热仿真在变速器电控单元设计中的应用

白玉峰

摘要：自动变速器电控单元是汽车的重要零件，工作可靠性和稳定性要求非常高。本文介绍通过应用热分析软件Icepak对电控单元进行热设计，从而使电控单元的电子器件工作在许可的范围内，保证电控单元能够稳定可靠地工作。在热仿真同时，笔者还做了热测试并和仿真结果做了对比，二者结果很接近，这说明热仿真和设计优化是合理的。

关键词：电控单元；Icepak；热仿真；优化设计

引言

电控单元是自动变速器控制部分的核心部件，用于控制自动变速器自动换档。它一般会安装在发动机内或者变速器的壳体上，工作环境温度很高，温度可达85℃ 到 110℃度之间。

对于变速器电控单元来说，过高的温度可以使电子器件的特性改变，寿命降低，严重时会烧毁器件。

所以说热设计对于电控单元十分重要， 但是目前的电控单元的热设计都是基于经验的设计，需要制作大量的样件做测试，不但开发成本高，而且费时费力 在本文中，通过应用CAE分析工具Icepak对设计进行热仿真，然后对设计进行评估并改进，可以在较短的时间内得到合理的设计。

1.应用Icepak对电控单元热分析仿真

对于热分析软件来说，目前大多数采用有限体积法。本文中应用的热分析软件Icepak即采用此方法。Icepak是目前一款常用的电子产品热分析软件，由著名的计算流体力学软件公司Fluent开发，广泛应用于通讯和汽车电子领域，本软件可以解决产品系统级，PCB板级和芯片级的散热问题，可以分析产品内部的温度场，速度场和压力场，从多角度分析产品的性能。

1.1 设计介绍

电控单元的设计由底板，外壳，连接器，PCB（Printed Circuit Board）和电子器件，以及导热胶组成。底板为电控单元的散热器件，材料为铝合金，外壳材料为低碳钢，主要作用是保护电子器件，PCB板上贴装了所有的电子器件，其材料为FR4。另外，在PCB和底板之间涂有导热胶，以降低底板与PCB间的热阻。

1.2仿真模型建立

根据电控单元的结构在软件内建模并划分网格，为了简化计算，模型在不影响仿真结果的前提下做了适当的简化，模型如下图所示

2.结果分析与设计优化

2.1 结果分析

根据以上的网格划分和边界调解设置，进行仿真计算后结果如下图所示：

通过上面图5中电控单元内部的温度场分布云图分析，我们可以对当前的设计得出下面的结论：

1）整个电控单元的温度很高，电子器件的温度大都超过了130℃，PCB的许用温度为125℃，PCB已经超过了它的温度极限。

2）电控单元上的局部区域温度过高，达到了154.2℃，为电源调压芯片T402/VP， 另外电源芯片IC402和处理器（CPU）的温度也很高，达到了136.1℃和136.5℃，两个器件温度已经超出了安全工作温度极限。

3）虽然逻辑电路部分器件发热功率低，但是受其发热大的器件影响，整体温度也很高，目前已经接近其工作温度极限。

鉴于以上的仿真结果，当前的设计不能满足电子器件工作温度的要求，需要改进设计以降低整个电控单元的温度。

2.2设计优化

基于仿真结果的分析，从以下四点改进电控单元的设计：

1）针对电源部分和功率器件部分过热的问题，我们将电源分压器件T402/VPR的MOSFET用发热功率低的器件代替，以降低其发热功率。

2）在PCB内增加一层散热铜箔，提高PCB的导热能力

3）增加底板上散热片的数量和散热片的高度

4）将导热胶更换为导热系数更高的导热胶，导热系数提高到4.0W/m-K

2.3仿真结果与实验测试结果对比

软件的仿真结果是在模型简化和在很多外界条件假设已知的情况下完成的，是在一种理想的条件下仿真计算的，没有考虑实际情况下外界的变化。因此，仿真结果不可避免的与实际测试存在着偏差。

因此为了验证仿真结果的有效性，制作了样品进行实际的温度测试。实际的温度测试是通过专用高导热胶水将热电偶粘结在电子器件的表面，然后将测试样品放入温箱内并将温箱加热到测试温度，待电控单元温度稳定后记录各电子器件的温度。即可得到电子器件的实际温度。热电偶测量精度高，此种方法测试结果十分准确。

我们通过比较仿真与实测的温度差来判定仿真结果的有效性。为了便于比较，只选取了10个测试点。比较的结果如表3所示，在10个结果中，多数的测试结果与仿真结果的偏差在5℃以内，只有2个的器件的温度差异在5℃-8℃之间。仿真结果与实测结果差异不大，可以说明仿真结果是可信的，其对电控单元的设计优化也是合理的。从中我们可以得出结论，在温度差异要求不是很大的情况下可以通过仿真来替代实际测试，这种方法可以用在产品开发早期阶段对产品热性能评估。

3.结語

通过仿真结果和实际测试结果对比，我们发现测试结果和仿真结果误差较小，证明了仿真结果的有效性。这为电子产品设计提供了一种可信、快速的热分析方法。随着计算机技术及数值分析技术的发展，CAE仿真技术在产品开发中的应用会更加广泛，在电子产品设计中会起到越来越重要的作用。

参考文献：

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