大功率发动机控制器壳体温度场仿真分析

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(上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620)

大功率发动机控制器壳体温度场仿真分析

庞鲁杨,吴长水

(上海工程技术大学汽车工程学院，上海201620)

大功率元件过热损毁是导致控制器ECU失效的一个重要原因;文章分析了在自然对流散热情况下，元器件布置位置对控制器温度场的影响;首先，对控制器壳体进行了数值建模；其次，运用电子散热优化分析软件ANSYS Icepak对控制器密封外壳的温度场进行了仿真模拟计算;通过对比3种位置的模拟数据，其结果表明：元器件集中放置将会导致密封外壳整体温度较高，且不利于散热，这会导致ECU上大功率元器件在工作过程中因温度过高而损坏；将功率元器件分散放置靠近外壳的部位，温度场分布均匀，且高温范围小，散热效果较好;通过数值分析和模拟热分析，得出主要功率元器件放置位置对控制器ECU温度场的影响，为PCB板优化布置提供了设计依据，同时也会提高ECU的可靠性、增加ECU的使用寿命。

控制器壳体；元器件位置；对流散热；温度场

0 引言

汽车发动机电子控制单元(ECU)的工作温度一般为-40～125℃，超过此温度范围控制器就会失效。本文中以大功率电控ECU的PCB板为研究对象，其上MOS管和IGBT模块工作时驱动电流最高达23 A，时间达0.6 ms，是大功率器件。ECU固定在密封外壳中，被放置在发动机舱内，工作时发动机舱温度高达70℃左右。元器件在高温环境下工作时的失效率呈指数增长[1]，同时其它电子元件的热可靠性也受到严重影响。如果在工作工程中ECU发生故障或者局部毁损，不仅影响发动机性能，还会危及车辆和人身安全。

研究表明发热元器件的放置位置影响ECU温度场[2]，本文采用ANSYS Icepak(电热仿真优化分析软件)模拟大功率元器件在密封外壳上的位置，分析外壳的温度场。结果显示分散放置元器件的外壳温度场总体比集中放置元器件的外壳温度场低6～8℃。

1 几何模型的建立

1.1 模型简化

实际密封外壳的形状和内部结构较复杂，但是在仿真模拟过程中主要是反映温度场的分布情况，所以某些细微结构对温度分布影响不大[3]，故本文对密封外壳模型进行了如下简化：

1)简化外部固定外壳作用的凸台和孔结构，将外壳整体简化为较规则的几何体；

2)外壳接插件开口处简化成封闭的外壳；

3)简化散热肋片的细微结构。

1.2 模型建立

按照上述简化后的模型结构如下图1所示。密封外壳外部长23 cm,宽18 cm，外壳厚度3 mm；上盖中间隆起部分为放置元器件空间长13 cm，宽16.4 cm，高2.1 cm，厚度3 mm；上盖左右两边散热肋片长4.5 cm，宽2 mm，高8 mm。

图1 几何模型

2 控制器壳体温度场分析

2.1 模型假设

为了更方便简介的进行模拟做如下假设：

1)分别将PCB板上的电源模块、中控芯片、喷油模块、点火模块4个主要大功率元器件的温度假设成125℃、115℃、120℃、120℃[4]；其形状简化成长2cm,宽2cm的固定温度热源，紧贴在密封外壳内部；

2)忽略元器件与密封外壳间的热辐射,只考虑密封外壳与外部环境之间的热辐射；

3)认为密封外壳密封性良好，没有流体进出；

4)假设3种形式大功率元器件布置的位置。

2.2 控制方程

在2.1中假设忽略掉内部热辐射，故在模拟分析过程只考虑热传导和热对流两种散热方式。因此根据上述两种方式建立相应的控制方程如下[5-7]：

2.2.1 热传导

热传导是本次仿真实验中最主要的热量传递方式，其三维导热表达方式为：

(1)

其中：ρ为材料密度(kg/m3)，C为材料比热容(J/kg·K)，λ1,λ2,λ3为材料在X,Y,Z方向的传热系数，qi为内部的热源密度，T为时间(s)。

2.2.2 热对流

本次仿真实验中，热对流主要发生在壳体外部，模拟过程中将密封壳体置于室温下，因此只分析自然对流。其公式为：

Φc=hcAΔt

(2)

Φc为单位面积中单位时间内通过的对流换热热量(W)，hc是对流换热系数(W/(m2·K))；A是换热面积(m2)；Δt为散热物体表面与冷却介质之间的温度差(K)。

2.2.3 热辐射

热辐射主要发生在壳体与内部元器件及外界环境之间。其换热表达式为：

(3)

(4)

δ0是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，A是辐射换热表面积(m2)，εxt为发射率，F12代表两个面的角系数(%)，T1,T2是两个面上的绝对温度(K)。

2.2.4 物理守恒定律

在计算空气等冷却流体流动传热过程时，要遵循三大物理守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。最常见的流体控制方程式是Navier-Stokes方程，可以求解的未知参数包括3个方向上的温度、压力和速度。

