白玉峰
摘要:自動變速器電控單元是汽車的重要零件,工作可靠性和穩(wěn)定性要求非常高。本文介紹通過應(yīng)用熱分析軟件Icepak對電控單元進行熱設(shè)計,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,筆者還做了熱測試并和仿真結(jié)果做了對比,二者結(jié)果很接近,這說明熱仿真和設(shè)計優(yōu)化是合理的。
關(guān)鍵詞:電控單元;Icepak;熱仿真;優(yōu)化設(shè)計
引言
電控單元是自動變速器控制部分的核心部件,用于控制自動變速器自動換檔。它一般會安裝在發(fā)動機內(nèi)或者變速器的殼體上,工作環(huán)境溫度很高,溫度可達85℃ 到 110℃度之間。
對于變速器電控單元來說,過高的溫度可以使電子器件的特性改變,壽命降低,嚴重時會燒毀器件。
所以說熱設(shè)計對于電控單元十分重要, 但是目前的電控單元的熱設(shè)計都是基于經(jīng)驗的設(shè)計,需要制作大量的樣件做測試,不但開發(fā)成本高,而且費時費力 在本文中,通過應(yīng)用CAE分析工具Icepak對設(shè)計進行熱仿真,然后對設(shè)計進行評估并改進,可以在較短的時間內(nèi)得到合理的設(shè)計。
1.應(yīng)用Icepak對電控單元熱分析仿真
對于熱分析軟件來說,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,由著名的計算流體力學(xué)軟件公司Fluent開發(fā),廣泛應(yīng)用于通訊和汽車電子領(lǐng)域,本軟件可以解決產(chǎn)品系統(tǒng)級,PCB板級和芯片級的散熱問題,可以分析產(chǎn)品內(nèi)部的溫度場,速度場和壓力場,從多角度分析產(chǎn)品的性能。
1.1 設(shè)計介紹
電控單元的設(shè)計由底板,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,為了簡化計算,模型在不影響仿真結(jié)果的前提下做了適當?shù)暮喕?,模型如下圖所示
2.結(jié)果分析與設(shè)計優(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,進行仿真計算后結(jié)果如下圖所示:
通過上面圖5中電控單元內(nèi)部的溫度場分布云圖分析,我們可以對當前的設(shè)計得出下面的結(jié)論:
1)整個電控單元的溫度很高,電子器件的溫度大都超過了130℃,PCB的許用溫度為125℃,PCB已經(jīng)超過了它的溫度極限。
2)電控單元上的局部區(qū)域溫度過高,達到了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,達到了136.1℃和136.5℃,兩個器件溫度已經(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,當前的設(shè)計不能滿足電子器件工作溫度的要求,需要改進設(shè)計以降低整個電控單元的溫度。
2.2設(shè)計優(yōu)化
基于仿真結(jié)果的分析,從以下四點改進電控單元的設(shè)計:
1)針對電源部分和功率器件部分過熱的問題,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)果與實驗測試結(jié)果對比
軟件的仿真結(jié)果是在模型簡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算的,沒有考慮實際情況下外界的變化。因此,仿真結(jié)果不可避免的與實際測試存在著偏差。
因此為了驗證仿真結(jié)果的有效性,制作了樣品進行實際的溫度測試。實際的溫度測試是通過專用高導(dǎo)熱膠水將熱電偶粘結(jié)在電子器件的表面,然后將測試樣品放入溫箱內(nèi)并將溫箱加熱到測試溫度,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際溫度。熱電偶測量精度高,此種方法測試結(jié)果十分準確。
我們通過比較仿真與實測的溫度差來判定仿真結(jié)果的有效性。為了便于比較,只選取了10個測試點。比較的結(jié)果如表3所示,在10個結(jié)果中,多數(shù)的測試結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差在5℃以內(nèi),只有2個的器件的溫度差異在5℃-8℃之間。仿真結(jié)果與實測結(jié)果差異不大,可以說明仿真結(jié)果是可信的,其對電控單元的設(shè)計優(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仿真來替代實際測試,這種方法可以用在產(chǎn)品開發(fā)早期階段對產(chǎn)品熱性能評估。
3.結(jié)語
通過仿真結(jié)果和實際測試結(jié)果對比,我們發(fā)現(xiàn)測試結(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)計提供了一種可信、快速的熱分析方法。隨著計算機技術(shù)及數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展,CAE仿真技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用會更加廣泛,在電子產(chǎn)品設(shè)計中會起到越來越重要的作用。
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