发动机ECU热仿真分析及影响因素研究

引言

随着电子技术的发展,电子器件小型化、微型化和集成技术不断发展,使微电子器件及设备的组装密度和功率密度迅速提高,而设备中广泛使用的PCB电子线路板布线密度也越来越高。随着工作温度的升高,电子元件的寿命呈指数规律下降。电子设备的工作温度与电子元件的失效率密切相关,有研究表明,电子元件的工作温度每升高10℃,元件失效率就会增加一倍。发动机ECU就是这些面临严峻挑战的典型电子设备之一。此外,发动机ECU的功能和工作温度的要求在不断提高,然而形状和尺寸却不断降低。因此,为了满足最终成品的要求,在设计初期,发动机ECU的热仿真分析至关重要。

本文研究对象发动机ECU是通过传感器获取发动机环境和工作状态参数,经过控制软件计算后决定开关量和模拟量的驱动输出,从而驱动油泵和电磁阀,实现启动控制、转速闭环控制和应急控制等功能。它的工作环境也比较恶劣,最高工作环境温度达到100℃,容易发生热失效,故需要对发动机ECU进行热仿真分析,并分析影响发动机ECU温度云图的一些因素。本文重点分析了两个因素:环境温度和导热系数。

1热分析基本原理

1.1传热学基础理论

对ECU进行热分析实际上是分析装在壳体中的电源板和PCB板的生热及散热情况,根据传热学基本理论,不论电子装置内部的机构有多复杂,其热量传递一般都有三种基本方式,即热传导、热对流和热辐射。本文主要涉及热传导和热辐射。

1.1.1热传导

热传导过程中,单位时间通过单位面积的热流量称为热流密度,如式(1)所示:

式中,g为热流密度(w/m2):Q为热流量(w):A为热传导方向的横截面积(m2):k为导热系数,材料不同,导热系数也不同,k越大,导热性能越好:表示法向温度梯度(K/m)。

1.1.2热辐射

在实际中热辐射通常涉及两个物体之间进行热交换,热辐射释放热量的表达式如下:

式中,Q为辐射放热量(w):s为物体的发射率,与温度和物体面积有关:A为辐射面积(m2):o为斯蒂芬-玻耳兹曼常量,值为5.67×10-8w/(m2·k4):Ts为物体表面温度(K):TA为环境温度(K)。

1.2有限体积法基本原理

随着计算机技术的快速发展和数值仿真技术的深入研究,运用数值模拟仿真软件对电子产品进行热仿真分析成为了国内外电子产品结构设计工程师在产品设计过程中采用的主要方式。ANsYsIcepak软件采用数值传热学和CFD仿真技术研发而成为目前常用的电子设备热分析软件,广为世界各地电子器件结构设计工程师使用。

有限体积法也可以称为控制容积法,其结合了有限元法和有限差分法的优点,主要用来求解发热和对流问题。有限体积法的基本思路是:将原有计算区域分割为一系列不重复的控制体积,将要求解的微分方程对每一个控制体积进行积分得到离散方程,求解得到的离散方程得出最终的数值解。有限体积法建立的积分控制方程式基于三大守恒定律:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。可用以下通用形式表达所建立的积分控制方程:

式中,s小为广义源项:工为广义扩散系数:小为通用变量。

对于不同的控制方程,式(3)中的s小、工和小的表达形式不同,当s小、工和小取不同变量时可得到连续方程、动量方程和能量方程。由于求解问题比较繁琐,在求解区域内建立的偏微分控制方程规模比较庞大,边界条件比较复杂,通常情况下很难得到准确的解。通过有限元体积法得出的离散方程要求每一组控制体积的因变量积分守恒都能得到满足,进而可以满足整个计算区域内的因变量积分守恒。

2发动机ECU热分析模型

2.1发动机ECU模型

发动机ECU主要由主控PCB板、电源PCB板、散热器和壳体组成。发动机ECU主要发热元器件有wK312712s、wK312705s、7812、7805和wsA62,分布在电源PCB板上,发热元器件通过导热材料和散热器与电源PCB板和壳体连接。发动机ECU几何模型如图1所示。其中,黄色部分为导热材料,主要连接发热元器件与壳体、发热元器件与散热器以及散热器与壳体等。

