大功率發動機控制器殼體溫度場仿真分析

,

(上海工程技術大學 汽車工程學院，上海 201620)

大功率發動機控制器殼體溫度場仿真分析

龐魯楊,吳長水

(上海工程技術大學汽車工程學院，上海201620)

大功率元件過熱損毀是導致控制器ECU失效的一個重要原因;文章分析了在自然對流散熱情況下，元器件布置位置對控制器溫度場的影響;首先，對控制器殼體進行了數值建模；其次，運用電子散熱優化分析軟件ANSYS Icepak對控制器密封外殼的溫度場進行了仿真模擬計算;通過對比3種位置的模擬數據，其結果表明：元器件集中放置將會導致密封外殼整體溫度較高，且不利于散熱，這會導致ECU上大功率元器件在工作過程中因溫度過高而損壞；將功率元器件分散放置靠近外殼的部位，溫度場分布均勻，且高溫范圍小，散熱效果較好;通過數值分析和模擬熱分析，得出主要功率元器件放置位置對控制器ECU溫度場的影響，為PCB板優化布置提供了設計依據，同時也會提高ECU的可靠性、增加ECU的使用壽命。

控制器殼體；元器件位置；對流散熱；溫度場

0 引言

汽車發動機電子控制單元(ECU)的工作溫度一般為-40～125℃，超過此溫度范圍控制器就會失效。本文中以大功率電控ECU的PCB板為研究對象，其上MOS管和IGBT模塊工作時驅動電流最高達23 A，時間達0.6 ms，是大功率器件。ECU固定在密封外殼中，被放置在發動機艙內，工作時發動機艙溫度高達70℃左右。元器件在高溫環境下工作時的失效率呈指數增長[1]，同時其它電子元件的熱可靠性也受到嚴重影響。如果在工作工程中ECU發生故障或者局部毀損，不僅影響發動機性能，還會危及車輛和人身安全。

研究表明發熱元器件的放置位置影響ECU溫度場[2]，本文采用ANSYS Icepak(電熱仿真優化分析軟件)模擬大功率元器件在密封外殼上的位置，分析外殼的溫度場。結果顯示分散放置元器件的外殼溫度場總體比集中放置元器件的外殼溫度場低6～8℃。

1 幾何模型的建立

1.1 模型簡化

實際密封外殼的形狀和內部結構較復雜，但是在仿真模擬過程中主要是反映溫度場的分布情況，所以某些細微結構對溫度分布影響不大[3]，故本文對密封外殼模型進行了如下簡化：

1)簡化外部固定外殼作用的凸臺和孔結構，將外殼整體簡化為較規則的幾何體；

2)外殼接插件開口處簡化成封閉的外殼；

3)簡化散熱肋片的細微結構。

1.2 模型建立

按照上述簡化后的模型結構如下圖1所示。密封外殼外部長23 cm,寬18 cm，外殼厚度3 mm；上蓋中間隆起部分為放置元器件空間長13 cm，寬16.4 cm，高2.1 cm，厚度3 mm；上蓋左右兩邊散熱肋片長4.5 cm，寬2 mm，高8 mm。

圖1 幾何模型

2 控制器殼體溫度場分析

2.1 模型假設

為了更方便簡介的進行模擬做如下假設：

1)分別將PCB板上的電源模塊、中控芯片、噴油模塊、點火模塊4個主要大功率元器件的溫度假設成125℃、115℃、120℃、120℃[4]；其形狀簡化成長2cm,寬2cm的固定溫度熱源，緊貼在密封外殼內部；

2)忽略元器件與密封外殼間的熱輻射,只考慮密封外殼與外部環境之間的熱輻射；

3)認為密封外殼密封性良好，沒有流體進出；

4)假設3種形式大功率元器件布置的位置。

2.2 控制方程

在2.1中假設忽略掉內部熱輻射，故在模擬分析過程只考慮熱傳導和熱對流兩種散熱方式。因此根據上述兩種方式建立相應的控制方程如下[5-7]：

2.2.1 熱傳導

熱傳導是本次仿真實驗中最主要的熱量傳遞方式，其三維導熱表達方式為：

(1)

其中：ρ為材料密度(kg/m3)，C為材料比熱容(J/kg·K)，λ1,λ2,λ3為材料在X,Y,Z方向的傳熱系數，qi為內部的熱源密度，T為時間(s)。

2.2.2 熱對流

本次仿真實驗中，熱對流主要發生在殼體外部，模擬過程中將密封殼體置于室溫下，因此只分析自然對流。其公式為：

Φc=hcAΔt

(2)

