車用中央電氣接線盒熱設(shè)計(jì)與CAE分析應(yīng)用研究

王 瑞

（上海滬工汽車電器有限公司，上海 201804）

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，整車電氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度和功率密度也隨之不斷提升，因此，產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)品質(zhì)對(duì)整車電氣系統(tǒng)的性能和可靠性將起到非常關(guān)鍵的作用。根據(jù)多年來(lái)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)，整車電氣系統(tǒng)的失效故障近50%是電子和電器產(chǎn)品的熱失效引起的。

汽車電子與電器產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)、電氣功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)是密不可分的，把熱設(shè)計(jì)放在最后來(lái)做實(shí)際溫升驗(yàn)證就不叫熱設(shè)計(jì)，那只是產(chǎn)品的散熱補(bǔ)救措施。電子元器件的使用壽命與其工作溫度具有直接關(guān)系，溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力與熱變形是最終導(dǎo)致電子元器件失效的根本原因。而傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加樣機(jī)熱測(cè)試的方法已經(jīng)不適應(yīng)汽車電子產(chǎn)品快速研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要，所以必須在產(chǎn)品研發(fā)階段導(dǎo)入熱設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。

車用中央電氣接線盒在傳統(tǒng)研發(fā)流程中，產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)階段注重電氣功能的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，而在產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方面則采取經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)快速手工功能樣件進(jìn)行帶載溫升測(cè)試驗(yàn)證。傳統(tǒng)的研發(fā)流程必將導(dǎo)致研發(fā)前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)審后設(shè)計(jì)優(yōu)化的困難，同時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中周期的加長(zhǎng)和費(fèi)用的上升。

為了提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，通過(guò)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中導(dǎo)入熱設(shè)計(jì)及CAE仿真分析的虛擬設(shè)計(jì)驗(yàn)證，這樣可以在不加工產(chǎn)品功能樣件的情況下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬評(píng)審和設(shè)計(jì)優(yōu)化。從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的快速評(píng)審和驗(yàn)證，大幅度提高了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)品質(zhì)，同時(shí)也可有效降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的費(fèi)用和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。

通過(guò)在實(shí)際開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中對(duì)車用中央電氣接線盒的熱設(shè)計(jì)與CAE分析的應(yīng)用研究，充分論證在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中納入熱設(shè)計(jì)虛擬仿真分析的必要性和重要性，同時(shí)為確定產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)及CAE分析工作流程的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1 車用中央電氣接線盒的熱特性和熱設(shè)計(jì)規(guī)范

車用中央電氣接線盒俗稱繼電器熔斷絲盒或電器功率分配盒，它是整車用電器的功率分配中心和整車線束的保護(hù)中心，是整車電器管理和驅(qū)動(dòng)的重要部件。通常根據(jù)安裝部位可分為發(fā)動(dòng)機(jī)艙中央電氣接線盒和乘客艙中央電氣接線盒，它主要由電磁繼電器、熔斷絲、PCBA、音叉端子、刀型端子和注塑結(jié)構(gòu)件等組成。

隨著功率開(kāi)關(guān)器件和自恢復(fù)保護(hù)器件的技術(shù)進(jìn)步，車用中央電氣接線盒采用功率開(kāi)關(guān)器件和自恢復(fù)保護(hù)器件實(shí)現(xiàn)輕量化、集成化已是必然趨勢(shì)。

車用中央電氣接線盒中功率器件耗散的熱量決定了溫升， 因此不同的電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的不同溫度。產(chǎn)品自身的發(fā)熱量是以導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射3種方式傳遞出去，而每種方式傳遞的熱量與其熱阻成反比；熱量、熱阻和溫度是熱設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)；中央電氣接線盒的熱設(shè)計(jì)應(yīng)該以在發(fā)動(dòng)機(jī)艙或乘客艙 （或行李艙）環(huán)境條件下熱量的傳遞同時(shí)滿足車身內(nèi)部自然冷卻系統(tǒng)和可靠性要求為最簡(jiǎn)單又最經(jīng)濟(jì)的熱設(shè)計(jì)。

1.1 產(chǎn)品的熱特性

車用中央電氣接線盒的熱量主要來(lái)源于對(duì)電器驅(qū)動(dòng)和電器功率分配過(guò)程中的損耗，其主要包括：繼電器線圈功耗、繼電器觸點(diǎn)接觸功耗、繼電器引出腳與音叉端子的接觸功耗、熔斷絲與音叉端子的接觸功耗、熔斷絲體電阻功耗、接插件與刀型端子的接觸功耗、PCB電氣回路銅箔體電阻功耗等。

