汽车控制器的热设计研究.pdf

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设计开发
汽车控制器的热设计研究*
任国峰田丰张树梅杨林
上海交通大学汽车电子技术研究所)
摘要)建立了某混合动力汽车控制器的热设计仿真分析模型,并通过温度测量试验验证了该模型的有效性。基
于所建立的热设计模型,分析研究了控制器PCB板不同结构对其最大温升的影响程度。根据分析结果,推荐混合动
力汽车控制器的PCB板应做成板厚为16mm的4层板,覆铜面积和102z的覆铜厚度应大于50%
主题词:汽车控制器热设计仿真模型优化
中图分类号:U463.23文献标识码:A文章编号:10003703(2014)10-000-03
Research on Thermal Design for Automotive ECU
Ren Guofeng, Tian Feng, Zhang Shumei, Yang Lin
(Institute of Automotive Electronic Technology, Shanghai Jiao tong University)
[Abstract ] We build a thermal design simulation model for a hybrid vehicle controller, and verify validity of this
model through temperature measurement test. Based on the thermal design model, we analyze and research the degree of
influence of different structures of controllers PCB board on the maximum temperature rise. According to the analysis
result, four layers of 1. 6mm board thickness, more than 50% coverage area percentage and loz copper coverage thickness
are recommended for a better thermal design performance of the hybrid vehicle controller.
Key words: Automotive controller, Thermal design, Simulation Model, Optimization
1前言
成本高。近年来,随着计算机技术的发展,出现了基
于CFD方法的热设计仿真软件,其在解决汽车控制
为满足对大驱动功率的需求,汽车控制器ECU器的流/固耦合散热问题方面发挥了重要作用。本文
内部使用了大量的半导体功率开关器件( MOSFET基于 ANSYS ICEPAK热设计仿真软件,建立了某
管)来控制功率的流动,这些功率器件在工作时会混合动力汽车控制器的热设计仿真模型,并用温度
消耗电能,所消耗的电能会转化成热量从而造成功測量试验验证了该热模型的有效性,同时基于该模
率器件的工作温度升高,较高的工作温度会使功率型研究了控制器PCB板的层数、厚度、表面覆铜面
器件的可靠性降低、工作寿命缩短μ。目前,汽车积百分比和覆铜厚度等多种因素对挖制器最高温
控制器的热设计大多采用热传导、自然对流和辐射度的影响程度。
等被动散热方式,同时为满足IS020653规定的防
水防尘要求,对汽车控制器都进行了密封设计,而2控制器的热模型
密封于狭小空间的印制板因空气对流不畅,更加重
混合动力汽车上分布着多个具有不同控制功
了散热困难。
能、不同尺寸的控制器,如发动机控制器、动力电机
传统的热设计方法主要根据设计经验或有限的控制器、动力电池包控制器等,而整车控制器HCU
换热公式进行预估设计,并通过试验不断修改设计是实现整车动力混合的核心基础控制器,其根据其
及不断验证来完成整个热设计过程,导致其周期长、它控制器反馈的车辆状态将驾驶员的操作意图转化
基金项目:国家自然科学基金(编号:51275291)。
2014年第10期
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设计开发
为整车需求扭矩,然后分配到发动机和电动机2个
动力源。整车的控制系统是一种分层式分布控制系
统架构,如图1所示,各控制器之间通过CAN总线
进行信息传递和控制协调。为增强通信电路的抗干
扰能力,CAN通信电路采用了集成型的CAN模块
TM8251(广州致远电子),驱动电控离合器的控制
开关也采用功率 MOSFET管,再加上给整个控制器
图3整车控制器的热仿真模型
供电的电源芯片,构成了整车控制器上的主要发热
所建立的控制器热模型的求解方程选择稳态的
元器件。
自然对流湍流模型,控制方程选用标准的方程。由
于自然对流湍流模型是由浮力驱动的,所以求解开
继电
电控
指示灯
离合器
始前首先要设定重力场的方向。控制器外壳材料选
为金属铝,流体模型选择标准的空气模型,温度边界
由「门踏板信号
发动机转速
车
条件为标准室温环境(26℃),压力边界条件设置为
驶制动信号
电机转速辆
混合动力汽车整车控
当前车速」态
状
一个标准大气压。然后用有限体积法将控制方程离
图离合器信号
实际挡位「信
散为算术方程以便数值求解。其中,利用 SIMPLE算
法来求解压力ー速度的耦合项,离散方式选择1阶
CAN BUS
迎风格式。热模型仿真结果如图4所示。由图4可
看出,基于计算流体动力学CFD的热设计仿真软件
发动机
变速器
整车智
和适用的热设计模型可在几小时内获得复杂热设计
控器
控制器
控制器
控制器
能仪表
MS
DMCM
BMS
ICU
方案的分析结果,而传统的热设计方法很难实现。
图1混合动力汽车的分布式分层控制系统结构
温度/PC
68.2539
控制器热模型的建立主要基于集成的CAN通
64.3229
信模块、功率 MOSFET管和电源芯片等主要发热器
56.4609
件的物理结构,利用这些器件的热模型模拟真实的
52.5299
48.5989
元器件,如用三维块状热源模拟集成CAN模块、体
4.6679
积较大D2PAK封装的功率 MOSFET管和电源芯
40.7369
36.8059
片,用平面热源模拟表面贴装(SM: Surface
图4热模型的仿真分析结果
Mounted)的功率 MOSFET管等,并根据真实器件的
物理尺寸设定热模型的尺寸。整车控制器实物如3热模型的精度验证试验
图2所示,所建立的整车控制器热模型如图3所示。
在建模过程中,由于对模型不适当的简化处
对热模型中的控制器做了简化处理,忽略了物理尺
理、对材料热特性参数输入不准确、热功耗取值不
寸较小或功耗很低的元器件,如小尺寸封装的电阻、当等因素会影响模型的仿真精度。为验证热模型的
电容、晶体管和一些低功耗的表贴集成IC芯片等
精度,采用了在控制器内部安装热敏电阻温度传