2.3 条件设置

在ANSYS Icepak进行自然对流时，计算区域必须设置的足够大，使得远场处各种变量的梯度足够小，才可以保证自然对流模拟的精度。设置计算区域Cabinet的6个面为Opening的开口属性；环境温度为27℃，大气压力为1个标准大气压，空气为不可压缩流体；外壳材料为铝合金材料等。

2.4 网格的划分

优质的网格能够保证热分析的计算精度。为了更好地模拟密封外壳的温度场，设置上盖的网格级数为3级，其他部分的网格级数为2级。本次仿真网格划分运用的是ANSYS Icepak自带的划分网格的工具，采用Mesher-HD专属多级网格处理方式，对密封外壳上的肋片和固定热源进行加密，在边界处成边界层网格。

本次仿真模拟实验假设了3种元器件位置：第一种元器件在内部集中放置，元器件之间相距2 cm；第二种元器件全部分散在壳体边缘，距离壳体边缘1 cm；第三种元器件布置在在中间位置和边缘处。3种布置方式分别生成网格。其切面网格模型如下图2所示。其生成网格数分别是84万个，90万个，82万个。

图2 网格模型

3 计算结果分析

模型在自然对流情况下进行模拟，自然对流模型选择Boussinesq apprpximation模型；湍流模型采用κ-ε双方程模型；由于浮生力作用，重力方向流动占主动，速度设为0.15 m/s[8]。温度云图单位℃。

3.1 下底壳温度云图结果分析

图3中(a)图高温集中且分布范围较大，这样在ECU实际工作过程中容易造成局部温度偏高而损坏元器件；(b)图高温点分散，散热效果较好,温度分布均匀；(c)图高温主要集中在上半部分，且高温区域面积较大，整体散热效果较差。

经过对比(a)(b)(c)图可知，元器件集中放置导致下底壳整体温度偏高，且高温区域分布较广；元器件分散放置且靠近密封外壳边缘部分，散热效果好，高温区域分布小。

图3 密封外壳下底温度场

3.2 上盖温度云图结果分析

图(4)中(a)图元器件集中放置也会使上盖整体温度偏高，但温度分布较均匀；(b)图高温主要在边缘部分，但整体温度较低散热效果较好；(c)图上半部分温度偏高，下半部分温度偏低，温度分布不均匀，这样很容易使温度偏高一端的元器件损坏。

经过对比图4中的(a)(b)(c)图可知上盖温度普遍低于下底壳温度，但温度分布情况也与元器件放置位置密切相关：元器件集中放置使上盖整体温度高于其他两种放置方式约5 ℃；元器件分散放置散热效果较好且温度分布均匀，没有局部高温区域。

图4 密封外壳上盖温度场

经过分别对比图3图4中的(a)(b)(c)可以看出，大功率元器件放置位置对下底壳温度场影响较大；在室温自然对流情况下，元器件集中放置会使外壳整体温度高于分散放置6～7 ℃左右，尤其是集中放置的位置处温度会更高，密封外壳整体散热效果最差；元器件分散放置在靠近密封外壳边缘部分，会使整个外壳的温度场的温度较低，高温分布的范围也较小，温度分布均匀，密封外壳整体散热效果较好。

3.3 误差分析

在模拟仿真计算过程中，可能有以下几个方面的误差：

1)网格误差。网格的疏密程度会给计算结果造成一定的影响。本文在划分网格过程中采用多级网格划分形式，同时重要的地方进行网格加密，这会减小网格划分技术给计算结果造成的误差。为证实结果的可靠性，对比将全部网格加密后的计算结果，结果基本相同。

2)湍流模拟方程的误差。在计算过程中选取合适的湍流模型将会减少计算误差，本文针对密封外壳散热的特点，采用了Zero equation零方程模型，该模型足够保证电子散热计算的精度[9]。

4 结论

通过对比3种大功率元器件放置位置仿真温度场，得到以下结论：

1)在室温自然对流情况下，大功率元器件放置位置对下底壳温度场影响较大；

2)元器件集中放置会使外壳整体温度高于分散放置6～7 ℃左右，尤其是集中放置的位置处温度会更高，密封外壳整体散热效果最差；

3)元器件分散放置在靠近密封外壳边缘部分，会使整个外壳的温度场的温度较低，高温分布的范围也较小，温度分布均匀，密封外壳整体散热效果较好。

4)模拟热仿真计算可以预测密封外壳上温度的分布情况,在规划PCB板时具有较大的参考意义。

5)通过元器件不同位置的温度场仿真，可以对控制器工作过程温度场进行预测，为PCB板的规划提供一定的依据。

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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“创新行动计划”项目(17030501300)。

庞鲁杨(1992-)，女，山东夏津人，硕士，主要从事大功率气体机控制器结构优化方向的研究。

吴长水(1978-)，男，福建莆田人，副教授，硕士研究生导师，主要从事内燃机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

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