電子化PCB式車用中央電氣接線盒的熱量還將包含功率MOSFET的功耗和自恢復(fù)保護(hù)器件的功耗。

1）電磁繼電器的熱特性見(jiàn)表1。

2）功率MOSFET的熱特性見(jiàn)表2。

3）自恢復(fù)保護(hù)器件的熱特性見(jiàn)表3。

4）熔斷絲熱特性見(jiàn)表4。

5）PCB的熱特性見(jiàn)表5。

6）音叉和刀型端子的熱特性見(jiàn)表6。

1.2 產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)規(guī)范

中央電氣接線盒是整車電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，熱設(shè)計(jì)是中央電氣接線盒設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。熱設(shè)計(jì)的品質(zhì)既關(guān)系中央電氣接線盒自身電氣性能的可靠性，更關(guān)系到整車電氣系統(tǒng)工作的可靠性。隨著中央電氣接線盒小型化和集成化的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的體積不斷減小和功率密度不斷提高，中央電氣接線盒熱設(shè)計(jì)的要求則尤為重要和關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)人員必須重視中央電氣接線盒熱設(shè)計(jì)要求，保證熱設(shè)計(jì)的品質(zhì)。

1.2.1 熱設(shè)計(jì)的基本要求

熱設(shè)計(jì)應(yīng)與其它設(shè)計(jì) （電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等）同步進(jìn)行，當(dāng)熱設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)沖突時(shí)，應(yīng)優(yōu)先滿足熱設(shè)計(jì)的要求；當(dāng)熱設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)出現(xiàn)沖突時(shí)，應(yīng)優(yōu)先滿足可靠性設(shè)計(jì)的要求。

多層印制板設(shè)計(jì)中電磁繼電器、功率MOSFET、熔斷絲和自恢復(fù)保護(hù)器件的布置應(yīng)兼顧布線銅箔的電氣和熱設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合汽車的實(shí)際行車工況規(guī)避相鄰回路布置同時(shí)工作的大電流車載電器，以滿足中央電氣接線盒的熱設(shè)計(jì)的要求。

多層印制板設(shè)計(jì)中如果局部器件功率分布密度偏高時(shí)，布線銅箔可采取漏銅敷錫設(shè)計(jì)提高熱量耗散效率，或布線銅箔采取兩層拷貝并均勻布置過(guò)孔的設(shè)計(jì)，或采取過(guò)橋匯流片設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整高功率器件的布置位置，或采取一體化端子 （叉型與刀型一體或刀型與刀型一體）設(shè)計(jì)來(lái)降低局部功率器件的分布密度，以滿足中央電氣接線盒的熱設(shè)計(jì)的要求。

1.2.2 長(zhǎng)時(shí)／短時(shí)工作電氣回路的熱設(shè)計(jì)要求

多層印制板設(shè)計(jì)中對(duì)于長(zhǎng)時(shí)工作的回路銅箔寬度承受額定負(fù)載電流時(shí)的溫升應(yīng)符合10℃溫升的規(guī)定，或者PCB整體承受的溫升應(yīng)符合表5的規(guī)定。

表1 常用汽車電磁繼電器的熱特性表 （參考）

表2 常用功率MOSFET的熱特性表 （參考）

表3 常用自恢復(fù)保護(hù)器件的熱特性表 （參考）

表4 常用熔斷絲的熱特性表 （參考）

多層印制板設(shè)計(jì)中對(duì)于短時(shí)工作的回路銅箔寬度承受額定負(fù)載電流時(shí)的溫升應(yīng)符合20℃溫升的規(guī)定，或者PCB整體承受的溫升應(yīng)符合表5的規(guī)定。

1.2.3 音叉和刀型端子的熱設(shè)計(jì)要求

不同類型端子的額定工作電流和溫升應(yīng)符合表6的要求。

1.2.4 不同溫度下降額設(shè)計(jì)要求

電應(yīng)力和熱應(yīng)力之間有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，減少電應(yīng)力 （降額）會(huì)使熱應(yīng)力得到相應(yīng)的降低，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

