热趋势仿真分析在车身控制模块上的应用

高李明，李晓莲，胡娅娅

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 211806）

热趋势仿真分析在车身控制模块上的应用

高李明，李晓莲，胡娅娅

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 211806）

从商用车电子化发展的进程，阐述了热稳定性对于系统可靠性的重要性，并且对热设计的意义和手段进行了介绍。以实际案例为基础，对比了基于FloEFD软件热仿真结果与实物试验，说明了仿真与实物测试相互验证的重要性，同时提出了未来热仿真的优化方向。

热仿真；轻型商用车；车身控制模块；电源分配；可靠性

图1 车身模块外形图

随着电子技术的发展，电子元件的封装形式和性能不断提升，电子元件正在向复合化和集成化方向发展，作为汽车上主要的电控系统，得益于电子技术的发展，模块也在向着集成化方向发展。作为汽车电器中主要控制模块，车身控制模块也经历了多轮技术革新。模块从分散式向集成式发展，目前在高档车上又出现了新的“分散”。

近年来轻型商用车电子化进程加快，车身控制已经出现了控制模块+电源分配的集成方式（图1）。这种高度集成的结构方式从整车布置、工艺性、可靠性上有大幅提升。但是对于系统的设计是一种考验，尤其是高集成对于模块的热稳定性设计的考验。下文介绍南京依维柯公司在轻型商用车领域车身控制模块热设计的应用摸索。

图2 电子产品可靠性影响因素

1 热设计的意义

车身控制模块集成电源分配后，在产品设计时不仅需要考虑原有控制部分设计，如布板、布线、EMC，还需要考虑电源分配的线路容量、功率布线、热影响。高度集成后，热管理成为影响模块最终稳定的主要因素之一。传统的开发方式对于热管理必须采用实物验证方式进行，这种方式成本高、周期长，不满足当下整车开发的要求。因此当下阶段，在开发前期采用热趋势仿真分析，对设计进行优化，成为一种必要手段。

热设计的目的就是为了控制产品温度而采取的方法。从历史经验来看，影响电子电器系统可靠性和性能的因素有振动、粉尘、湿度和温度。某研究机构的研究结果发现温度对电子产品的影响尤为关键。如图2所示。

温度是如何影响系统可靠性呢？电子元件都具有电阻，包括导体和半导体。当通电工作时，因为内阻的存在成了一个内部热源，产生了功率损失，输入功率很大一部分是以热能形式散发出来，因此器件本身温度会有所上升。如果热量不能有效及时地传递到周边环境中，元件内部将会持续升温。因为温升导致元件的性能参数发生变化，进而影响电子电器系统的可靠性。

持续的高温会导致元件基材和产品的结构件偏离其性能稳定的工作稳定区间，出现软化、膨胀变形，造成机械强度降低甚至出现热老化现象，导致材料快速失效。

持续的高温聚集，导致电路板上低熔点焊缝易开裂、焊点脱落，造成电路板失效或者异常。

随着温度上升，元器件电阻阻值也逐步上升；元件的电流放大倍数、使用寿命、漏电流、绝缘电阻等电子元件的特性偏离参数表，导致整个系统采样或者输出偏离设计值，引起系统故障。

随着温度上升，元器件中所使用的绝缘材料的绝缘性能也逐渐变差且加速老化，这个结果与温度成反比，温度越高，绝缘性能越低。

有研究数据表明，随着结点温度的增加，电半导体元器件其热失效率呈指数增长。甚至有的元件，温度每上升10 ℃，失效率增大1倍，如图3所示。

图3 元件故障率与结点温度分布

综上所述，针对电子电器元件的特点，热设计主要目的就是控制元件和产品温升。将系统工作时内部的热量散到外界环境中，确保系统内部所用的电子元器件的工作温度环境不超过其参数表中规定的最高温度，避免出现因为高温导致的产品失效，使电子电器系统按照设计目标稳定可靠的工作。

2 热设计的路径

1）路径一 提高元件的工作温度范围区间，选用耐高温性能更好的元器件。然而此种方式将使得系统成本迅速提升，某些情况下还可能找不到合适元器件。这种方法在实际项目开发中不会作为首选方案采用。

2）路径二 进行热设计，控制系统的温升。通过合理选型、元器件布局、热流通道设计，对系统在工作时产生的热量，快速有效地散到周边环境中，从而实现保护元器件的目的，进而实现热设计的需求。过去通常经过多轮实物验证和改进后进行控制；在当下计算机和工程分析软件成熟的条件下，开发中的热仿真分析成为了主流。

