境溫度：80 ℃。

5）判定標準：根據(jù)IVECO 電器盒技術條件，在80 ℃環(huán)境溫度、滿負載、熱平衡條件下，盒體最高溫升不超過環(huán)境溫度50 ℃。

本文中采用了FloEFD for CATIA V5 ，直接嵌入CATIA 中，車身控制模塊3維數(shù)據(jù)由CATIA 創(chuàng)建。

3.1 軟件參數(shù)設置

軟件參數(shù)設置如圖4、圖5所示。

圖4 參數(shù)設定

圖5 元件熱功率設置

3.2 熱仿真計算結果

圖6和圖7分別為PCB正面和背面熱仿真溫度分布結果。

圖6 PCB正面熱仿真溫度分布

圖7 PCB 背面熱仿真溫度分布

從仿真結果分析，仿真印板頂面最大溫升約為24 ℃，仿真印板背面最高溫升約16 ℃，符合標準要求。

3.3 實物測試結果

PCB實物正面測試結果如圖8所示，實物背面測試結果如圖9所示。

圖8 PCB實物測試正面溫度分布

圖9 PCB實物測試背面溫度分布

實物測試結果：試驗印板頂面最大溫升為29.5 ℃，試驗印板背面最高溫升為21.2 ℃。

按照標準檢測，符合標準的技術要求。

在有限范圍內(nèi)可以認為仿真分析結果與試驗分析結果相符，因此本模板的電路設計是滿足熱設計要求的。

4 結束語

1）仿真分析的意義在于能夠在設計初期直觀地觀察到產(chǎn)品受熱分布情況，為工程師在開發(fā)初期優(yōu)化產(chǎn)品設計提供數(shù)據(jù)和理論支持。

2）仿真分析減少了傳統(tǒng)設計中的實物驗證周期，可以提前發(fā)現(xiàn)問題，減少因為熱平衡問題導致的設計變更，降低開發(fā)風險和開發(fā)費用。

3）實物測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)值間的差異依舊存在。熱仿真還屬于開發(fā)摸索階段，后期還需要結合當下數(shù)據(jù)收集分析情況進行參數(shù)的修正，逐步提高仿真的準確性。

［1］ 郭鳳儀，陳忠華.電接觸理論及其應用技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］ 祁頂春，金波濤，王志廣.車用中央電氣接線盒電熱耦合仿真分析［J］.汽車電器，2010（8）：13-17.

［3］ 徐磊.FLOTHERM Basic Training培訓講義［Z］.

［4］ 楊世銘，陶文銓.熱傳學（第3版）簡體版［M］.北京：高等教育出版社，2013.

（編輯 楊 景）

Application of Thermal Simulation Analysis on Vehicle Control Unit

GAO Li-ming， LI xiao-lian， HU Ya-ya
(Nanjing IVECO Motor Company， Nanjing 211806， China)

From the development of commercial vehicle electronization， the importance of thermal stability to the system reliability is expounded， then significance and methods of thermal design are introduced. Based on practical cases， thermal simulation results from software FloEFD are compared with real test result， which shows the importance of simulation and test verification. Finally， requirements for future optimization of thermal simulation are put forward.

thermal simulation；light commercial vehicle；vehicle control unit；power distribution；reliability

U463.6

A

1003-8639（2017）07-0018-04

2017-05-25

高李明（1981-），工程師，從事電子電器開發(fā)工作；李曉蓮（1978-），高級工程師，從事電子電器開發(fā)工作；胡婭婭（1981-），工程師，從事車身電控模塊開發(fā)工作。