[導讀]摘要：以某型發動機ECU組件為研究對象，分別熱仿真分析不同環境溫度與不同導熱系數對其節點溫度的影響：基于不同環境溫度熱分析結果，采用最小二乘法推導出發動機ECU節點溫度隨環境溫度變化關系函數：基于不同導熱系數熱分析結果，確定了發動機ECU導熱材料選擇需綜合考慮導熱系數與元器件體積功率密度的原則。
引言
隨著電子技術的發展，電子器件小型化、微型化和集成技術不斷發展，使微電子器件及設備的組裝密度和功率密度迅速提高，而設備中廣泛使用的PCB電子線路板布線密度也越來越高。隨著工作溫度的升高，電子元件的壽命呈指數規律下降。電子設備的工作溫度與電子元件的失效率密切相關，有研究表明，電子元件的工作溫度每升高10℃，元件失效率就會增加一倍。發動機ECU就是這些面臨嚴峻挑戰的典型電子設備之一。此外，發動機ECU的功能和工作溫度的要求在不斷提高，然而形狀和尺寸卻不斷降低。因此，為了滿足最終成品的要求，在設計初期，發動機ECU的熱仿真分析至關重要。
本文研究對象發動機ECU是通過傳感器獲取發動機環境和工作狀態參數，經過控制軟件計算后決定開關量和模擬量的驅動輸出，從而驅動油泵和電磁閥，實現啟動控制、轉速閉環控制和應急控制等功能。它的工作環境也比較惡劣，最高工作環境溫度達到100℃，容易發生熱失效，故需要對發動機ECU進行熱仿真分析，并分析影響發動機ECU溫度云圖的一些因素。本文重點分析了兩個因素：環境溫度和導熱系數。
1熱分析基本原理
1.1傳熱學基礎理論
對ECU進行熱分析實際上是分析裝在殼體中的電源板和PCB板的生熱及散熱情況，根據傳熱學基本理論，不論電子裝置內部的機構有多復雜，其熱量傳遞一般都有三種基本方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。本文主要涉及熱傳導和熱輻射。
1.1.1熱傳導
熱傳導過程中，單位時間通過單位面積的熱流量稱為熱流密度，如式（1）所示：
式中，g為熱流密度（w/m2）：Q為熱流量（w）：A為熱傳導方向的橫截面積（m2）：k為導熱系數，材料不同，導熱系數也不同，k越大，導熱性能越好：表示法向溫度梯度（K/m）。
1.1.2熱輻射
在實際中熱輻射通常涉及兩個物體之間進行熱交換，熱輻射釋放熱量的表達式如下：
式中，Q為輻射放熱量（w）：s為物體的發射率，與溫度和物體面積有關：A為輻射面積（m2）：o為斯蒂芬-玻耳茲曼常量，值為5.67×10-8w/（m2·k4）：Ts為物體表面溫度（K）：TA為環境溫度（K）。
1.2有限體積法基本原理
隨著計算機技術的快速發展和數值仿真技術的深入研究，運用數值模擬仿真軟件對電子產品進行熱仿真分析成為了國內外電子產品結構設計工程師在產品設計過程中采用的主要方式。ANsYsIcepak軟件采用數值傳熱學和CFD仿真技術研發而成為目前常用的電子設備熱分析軟件，廣為世界各地電子器件結構設計工程師使用。
有限體積法也可以稱為控制容積法，其結合了有限元法和有限差分法的優點，主要用來求解發熱和對流問題。有限體積法的基本思路是：將原有計算區域分割為一系列不重復的控制體積，將要求解的微分方程對每一個控制體積進行積分得到離散方程，求解得到的離散方程得出最終的數值解。有限體積法建立的積分控制方程式基于三大守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。可用以下通用形式表達所建立的積分控制方程：
式中，s小為廣義源項：工為廣義擴散系數：小為通用變量。
對于不同的控制方程，式（3）中的s小、工和小的表達形式不同，當s小、工和小取不同變量時可得到連續方程、動量方程和能量方程。由于求解問題比較繁瑣，在求解區域內建立的偏微分控制方程規模比較龐大，邊界條件比較復雜，通常情況下很難得到準確的解。通過有限元體積法得出的離散方程要求每一組控制體積的因變量積分守恒都能得到滿足，進而可以滿足整個計算區域內的因變量積分守恒。
2發動機ECU熱分析模型
2.1發動機ECU模型