Φc為單位面積中單位時間內通過的對流換熱熱量(W)，hc是對流換熱系數(W/(m2·K))；A是換熱面積(m2)；Δt為散熱物體表面與冷卻介質之間的溫度差(K)。

2.2.3 熱輻射

熱輻射主要發生在殼體與內部元器件及外界環境之間。其換熱表達式為：

(3)

(4)

δ0是斯蒂芬-玻爾茲曼常數，A是輻射換熱表面積(m2)，εxt為發射率，F12代表兩個面的角系數(%)，T1,T2是兩個面上的絕對溫度(K)。

2.2.4 物理守恒定律

在計算空氣等冷卻流體流動傳熱過程時，要遵循三大物理守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。最常見的流體控制方程式是Navier-Stokes方程，可以求解的未知參數包括3個方向上的溫度、壓力和速度。

2.3 條件設置

在ANSYS Icepak進行自然對流時，計算區域必須設置的足夠大，使得遠場處各種變量的梯度足夠小，才可以保證自然對流模擬的精度。設置計算區域Cabinet的6個面為Opening的開口屬性；環境溫度為27℃，大氣壓力為1個標準大氣壓，空氣為不可壓縮流體；外殼材料為鋁合金材料等。

2.4 網格的劃分

優質的網格能夠保證熱分析的計算精度。為了更好地模擬密封外殼的溫度場，設置上蓋的網格級數為3級，其他部分的網格級數為2級。本次仿真網格劃分運用的是ANSYS Icepak自帶的劃分網格的工具，采用Mesher-HD專屬多級網格處理方式，對密封外殼上的肋片和固定熱源進行加密，在邊界處成邊界層網格。

本次仿真模擬實驗假設了3種元器件位置：第一種元器件在內部集中放置，元器件之間相距2 cm；第二種元器件全部分散在殼體邊緣，距離殼體邊緣1 cm；第三種元器件布置在在中間位置和邊緣處。3種布置方式分別生成網格。其切面網格模型如下圖2所示。其生成網格數分別是84萬個，90萬個，82萬個。

圖2 網格模型

3 計算結果分析

模型在自然對流情況下進行模擬，自然對流模型選擇Boussinesq apprpximation模型；湍流模型采用κ-ε雙方程模型；由于浮生力作用，重力方向流動占主動，速度設為0.15 m/s[8]。溫度云圖單位℃。

3.1 下底殼溫度云圖結果分析

圖3中(a)圖高溫集中且分布范圍較大，這樣在ECU實際工作過程中容易造成局部溫度偏高而損壞元器件；(b)圖高溫點分散，散熱效果較好,溫度分布均勻；(c)圖高溫主要集中在上半部分，且高溫區域面積較大，整體散熱效果較差。

經過對比(a)(b)(c)圖可知，元器件集中放置導致下底殼整體溫度偏高，且高溫區域分布較廣；元器件分散放置且靠近密封外殼邊緣部分，散熱效果好，高溫區域分布小。

圖3 密封外殼下底溫度場

3.2 上蓋溫度云圖結果分析

圖(4)中(a)圖元器件集中放置也會使上蓋整體溫度偏高，但溫度分布較均勻；(b)圖高溫主要在邊緣部分，但整體溫度較低散熱效果較好；(c)圖上半部分溫度偏高，下半部分溫度偏低，溫度分布不均勻，這樣很容易使溫度偏高一端的元器件損壞。

經過對比圖4中的(a)(b)(c)圖可知上蓋溫度普遍低于下底殼溫度，但溫度分布情況也與元器件放置位置密切相關：元器件集中放置使上蓋整體溫度高于其他兩種放置方式約5 ℃；元器件分散放置散熱效果較好且溫度分布均勻，沒有局部高溫區域。

圖4 密封外殼上蓋溫度場

經過分別對比圖3圖4中的(a)(b)(c)可以看出，大功率元器件放置位置對下底殼溫度場影響較大；在室溫自然對流情況下，元器件集中放置會使外殼整體溫度高于分散放置6～7 ℃左右，尤其是集中放置的位置處溫度會更高，密封外殼整體散熱效果最差；元器件分散放置在靠近密封外殼邊緣部分，會使整個外殼的溫度場的溫度較低，高溫分布的范圍也較小，溫度分布均勻，密封外殼整體散熱效果較好。

