基于TRIZ 理論的汽車電器盒溫升超標設計優化

康金燦，夏瑞陽，崔海領，范文濤

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

電器盒是汽車上的標準配置，也是眾多電氣系統中的一個核心部件，其主要作用是完成車輛上用電設備的電源分配及回路的保護。通常由電器盒殼體、電源分配單元（PCB板、熔斷絲、繼電器、匯流條、端子）、電器盒蓋等部件組成，見圖1。電器盒內發熱元件的增多，密封的結構以及狹小的空間等多方面因素導致了現有項目前艙電器盒的溫升超標（55℃）。本文在現有電器盒設計的基礎上，將電器盒溫升超標的問題轉化為TRIZ 問題，利用TRIZ理論進行分析，解決設計過程中的各種問題，以便能得到最終的設計方案。

圖1 電器盒結構示意圖

1 TRIZ理論簡介

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving，發明問題解決理論）在1946 年由俄國學者根里奇阿奇舒勒（G.S.Altshuller）與他的同事共同提出，通過分析、整理、歸納大量的專利與科技文獻資料，針對發明創新問題，發現解決依據，并得出解決問題需要遵循的相關理論與方法[1]。利用TRIZ理論解決問題的思路是：首先將專業問題轉化為TRIZ問題，利用TRIZ工具，得到TRIZ理論中的普適解，然后再將普適解轉化為專業領域內的真實解。

2 基于TRIZ理論的設計優化

2.1 問題描述

在電器盒工作時，電流流過電器盒內的電源分配單元時會產生熱量，而隨著整車功能的增多，電源分配單元中的熔斷絲、繼電器使用數量也相應增加，即電器盒內發熱源增多。因為受到電器盒周邊元件布置的影響，電器盒的體積受到限制，使電器盒內發熱單元更加集中。當電器盒布置在發動機艙，使用時需要防塵防水，從而采用具有一定密封性的結構，也不利于散熱。而為了保證電器盒的穩定工作，電器盒內的溫升一般不能超過55℃。目前有的項目為了增強電器盒的散熱能力，使用了金屬殼體，但這樣做極大地增加了成本。為了控制電器盒的溫升，解決汽車電器盒的溫升超標的問題越來越受到電器盒生產企業及主機廠的重視。

2.2 功能分析

功能分析可以從功能的角度找到工程系統中的功能缺點或者存在問題的組件[2]。將電器盒作為擁有完整功能的系統進行分析，其制品是電流，系統元件有電源分配單元（熔斷絲、繼電器、匯流條、端子、PCB板）、電器盒上下殼體、電器盒上下蓋，超系統有發動機、線束、鈑金、空氣等。組件間的作用關系分析如表1所示，“+”表示有相互作用，“-”表示無相互作用。

建立已有系統的功能模型，如圖2所示。通過功能模型分析，可以直觀地了解系統元件之間的相互關系，并得到導致汽車電器盒溫升超標問題的原因。首先是電流流過電源分配單元會產生熱量，其次電器盒的上下蓋會阻擋空氣的流動，影響散熱。另外就是電器盒內的空氣不能及時把電源分配單元上產生的熱量傳導到蓋子上。

圖2 電器盒系統功能模型

2.3 因果鏈分析

應用因果鏈分析法確認系統問題產生的根本原因[3]，為解決問題提供切入點。因果鏈分析如圖3所示，可見導致電器盒溫升超標的原因是由電源分配單元產生熱量、電器盒內空氣流通不暢、電器盒上下蓋散熱慢等多個因素共同導致的。而其根本原因分別是電源分配單元阻抗大、電器盒上下蓋密封間隙小、導熱率低以及空氣熱導率低等。空氣及電器盒上下蓋熱導率低可以通過更換材料的方法來解決，但會帶來成本的明顯增加，并不是很好的解決方案。

