發(fā)動機ECU熱仿真分析及影響因素研究

引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子器件小型化、微型化和集成技術(shù)不斷發(fā)展,使微電子器件及設(shè)備的組裝密度和功率密度迅速提高,而設(shè)備中廣泛使用的PCB電子線路板布線密度也越來越高。隨著工作溫度的升高,電子元件的壽命呈指數(shù)規(guī)律下降。電子設(shè)備的工作溫度與電子元件的失效率密切相關(guān),有研究表明,電子元件的工作溫度每升高10℃,元件失效率就會增加一倍。發(fā)動機ECU就是這些面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的典型電子設(shè)備之一。此外,發(fā)動機ECU的功能和工作溫度的要求在不斷提高,然而形狀和尺寸卻不斷降低。因此,為了滿足最終成品的要求,在設(shè)計初期,發(fā)動機ECU的熱仿真分析至關(guān)重要。

本文研究對象發(fā)動機ECU是通過傳感器獲取發(fā)動機環(huán)境和工作狀態(tài)參數(shù),經(jīng)過控制軟件計算后決定開關(guān)量和模擬量的驅(qū)動輸出,從而驅(qū)動油泵和電磁閥,實現(xiàn)啟動控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和應(yīng)急控制等功能。它的工作環(huán)境也比較惡劣,最高工作環(huán)境溫度達(dá)到100℃,容易發(fā)生熱失效,故需要對發(fā)動機ECU進行熱仿真分析,并分析影響發(fā)動機ECU溫度云圖的一些因素。本文重點分析了兩個因素:環(huán)境溫度和導(dǎo)熱系數(shù)。

1熱分析基本原理

1.1傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論

對ECU進行熱分析實際上是分析裝在殼體中的電源板和PCB板的生熱及散熱情況,根據(jù)傳熱學(xué)基本理論,不論電子裝置內(nèi)部的機構(gòu)有多復(fù)雜,其熱量傳遞一般都有三種基本方式,即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。本文主要涉及熱傳導(dǎo)和熱輻射。

1.1.1熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)過程中,單位時間通過單位面積的熱流量稱為熱流密度,如式(1)所示:

式中,g為熱流密度(w/m2):Q為熱流量(w):A為熱傳導(dǎo)方向的橫截面積(m2):k為導(dǎo)熱系數(shù),材料不同,導(dǎo)熱系數(shù)也不同,k越大,導(dǎo)熱性能越好:表示法向溫度梯度(K/m)。

1.1.2熱輻射

在實際中熱輻射通常涉及兩個物體之間進行熱交換,熱輻射釋放熱量的表達(dá)式如下:

式中,Q為輻射放熱量(w):s為物體的發(fā)射率,與溫度和物體面積有關(guān):A為輻射面積(m2):o為斯蒂芬-玻耳茲曼常量,值為5.67×10-8w/(m2·k4):Ts為物體表面溫度(K):TA為環(huán)境溫度(K)。

1.2有限體積法基本原理

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)值仿真技術(shù)的深入研究,運用數(shù)值模擬仿真軟件對電子產(chǎn)品進行熱仿真分析成為了國內(nèi)外電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師在產(chǎn)品設(shè)計過程中采用的主要方式。ANsYsIcepak軟件采用數(shù)值傳熱學(xué)和CFD仿真技術(shù)研發(fā)而成為目前常用的電子設(shè)備熱分析軟件,廣為世界各地電子器件結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師使用。

有限體積法也可以稱為控制容積法,其結(jié)合了有限元法和有限差分法的優(yōu)點,主要用來求解發(fā)熱和對流問題。有限體積法的基本思路是:將原有計算區(qū)域分割為一系列不重復(fù)的控制體積,將要求解的微分方程對每一個控制體積進行積分得到離散方程,求解得到的離散方程得出最終的數(shù)值解。有限體積法建立的積分控制方程式基于三大守恒定律:質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律?？捎靡韵峦ㄓ眯问奖磉_(dá)所建立的積分控制方程:

式中,s小為廣義源項:工為廣義擴散系數(shù):小為通用變量。

對于不同的控制方程,式(3)中的s小、工和小的表達(dá)形式不同,當(dāng)s小、工和小取不同變量時可得到連續(xù)方程、動量方程和能量方程。由于求解問題比較繁瑣,在求解區(qū)域內(nèi)建立的偏微分控制方程規(guī)模比較龐大,邊界條件比較復(fù)雜,通常情況下很難得到準(zhǔn)確的解。通過有限元體積法得出的離散方程要求每一組控制體積的因變量積分守恒都能得到滿足,進而可以滿足整個計算區(qū)域內(nèi)的因變量積分守恒。

2發(fā)動機ECU熱分析模型

2.1發(fā)動機ECU模型

發(fā)動機ECU主要由主控PCB板、電源PCB板、散熱器和殼體組成。發(fā)動機ECU主要發(fā)熱元器件有wK312712s、wK312705s、7812、7805和wsA62,分布在電源PCB板上,發(fā)熱元器件通過導(dǎo)熱材料和散熱器與電源PCB板和殼體連接。發(fā)動機ECU幾何模型如圖1所示。其中,黃色部分為導(dǎo)熱材料,主要連接發(fā)熱元器件與殼體、發(fā)熱元器件與散熱器以及散熱器與殼體等。