3.3 誤差分析

在模擬仿真計算過程中，可能有以下幾個方面的誤差：

1)網格誤差。網格的疏密程度會給計算結果造成一定的影響。本文在劃分網格過程中采用多級網格劃分形式，同時重要的地方進行網格加密，這會減小網格劃分技術給計算結果造成的誤差。為證實結果的可靠性，對比將全部網格加密后的計算結果，結果基本相同。

2)湍流模擬方程的誤差。在計算過程中選取合適的湍流模型將會減少計算誤差，本文針對密封外殼散熱的特點，采用了Zero equation零方程模型，該模型足夠保證電子散熱計算的精度[9]。

4 結論

通過對比3種大功率元器件放置位置仿真溫度場，得到以下結論：

1)在室溫自然對流情況下，大功率元器件放置位置對下底殼溫度場影響較大；

2)元器件集中放置會使外殼整體溫度高于分散放置6～7 ℃左右，尤其是集中放置的位置處溫度會更高，密封外殼整體散熱效果最差；

3)元器件分散放置在靠近密封外殼邊緣部分，會使整個外殼的溫度場的溫度較低，高溫分布的范圍也較小，溫度分布均勻，密封外殼整體散熱效果較好。

4)模擬熱仿真計算可以預測密封外殼上溫度的分布情況,在規劃PCB板時具有較大的參考意義。

5)通過元器件不同位置的溫度場仿真，可以對控制器工作過程溫度場進行預測，為PCB板的規劃提供一定的依據。

[1] 李曉東.簡談電子設備的熱設計[J].現代電子技術，2000, 11: 20.

[2] 凌智勇，繆友誼，邢雷杰.電動摩托車控制器散熱性能[J].重慶：重慶理工大學學報，2015，29(5)：29-34.

[3] 申傳有.純電動汽車電機控制器散熱器的設計優化[D].常州：遼寧工業大學，2014.

[4] 徐權奎，祝軻卿，陳自強，等.基于仿真的電控柴油機ECU熱優化設計[J].內燃機工程，2008，29(2):31-36.

[5] Avram Bar-Cohen, Fellow, IEEE, and Madhusudan Iyengar. Design and optimization of air-cooled heat sinks for sustainable development[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,2002，(25)4：584-591.

[6] 秦智晗.高壓共軌電控柴油機ECU熱性能分析及優化研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[7] Guofeng R,Feng T,Lin Y. The research of thermal design for vehicle controller based on simulation[J].Applied Thermal Engineering,2013,58(1/2):420-429.

[8] 王永康.電子散熱基礎教程[M].北京：國防工業出版社，2015,3.

[9] 劉璽斌，馬 建，宋青松.參照AUTOSAR的汽油發動機ECU軟件設計[J].電子設計工程，2013,33(3)：76-80.

AnalysisonInfluenceofECUShellTemperatureFieldforHeavy-dutyEngine

Pang Luyang,Wu Changshui

(School of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Over-temperature of heavy-duty components should be mainly responsible for ECU invalidation. Under the condition of natural convection, the influence of different arrangement of heavy-duty components on ECU temperature field was analyzed in this paper. Firstly, numerical model of ECU shell was established, and then the electronic radiator optimization analysis software ANSYS Icepak was used to simulate the ECU sealling shell temperature field. By contrasting the simulation data in three different places, the results indicate that: the components that are placed centrally will lead to higher overall seal shell temperature and it is not conducive to heat dissipation, which will damage the components because of overtemperature in the working process; the temperature field of components that are placed seperately near the shell part is uniformly distributed, the high temperature range is small, and the cooling effect is good. Through numercial analysis and heat simulation analysis, the influence of the position of heavy-duty components on the temperature field of ECU was acquired, which provide the design foundation for optimizing the place of the PCB. It can also improve the reliability of ECU, and increase its service life.

ECU shell; components location; natural convection; temperature field

2016-12-07；

2017-05-26。

上海市科委“創新行動計劃”項目(17030501300)。

龐魯楊(1992-)，女，山東夏津人，碩士，主要從事大功率氣體機控制器結構優化方向的研究。

吳長水(1978-)，男，福建莆田人，副教授，碩士研究生導師，主要從事內燃機排放控制方向的研究。

1671-4598(2017)11-0062-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.016

TP3

A