3 车身控制模块热仿真分析

本项目中采用了FLoEFD 软件对模块进行了分析。仿真计算包括了热的传导、对流和热辐射。

本文研究的车身集成控制模块集成了逻辑控制部分、电源分配和功率控制部分。工作时，温升来自熔断器、继电器、内部电源通路、熔断器和继电器与端子接触电阻、功率器件的输出、MCU运算等电阻产生的焦耳热。

通电且具有回路电路产生热量，从电子运动的概念中可以理解。维持电荷的移动需要消耗功率，最后转变为热量，以焦耳热公式表示如下

式中：P——焦耳热功率：I——电流；R——电阻。

热量来源上述公式能够表述，其控制模块所控制的下游用电器功率是确定的，控制模块输出的电流基本核定。对于控制模块的几何形状不规则，但是还能够用几何的方法表达出来，所有各个回路的电流密度也可以计算得到。根据电工学公式，物体电阻计算公式如下

式中：R——电阻；ρ——电阻系数 ；L——物体长度；S——物体的横截面积。

本项目仿真分析中，在FLoEFD中建立耦合分析模型，通过有限元分析对电流密度、热量扩展进行求解。同时进行了实际的实物测试与仿真结果进行对比。

1）分析考虑了PCB板上布线的焦耳发热，继电器和熔断丝的功耗以及接触发热，进行整个产品的热趋分析。

2）负载电流参数按额定负载1.2倍输入。继电器负载功率按照0.64 W统一设定。

3）材料：铜、FR4 和尼龙66。

4）环境温度：80 ℃。

5）判定标准：根据IVECO 电器盒技术条件，在80 ℃环境温度、满负载、热平衡条件下，盒体最高温升不超过环境温度50 ℃。

本文中采用了FloEFD for CATIA V5 ，直接嵌入CATIA 中，车身控制模块3维数据由CATIA 创建。

3.1 软件参数设置

软件参数设置如图4、图5所示。

图4 参数设定

图5 元件热功率设置

3.2 热仿真计算结果

图6和图7分别为PCB正面和背面热仿真温度分布结果。

图6 PCB正面热仿真温度分布

图7 PCB 背面热仿真温度分布

从仿真结果分析，仿真印板顶面最大温升约为24 ℃，仿真印板背面最高温升约16 ℃，符合标准要求。

3.3 实物测试结果

PCB实物正面测试结果如图8所示，实物背面测试结果如图9所示。

图8 PCB实物测试正面温度分布

图9 PCB实物测试背面温度分布

实物测试结果：试验印板顶面最大温升为29.5 ℃，试验印板背面最高温升为21.2 ℃。

按照标准检测，符合标准的技术要求。

在有限范围内可以认为仿真分析结果与试验分析结果相符，因此本模板的电路设计是满足热设计要求的。

4 结束语

1）仿真分析的意义在于能够在设计初期直观地观察到产品受热分布情况，为工程师在开发初期优化产品设计提供数据和理论支持。

2）仿真分析减少了传统设计中的实物验证周期，可以提前发现问题，减少因为热平衡问题导致的设计变更，降低开发风险和开发费用。

3）实物测试数据和仿真数值间的差异依旧存在。热仿真还属于开发摸索阶段，后期还需要结合当下数据收集分析情况进行参数的修正，逐步提高仿真的准确性。

［1］ 郭凤仪，陈忠华.电接触理论及其应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］ 祁顶春，金波涛，王志广.车用中央电气接线盒电热耦合仿真分析［J］.汽车电器，2010（8）：13-17.

［3］ 徐磊.FLOTHERM Basic Training培训讲义［Z］.

［4］ 杨世铭，陶文铨.热传学（第3版）简体版［M］.北京：高等教育出版社，2013.

（编辑 杨 景）

Application of Thermal Simulation Analysis on Vehicle Control Unit

GAO Li-ming， LI xiao-lian， HU Ya-ya
(Nanjing IVECO Motor Company， Nanjing 211806， China)

From the development of commercial vehicle electronization， the importance of thermal stability to the system reliability is expounded， then significance and methods of thermal design are introduced. Based on practical cases， thermal simulation results from software FloEFD are compared with real test result， which shows the importance of simulation and test verification. Finally， requirements for future optimization of thermal simulation are put forward.

thermal simulation；light commercial vehicle；vehicle control unit；power distribution；reliability

U463.6

A

1003-8639（2017）07-0018-04

2017-05-25

高李明（1981-），工程师，从事电子电器开发工作；李晓莲（1978-），高级工程师，从事电子电器开发工作；胡娅娅（1981-），工程师，从事车身电控模块开发工作。