熱仿真在變速器電控單元設計中的應用

白玉峰

摘要：自動變速器電控單元是汽車的重要零件，工作可靠性和穩定性要求非常高。本文介紹通過應用熱分析軟件Icepak對電控單元進行熱設計，從而使電控單元的電子器件工作在許可的范圍內，保證電控單元能夠穩定可靠地工作。在熱仿真同時，筆者還做了熱測試并和仿真結果做了對比，二者結果很接近，這說明熱仿真和設計優化是合理的。

關鍵詞：電控單元；Icepak；熱仿真；優化設計

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。它一般會安裝在發動機內或者變速器的殼體上，工作環境溫度很高，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。

所以說熱設計對于電控單元十分重要， 但是目前的電控單元的熱設計都是基于經驗的設計，需要制作大量的樣件做測試，不但開發成本高，而且費時費力 在本文中，通過應用CAE分析工具Icepak對設計進行熱仿真，然后對設計進行評估并改進，可以在較短的時間內得到合理的設計。

1.應用Icepak對電控單元熱分析仿真

對于熱分析軟件來說，目前大多數采用有限體積法。本文中應用的熱分析軟件Icepak即采用此方法。Icepak是目前一款常用的電子產品熱分析軟件，由著名的計算流體力學軟件公司Fluent開發，廣泛應用于通訊和汽車電子領域，本軟件可以解決產品系統級，PCB板級和芯片級的散熱問題，可以分析產品內部的溫度場，速度場和壓力場，從多角度分析產品的性能。

1.1 設計介紹

電控單元的設計由底板，外殼，連接器，PCB（Printed Circuit Board）和電子器件，以及導熱膠組成。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和底板之間涂有導熱膠，以降低底板與PCB間的熱阻。

1.2仿真模型建立

根據電控單元的結構在軟件內建模并劃分網格，為了簡化計算，模型在不影響仿真結果的前提下做了適當的簡化，模型如下圖所示

2.結果分析與設計優化

2.1 結果分析

根據以上的網格劃分和邊界調解設置，進行仿真計算后結果如下圖所示：

通過上面圖5中電控單元內部的溫度場分布云圖分析，我們可以對當前的設計得出下面的結論：

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已經超過了它的溫度極限。

2）電控單元上的局部區域溫度過高，達到了154.2℃，為電源調壓芯片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℃，兩個器件溫度已經超出了安全工作溫度極限。

3）雖然邏輯電路部分器件發熱功率低，但是受其發熱大的器件影響，整體溫度也很高，目前已經接近其工作溫度極限。

鑒于以上的仿真結果，當前的設計不能滿足電子器件工作溫度的要求，需要改進設計以降低整個電控單元的溫度。

2.2設計優化

基于仿真結果的分析，從以下四點改進電控單元的設計：

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用發熱功率低的器件代替，以降低其發熱功率。

2）在PCB內增加一層散熱銅箔，提高PCB的導熱能力

3）增加底板上散熱片的數量和散熱片的高度

4）將導熱膠更換為導熱系數更高的導熱膠，導熱系數提高到4.0W/m-K

2.3仿真結果與實驗測試結果對比

軟件的仿真結果是在模型簡化和在很多外界條件假設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熱膠水將熱電偶粘結在電子器件的表面，然后將測試樣品放入溫箱內并將溫箱加熱到測試溫度，待電控單元溫度穩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果的有效性。為了便于比較，只選取了10個測試點。比較的結果如表3所示，在10個結果中，多數的測試結果與仿真結果的偏差在5℃以內，只有2個的器件的溫度差異在5℃-8℃之間。仿真結果與實測結果差異不大，可以說明仿真結果是可信的，其對電控單元的設計優化也是合理的。從中我們可以得出結論，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品開發早期階段對產品熱性能評估。

3.結語

通過仿真結果和實際測試結果對比，我們發現測試結果和仿真結果誤差較小，證明了仿真結果的有效性。這為電子產品設計提供了一種可信、快速的熱分析方法。隨著計算機技術及數值分析技術的發展，CAE仿真技術在產品開發中的應用會更加廣泛，在電子產品設計中會起到越來越重要的作用。

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