某車載電子模組熱仿真分析研究

羅曉川

摘要：應用FloTHERM對某車載電子模塊散熱方案進行熱分析，通過流場、溫度場分布論證了方案的熱設計可行性，結果表明初始方案可行且存在較大的設計余量;在滿足散熱要求的前提下進行方案優化，獲得了性價比更高的方案。

關鍵詞：FloTHERM，車載模塊，熱分析

0.引言

隨著新能源電動車（Electric Vehicles， EV）及自動駕駛技術（Piloted Driving， PD）的發展，汽車電子設計面臨著提高系統性能及集成度、縮減重量和體積的要求，這些要求使得系統單位熱流密度值迅速增大，而汽車應用環境的復雜性[1] [2]和高可靠性要求對汽車電子熱性能提出更高的挑戰。一項對電子產品失效故障投票統計表明，包括高溫、水、機械振動、污染、供電、電磁兼容、輻射等因素中，高溫故障獲得投票最高[3]，研究[4] [5]表明電子設備的故障率與溫度呈指數增長關系，因此熱分析成為汽車電子從概念設計階段就需要考慮的必要程序。在概念階段利用CFD仿真技術進行電子產品熱設計[6][7]已成為廣大熱設計工程師重要工作。

本文通過Simcenter FloTHERM對某車載模組的散熱特性進行CFD計算分析，在產品概念設計階段驗證設計方案能否在60℃的空間內穩定工作，各元器件滿足其溫度限值要求。通過對模擬計算獲得的流場、溫度場進行分析，在滿足散熱要求的前提下進行方案優化，獲得更佳的性價比方案。

1 車載模組設備介紹

本文研究對象為某車規級計算平臺，結合深度學習感知技術，以便為高級別自動駕駛提供穩定可靠的高性能感知系統。該模型包括3個主要的高算力計算模塊Module為主要熱源，中間通過7個風扇進行內部通風，系統的頂部設計兩個開口作為風道。設備模型如圖1-1所示，詳見補充材料。

2.仿真流程

2.1 仿真對象及簡化

根據流動傳熱分析需要，在設備進行仿真前，為獲得封閉的流體模型，對原始A1的CAD模型進行必要的簡化、轉換、縫補等工作，原始A1模型包含散熱模塊、7個風扇及其他模塊，模型簡化如圖1-1所示。主要包括如下簡化或假設：

外部箱體進出風口用了等效面積處理;

使用簡化PCB模型;

簡化了計算模組的邊角;

物理模型做如下假設：

對風扇給定固定流量，不考慮旋轉和P-Q曲線數據;

U9芯片按照最大功率計算。

2.3 仿真工況

參考溫度設置為60℃，基于1個標準大氣壓操作，氣體介質選擇為空氣，固定流量型的簡化風扇模型，80尺寸風扇流量為25cfm，120尺寸風扇流量為50cfm，風扇總流量為250cfm，各部件物性參數詳見補充材料。

網格設置中最小尺寸為0.01mm，最大尺寸為10mm，總網格數約為419萬，針對芯片、風扇等關鍵區域進行加密。采用全局所有部件絕大部分平均溫度為判定收斂標準。

在獲得A1方案數據后發現模型溫度余量較大，考慮成本和減重需要，提出方案優化A2，具體如下：

風扇考慮旋轉和P-Q曲線數據，詳見補充材料;

使用紫銅替換為較為便宜的鋁材（導熱系數為201W/mK）;

刪除原來外殼與紫銅裝配的導熱硅脂，保留芯片與鋁材的導熱硅脂;

其他設置與A1保持不變。

3.結果分析

3.1結果數據

A1方案模型各組件工作狀態溫度分布如表3-1所示，三個模型內的溫度分布規律基本一致，組件溫度分布在72.1℃到87.7℃之間，所有主要元器件都能滿足溫度極值要求，且最低有18.8℃的設計余量。A2方案所有主要元器件溫度分布在81℃到97℃之間，相對于A1模型，溫度升高，但是都能滿足溫度極值要求且最低有8.9℃的余量。

3.2 仿真云圖

模組表面溫度云圖如3-1所示，兩個方案3個組件表面溫度整體分布一致，U26、U27、U28、U29區域器件尺寸較小，其熱流密度較高，該區域溫度較高;兩個方案3個組件溫度最高器件溫差較低，A1方案Module2最高溫度U26較最低溫Module1高1.5℃，A2方案Module3最高溫U26較Module1高3.4℃，這是因為在考慮旋轉后，流經Module3的氣流沒有充分經過Module3的散熱器，如圖3-2。

流動跡線圖3-2表明，兩個方案流場基本符合設計預期，氣流主要路徑從右側進風口進風后流經Module3后，經過風扇流過Module1、Module2散熱器，然后從左側出風口排出，氣流經過風扇前流動結構基本相似，經過風扇后，流動變得復雜。若不考慮風扇旋轉，設備內流態較為簡單，反之，流場中有較多復雜漩渦結構。A2方案流體流經風扇前，在Module3處，考慮旋轉后氣流更多流經Module3的下表面，減少了流經上表面散熱器的流量，這就造成上述圖3-1中Module3的器件溫度較高;流經風扇后，在Module1和Module2處氣流因漩渦溫升更高。

3.3 成本分析

上述結果表明，兩個方案在溫度上都可以滿足溫度極值設計要求，改進后的模型A2既可以滿足器件溫度極值要求，又能夠降低成本（A1方案的13.7%）和重量（A1方案的44%），如表3-2所示。

4.總結

本文通過CFD技術對概念設計階段的車載模塊進行熱分析，獲得了設計方案詳細的溫度場、流場分布，結果表明該設計方案所有元器件可滿足溫度極值設計要求，最低有18.8℃的余量;通過進一步的方案優化，在滿足散熱要求的前提下（最低有8.9℃的余量），獲得了一個性價比更高的方案（原方案成本的13.7%，原方案重量的44%），細化后方案的流場分析能夠也能協助溫度場的分析。總之，概念階段的熱設計能夠協助汽車電子工程師進行散熱方案分析及優化。

參考文獻

[1]趙治國. 車載計算機環境適應性設計研究[D].中南大學，2010.

[2]徐浩. 車載多媒體主機的熱固耦合設計[D].蘇州大學，2019.

[3]J. Falck， C. Felgemacher， A. Rojko， M. Liserre， and P. Zacharias， “Reliability of Power Electronic Systems，” IEEE Ind. Electron. Mag.， vol. 12， no. 2， pp. 24–35， 2018， doi： 10.1109/MIE.2018.2825481.

[4]楊林，周堯，喬衛華.一種加固計算機熱設計開發[J].機械研究與應用，2018，31（01）：102-103.

[5]電子設備熱設計及分析技術[M]. 北京航空航天大學出版社， 余建祖， 2008

[6]王長昌，杜廣群.基于FloTHERM的車載電氣設備風冷散熱器參數優化設計[J].鐵道車輛，2019，57（04）：17-20+1.

[7]楊林，周堯，喬衛華.一種加固計算機熱設計開發[J].機械研究與應用，2018，31（01）：102-103.

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