發動機ECU主要由主控PCB板、電源PCB板、散熱器和殼體組成。發動機ECU主要發熱元器件有wK312712s、wK312705s、7812、7805和wsA62,分布在電源PCB板上，發熱元器件通過導熱材料和散熱器與電源PCB板和殼體連接。發動機ECU幾何模型如圖1所示。其中，黃色部分為導熱材料，主要連接發熱元器件與殼體、發熱元器件與散熱器以及散熱器與殼體等。
主要發熱元器件信息如表1所示。
2.2發動機ECU有限元模型
發動機ECU熱分析仿真模型如圖2所示。
3散熱影響因素分析
發動機ECU的最主要參數：最高允許節點溫度，對于本文中的ECU,其最高允許節點溫度為130℃，影響ECU溫度的因素有很多，本文主要分析因素為環境溫度和導熱系數。
3.1環境溫度影響分析
發動機ECU工作的環境溫度為-40~100℃。溫度變化幅度達140℃，范圍極大。主要計算環境溫度為-40℃、0℃、55℃、75℃和100℃時各主要發熱元器件最高節點溫度。ECU各主要發熱元器件溫度分布如圖3所示。
將最高節點溫度與環境溫度擬合成曲線，即可得到環境溫度與發動機ECU各主要發熱元器件最高節點溫度的變化關系，如圖4所示。
由圖4可見，環境溫度在-40~100C范圍內變化時，發動機ECU各發熱元器件最高節點溫度基本上呈線性變化規律，當其他條件不變時，ECU最高節點溫度與環境溫度滿足如下關系式：
式中，TECU為發動機ECU各發熱元器件最高節點溫度：T0為環境溫度：a和b為待求解系數。
根據表2所示計算數據，采用最小二乘法，擬合出TECU和T0的關系式，各個元器件擬合關系式系數如表3所示。
以元器件7812為例，從表3中數據可以看出，計算得出的a值為0.9423,b值為36.507,擬合精度判斷系數R2為0.9994,擬合精度高，結果準確。對于元器件7812,則式（4）具體表達式如下：
式（5）為發動機ECU的7812元器件，溫度范圍為-40~100℃，導熱材料導熱系數為0.8w/）m·K），冷卻方式為自然對流時，最高節點溫度與環境溫度的關系函數。此公式的應用價值在于實際應用中可以通過簡單計算得到任意環境溫度下元器件的最高節點溫度，不需要再進行仿真或試驗，減少了仿真和試驗工作量。
3.2導熱系數影響分析
各導熱材料對傳熱的影響主要是由于導熱材料的導熱系數不同所造成的，故選取幾種典型的導熱材料作為研究對象，如表4所示。
在環境溫度55℃，自然對流冷卻條件下，選取不同導熱材料，計算ECU元器件溫度云圖，各導熱材料對應溫度云圖如圖5所示。
將導熱系數與各發熱元器件最高節點溫度擬合成二維曲線，如圖6所示。
從圖中可看出，ECU各元器件最高節點溫度隨著導熱材料導熱系數的增加而減小，當導熱材料導熱系數小于10.5w/）m·K）時，ECU最高節點溫度變化非常明顯，當導熱材料導熱系數大于10.5w/）m·K）時，曲線變化平緩。由以上分析可知，當導熱系數高到一定數值時，ECU溫度已經基本不受影響。因此，ECU設計時，可以根據以上變化規律選擇適合的導熱材料，對ECU的散熱性能改善有很大幫助，但并不是材料的導熱系數越大越好，導熱系數達到一定數值時，對散熱特性改善作用不再顯著。
綜合表1和圖6可以發現，體積功率密度越大的元器件，其對導熱系數的增大越敏感。根據以上規律，可按照元器件體積功率密度的不同，區別選用不同導熱材料。
4結論
（1）本文建立了發動機ECU熱仿真分析模型，分析了環境溫度和導熱系數對發動機ECU溫度的影響。
（2）基于不同環境溫度熱分析結果，采用最小二乘法推導出發動機ECU節點溫度隨環境溫度變化關系函數，利用該函數可方便地獲得任意環境溫度下ECU的最高節點溫度，可大幅提高研發工作效率，具有現實指導意義。
（3）基于不同導熱系數熱分析結果，確定了發動機ECU導熱材料選擇需綜合考慮導熱系數與元器件體積功率密度的原則：導熱系數不是越高越好，需綜合考慮其變化規律和元器件體積功率密度合理選取導熱材料。
以上結論可以有效指導電子產品熱設計，具有較強的現實意義。
更多信息可以來這里獲取==>>電子技術應用-AET<<