圖3 因果鏈分析

2.4 問題解決

以“電源分配單元阻抗大”為入手點進行TRIZ分析。首先使用沖突解決理論進行分析。沖突描述為：為了改善電源分配單元的能量消耗，需要增加電源分配單元PCB上覆銅寬度，降低電源分配單元電路的阻抗，但會導致電源分配單元電路布板面積變大。轉換為TRIZ標準工程參數，改善的參數是No.22能量損失，惡化的參數是No.6靜止物體面積。通過查找沖突矩陣，找到No.17維數變化發明原理，見表2，再回歸到實際問題中，得到優化方案1。優化方案1，選擇No.17維數變化發明原理的第1條，將物體從一維變到二維或三維空間[4]。原來平面布板僅保留小電流回路，將大電流回路拆分出來，單獨走匯流條回路，既不增加面積，又降低了發熱量，如圖4所示。

表2 技術矛盾及對應的發明原理

圖4 增加回流條后的PCB板

使用裁剪進行問題的解決。通過電源分配單元的功能分析，發現熔斷絲、繼電器、導線是通過端子與PCB板相連接的，根據裁剪的方法第1條：原來元件實現的功能由其他元件或超系統實現[5]，為了降低電源分配電路中的電阻，可以考慮將端子裁剪掉，熔斷絲、繼電器及導線直接與PCB板連接。優化方案2，考慮后期零部件維修的便利性，確定了繼電器直接焊接到PCB板上，熔斷絲、導線繼續使用端子連接的方案，如圖5、圖6所示。

圖5 裁剪后電源分配單元功能模型

圖6 繼電器焊裝在PCB板上

以“電器盒上下蓋密封間隙小”為入手點進行TRIZ分析。使用沖突解決理論進行分析，沖突描述為：為了改善電器盒內空氣流通速度，需要增加電器盒上下蓋的密封間隙，但會導致電器盒防塵、防水性能降低。轉換為TRIZ標準工程參數，改善的參數是No.9速度，惡化的參數是No.35適合性/適應性。通過查找沖突矩陣，找到No.15動態化發明原理，見表3，再回歸到實際問題中，得到優化方案3。優化方案3，選擇No.15動態化發明原理的第2條，劃分一個物體成具有相互關系的元件，元件之間可以改變相對位置[6]。結合項目中電器盒的實際情況，將電器盒內發熱大的元件拆離出來，移至駕駛艙或其他環境較好處，使用縫隙較大的蓋子進行防護，如圖7所示。

表3 技術矛盾及對應的發明原理

圖7 大縫隙蓋子

3 優化方案匯總

通過TRIZ創新理論的分析，使用沖突解決理論、裁剪等工具對現有設計方案進行優化，得到3種創新優化方案。方案1在沒有增加PCB板面積前提下，高效利用了現有的空間，降低了發熱量，綜合成本沒有增加，具有強可用性；方案2裁剪掉了電源分配單元中繼電器的接觸電阻，也能降低電源分配單元的發熱量，并且綜合成本也沒有增加，具有強可用性；方案3雖然可以降低電器盒的溫升，但會導致項目中線束成本增加，綜合評估可用性較弱，為其他項目的設計提供了一種創新思路。

最終的優化方案是將方案1、方案2相結合，如圖8所示。原來的平面布板僅保留小電流回路，將大電流回路拆分出來，單獨走匯流條回路，既不增加面積，又降低了發熱量。同時，將繼電器控制回路更換為焊裝繼電器，減少回路電阻，降低發熱量。

圖8 最終優化方案

4 結語

本文針對汽車電器盒溫升超標的問題，應用TRIZ創新理論進行研究分析使問題簡化，利用TRIZ工具中的沖突解決理論、裁剪等方法，在不增加電器盒成本及體積的前提下，快速找到沖突所在，并得到優化改進方案。該項目問題的解決驗證了TRIZ創新理論在汽車電器盒設計領域的可行性，為該類產品的設計及優化工作提供了一種思路，同時也證明TRIZ創新理論是一種高效的創新設計方法。