主要發(fā)熱元器件信息如表1所示。

2.2發(fā)動機ECU有限元模型

發(fā)動機ECU熱分析仿真模型如圖2所示。

3散熱影響因素分析

發(fā)動機ECU的最主要參數(shù):最高允許節(jié)點溫度,對于本文中的ECU,其最高允許節(jié)點溫度為130℃,影響ECU溫度的因素有很多,本文主要分析因素為環(huán)境溫度和導(dǎo)熱系數(shù)。

3.1環(huán)境溫度影響分析

發(fā)動機ECU工作的環(huán)境溫度為-40~100℃。溫度變化幅度達(dá)140℃,范圍極大。主要計算環(huán)境溫度為-40℃、0℃、55℃、75℃和100℃時各主要發(fā)熱元器件最高節(jié)點溫度。ECU各主要發(fā)熱元器件溫度分布如圖3所示。

將最高節(jié)點溫度與環(huán)境溫度擬合成曲線,即可得到環(huán)境溫度與發(fā)動機ECU各主要發(fā)熱元器件最高節(jié)點溫度的變化關(guān)系,如圖4所示。

由圖4可見,環(huán)境溫度在-40~100C范圍內(nèi)變化時,發(fā)動機ECU各發(fā)熱元器件最高節(jié)點溫度基本上呈線性變化規(guī)律,當(dāng)其他條件不變時,ECU最高節(jié)點溫度與環(huán)境溫度滿足如下關(guān)系式:

式中,TECU為發(fā)動機ECU各發(fā)熱元器件最高節(jié)點溫度:T0為環(huán)境溫度:a和b為待求解系數(shù)。

根據(jù)表2所示計算數(shù)據(jù),采用最小二乘法,擬合出TECU和T0的關(guān)系式,各個元器件擬合關(guān)系式系數(shù)如表3所示。

以元器件7812為例,從表3中數(shù)據(jù)可以看出,計算得出的a值為0.9423,b值為36.507,擬合精度判斷系數(shù)R2為0.9994,擬合精度高,結(jié)果準(zhǔn)確。對于元器件7812,則式(4)具體表達(dá)式如下:

式(5)為發(fā)動機ECU的7812元器件,溫度范圍為-40~100℃,導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.8w/)m·K),冷卻方式為自然對流時,最高節(jié)點溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)。此公式的應(yīng)用價值在于實際應(yīng)用中可以通過簡單計算得到任意環(huán)境溫度下元器件的最高節(jié)點溫度,不需要再進行仿真或試驗,減少了仿真和試驗工作量。

3.2導(dǎo)熱系數(shù)影響分析

各導(dǎo)熱材料對傳熱的影響主要是由于導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同所造成的,故選取幾種典型的導(dǎo)熱材料作為研究對象,如表4所示。

在環(huán)境溫度55℃,自然對流冷卻條件下,選取不同導(dǎo)熱材料,計算ECU元器件溫度云圖,各導(dǎo)熱材料對應(yīng)溫度云圖如圖5所示。

將導(dǎo)熱系數(shù)與各發(fā)熱元器件最高節(jié)點溫度擬合成二維曲線,如圖6所示。

從圖中可看出,ECU各元器件最高節(jié)點溫度隨著導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加而減小,當(dāng)導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)小于10.5w/)m·K)時,ECU最高節(jié)點溫度變化非常明顯,當(dāng)導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)大于10.5w/)m·K)時,曲線變化平緩。由以上分析可知,當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)高到一定數(shù)值時,ECU溫度已經(jīng)基本不受影響。因此,ECU設(shè)計時,可以根據(jù)以上變化規(guī)律選擇適合的導(dǎo)熱材料,對ECU的散熱性能改善有很大幫助,但并不是材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大越好,導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時,對散熱特性改善作用不再顯著。

綜合表1和圖6可以發(fā)現(xiàn),體積功率密度越大的元器件,其對導(dǎo)熱系數(shù)的增大越敏感。根據(jù)以上規(guī)律,可按照元器件體積功率密度的不同,區(qū)別選用不同導(dǎo)熱材料。

4結(jié)論

(1)本文建立了發(fā)動機ECU熱仿真分析模型,分析了環(huán)境溫度和導(dǎo)熱系數(shù)對發(fā)動機ECU溫度的影響。

(2)基于不同環(huán)境溫度熱分析結(jié)果,采用最小二乘法推導(dǎo)出發(fā)動機ECU節(jié)點溫度隨環(huán)境溫度變化關(guān)系函數(shù),利用該函數(shù)可方便地獲得任意環(huán)境溫度下ECU的最高節(jié)點溫度,可大幅提高研發(fā)工作效率,具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

(3)基于不同導(dǎo)熱系數(shù)熱分析結(jié)果,確定了發(fā)動機ECU導(dǎo)熱材料選擇需綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)與元器件體積功率密度的原則:導(dǎo)熱系數(shù)不是越高越好,需綜合考慮其變化規(guī)律和元器件體積功率密度合理選取導(dǎo)熱材料。

以上結(jié)論可以有效指導(dǎo)電子產(chǎn)品熱設(shè)計,具有較強的現(xiàn)實意義。