主要发热元器件信息如表1所示。

2.2发动机ECU有限元模型

发动机ECU热分析仿真模型如图2所示。

3散热影响因素分析

发动机ECU的最主要参数:最高允许节点温度,对于本文中的ECU,其最高允许节点温度为130℃,影响ECU温度的因素有很多,本文主要分析因素为环境温度和导热系数。

3.1环境温度影响分析

发动机ECU工作的环境温度为-40~100℃。温度变化幅度达140℃,范围极大。主要计算环境温度为-40℃、0℃、55℃、75℃和100℃时各主要发热元器件最高节点温度。ECU各主要发热元器件温度分布如图3所示。

将最高节点温度与环境温度拟合成曲线,即可得到环境温度与发动机ECU各主要发热元器件最高节点温度的变化关系,如图4所示。

由图4可见,环境温度在-40~100C范围内变化时,发动机ECU各发热元器件最高节点温度基本上呈线性变化规律,当其他条件不变时,ECU最高节点温度与环境温度满足如下关系式:

式中,TECU为发动机ECU各发热元器件最高节点温度:T0为环境温度:a和b为待求解系数。

根据表2所示计算数据,采用最小二乘法,拟合出TECU和T0的关系式,各个元器件拟合关系式系数如表3所示。

以元器件7812为例,从表3中数据可以看出,计算得出的a值为0.9423,b值为36.507,拟合精度判断系数R2为0.9994,拟合精度高,结果准确。对于元器件7812,则式(4)具体表达式如下:

式(5)为发动机ECU的7812元器件,温度范围为-40~100℃,导热材料导热系数为0.8w/)m·K),冷却方式为自然对流时,最高节点温度与环境温度的关系函数。此公式的应用价值在于实际应用中可以通过简单计算得到任意环境温度下元器件的最高节点温度,不需要再进行仿真或试验,减少了仿真和试验工作量。

3.2导热系数影响分析

各导热材料对传热的影响主要是由于导热材料的导热系数不同所造成的,故选取几种典型的导热材料作为研究对象,如表4所示。

在环境温度55℃,自然对流冷却条件下,选取不同导热材料,计算ECU元器件温度云图,各导热材料对应温度云图如图5所示。

将导热系数与各发热元器件最高节点温度拟合成二维曲线,如图6所示。

从图中可看出,ECU各元器件最高节点温度随着导热材料导热系数的增加而减小,当导热材料导热系数小于10.5w/)m·K)时,ECU最高节点温度变化非常明显,当导热材料导热系数大于10.5w/)m·K)时,曲线变化平缓。由以上分析可知,当导热系数高到一定数值时,ECU温度已经基本不受影响。因此,ECU设计时,可以根据以上变化规律选择适合的导热材料,对ECU的散热性能改善有很大帮助,但并不是材料的导热系数越大越好,导热系数达到一定数值时,对散热特性改善作用不再显著。

综合表1和图6可以发现,体积功率密度越大的元器件,其对导热系数的增大越敏感。根据以上规律,可按照元器件体积功率密度的不同,区别选用不同导热材料。

4结论

(1)本文建立了发动机ECU热仿真分析模型,分析了环境温度和导热系数对发动机ECU温度的影响。

(2)基于不同环境温度热分析结果,采用最小二乘法推导出发动机ECU节点温度随环境温度变化关系函数,利用该函数可方便地获得任意环境温度下ECU的最高节点温度,可大幅提高研发工作效率,具有现实指导意义。

(3)基于不同导热系数热分析结果,确定了发动机ECU导热材料选择需综合考虑导热系数与元器件体积功率密度的原则:导热系数不是越高越好,需综合考虑其变化规律和元器件体积功率密度合理选取导热材料。

以上结论可以有效指导电子产品热设计,具有较强的现实意义。