快熔熔斷絲的降額系數(shù)為：-0.15%／℃，慢熔熔斷絲的降額系數(shù)為：-0.14%／℃。

繼電器觸點(diǎn)額定工作電流的降額系數(shù)為：每20℃下降10%。

2 車用中央電氣接線盒熱設(shè)計(jì)的FLOEFD分析方法簡(jiǎn)介

FLOEFD是一款專業(yè)高效與設(shè)計(jì)協(xié)同的流體和傳熱分析軟件，F(xiàn)LOEFD區(qū)別于傳統(tǒng)CFD軟件的最大優(yōu)勢(shì)在于它是一款面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員并無(wú)縫集成于CAD軟件中的通用CFD軟件。

FLOEFD的分析方法：以工程向?qū)У姆绞揭龑?dǎo)CAE工程師和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員方便快捷地完成產(chǎn)品的熱趨分析流程。

1）分析流程：①建立CAD模型；②自動(dòng)網(wǎng)格劃分；③邊界條件施加；④求解和后處理；⑤自動(dòng)生成Word／Excel熱趨分析報(bào)告。

2）主要特點(diǎn)：①FLOEFD直接應(yīng)用CAD實(shí)體模型；②自動(dòng)判定流體區(qū)域；③自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分；④無(wú)需對(duì)流體區(qū)域再建模；⑤整個(gè)分析流程均在CAD軟件界面下完成。

3 熱設(shè)計(jì)CAE分析工作的應(yīng)用價(jià)值

3.1 產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)評(píng)審和魯棒性分析

1）產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的評(píng)審 ①PCB最大UL操作溫度 （FR4：TUL＜130 ℃；FR5：TUL＜150℃或供需雙方協(xié)商確定）的評(píng)審；②PCB玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 （Tg值）的評(píng)審 （無(wú)鉛焊接和銅箔粘接強(qiáng)度抗老化評(píng)審）；③PCB布線設(shè)計(jì)的評(píng)審；④產(chǎn)品電氣元件布置設(shè)計(jì)的評(píng)審；⑤產(chǎn)品高海拔操作過(guò)熱分析和最高測(cè)量溫度的評(píng)審，T（高海拔下實(shí)際工作溫度）＝［（環(huán)境溫度－室溫）×1.33］+室溫，通常情況下+10℃；⑥線束耐溫等級(jí)選型的評(píng)審；⑦工程塑料結(jié)構(gòu)件耐溫選型的評(píng)審；⑧熔斷絲額定工作電流 （降額值）選型的評(píng)審，額定電流的降額系數(shù)：插片式熔斷絲為-0.15%／℃，慢熔熔斷絲為-0.14%／℃；⑨繼電器觸點(diǎn)額定工作電流 （降額值）選型的評(píng)審，繼電器觸點(diǎn)額定工作電流降額系數(shù)為每20℃下降10%。

表5 常用PCB的熱特性表 （參考）

表6 常用音叉和刀型端子的熱特性表 （參考）

2）產(chǎn)品的熱疲勞分析 確認(rèn)當(dāng)不同熱膨脹系數(shù)的材料相互接觸時(shí)，由溫度循環(huán)變化引起的熱疲勞缺陷，疲勞壽命應(yīng)當(dāng)是組件要求壽命的3倍。

3）產(chǎn)品的可靠性分析 在研發(fā)的DVT階段，將振動(dòng)、溫度、電及濕度等應(yīng)力，進(jìn)行各種不同的整合，并以階梯應(yīng)力的方式，依序或同時(shí)施加在待測(cè)物體上面。如圖1、圖2所示。

3.2 產(chǎn)品DV溫度曲線開(kāi)發(fā)

1）功率溫度循環(huán) （PTC）曲線的模擬。

2）過(guò)熱操作曲線的開(kāi)發(fā)。

3）最高測(cè)量溫度的開(kāi)發(fā)。

4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段成本控制。①通過(guò)管理PCB最大UL操作溫度指標(biāo)來(lái)控制成本，指標(biāo)越高成本必然上升。②通過(guò)管理PCB的Tg指標(biāo)來(lái)控制成本，指標(biāo)越高成本必然上升。③通過(guò)熱設(shè)計(jì)評(píng)審確定PCB銅箔厚度 （包括疊層數(shù)）和電氣元件的布置來(lái)控制成本，成本隨銅箔厚度和疊層數(shù)的增加而提高。④通過(guò)管理元件溫度指標(biāo)來(lái)控制成本，工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)和軍品級(jí)元件的價(jià)格差異較大。⑤通過(guò)管理線束耐溫等級(jí)來(lái)控制成本，高溫線和常規(guī)線價(jià)格差異較大。⑥通過(guò)管理熔斷絲額定工作電流 （降額值）來(lái)控制成本，不同的額定值對(duì)應(yīng)不同的線徑，線徑不同價(jià)格也不同。⑦通過(guò)管理繼電器額定工作電流 （降額值）來(lái)控制成本，不同的額定值對(duì)應(yīng)不同的繼電器型號(hào)，繼電器型號(hào)不同價(jià)格也不同。

3.3 產(chǎn)品研發(fā)流程的優(yōu)化

1）傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。

2）優(yōu)化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

FlOEFD軟件用于某合資車企新研發(fā)車型中乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙中央電氣接線盒的熱趨分析，本次分析計(jì)算包括了PCBA的板級(jí)熱趨分析、產(chǎn)品級(jí)熱趨分析和環(huán)境系統(tǒng)級(jí)熱趨分析。

圖1 潛在疵病或脆弱設(shè)計(jì)仍可能導(dǎo)致失效

圖2 規(guī)避潛在疵病或脆弱設(shè)計(jì)，提升可靠性

圖3 傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

圖4 優(yōu)化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

4.1 產(chǎn)品的熱特性參數(shù)

1）分析考慮了PCB上布線的焦耳發(fā)熱，繼電器的線圈功耗、觸點(diǎn)的接觸功耗和引腳的接觸功耗，熔斷絲的體功耗和引腳的接觸功耗，接插件接線端子的接觸功耗。

2）整車電氣負(fù)載參數(shù)由某合資車企工程部提供，所有電機(jī)均按堵轉(zhuǎn)工況負(fù)載加倍，本次分析中電氣加載170 A。

3）功率器件的接觸電阻和接觸壓降等參數(shù)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4）材料：銅、FR4和尼龍66。5）環(huán)境溫度：80℃。

4.2 產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)

環(huán)境系統(tǒng)原型見(jiàn)圖5，產(chǎn)品原型見(jiàn)圖6，PCBA原型見(jiàn)圖7。

4.3 PCBA板級(jí)熱趨分析結(jié)果

PCB頂層溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖8，底層溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖9。

圖5 環(huán)境系統(tǒng)原型

圖6 產(chǎn)品原型

圖7 PCBA原型

圖8 PCB頂層溫度場(chǎng)分布云圖

4.4 產(chǎn)品級(jí)熱趨分析結(jié)果

產(chǎn)品正面溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖10，產(chǎn)品側(cè)面和背面溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖11。

4.5 環(huán)境系統(tǒng)級(jí)熱趨分析結(jié)果

環(huán)境的溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖12，環(huán)境內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖13。

圖9 底層溫度場(chǎng)分布云圖

圖10 產(chǎn)品正面溫度場(chǎng)分布云圖

圖11 產(chǎn)品側(cè)面和背面溫度場(chǎng)分布云圖

圖12 環(huán)境的溫度場(chǎng)分布云圖

圖13 環(huán)境內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布云圖

4.6 CAE熱趨分析結(jié)果與工裝樣機(jī)熱測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)比結(jié)果：CAE分析的最高溫度為97.86℃，樣機(jī)測(cè)試的最高溫度為101.2℃。

170 A CAE熱趨分析溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖14，產(chǎn)品實(shí)物170 A熱測(cè)試紅外成像結(jié)果見(jiàn)圖15。

圖14 170 A CAE熱趨分析溫度場(chǎng)分布云圖

圖15 產(chǎn)品實(shí)物170A熱測(cè)試紅外成像結(jié)果

4.7 實(shí)車路試測(cè)量結(jié)果

表7為整車廠工程部項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中3萬(wàn)公里實(shí)車路試測(cè)量數(shù)據(jù)，其最高溫度為90.3℃。

表7 實(shí)車測(cè)試結(jié)果℃

5 結(jié)論

本文給出了FLOEFD軟件在乘用車中央電氣接線盒熱趨分析中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)際研發(fā)的應(yīng)用案例，充分論證了在汽車電子電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)中導(dǎo)入熱設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證的必要性、重要性和可行性。