史家濤 趙光亮 仉佃偉 楊英振

（濰柴動力股份有限公司 山東省濰坊市 261000）

1 前言

發(fā)動機(jī)電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)是汽車發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，其可靠性直接影響著發(fā)動機(jī)甚至整車的性能指標(biāo)，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，必將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)ECU 的功能和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，ECU 所使用的元器件功率密度也不斷增加，加上發(fā)動機(jī)內(nèi)部設(shè)備小型化，給ECU 的熱穩(wěn)定性提出了更高的要求，溫度對于發(fā)動機(jī)電控單元來說已成為影響其可靠性的主要的因素，研究表明，超過55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過高引起的[1-4]。

為了克服發(fā)動機(jī)控制器嚴(yán)苛的工作環(huán)境，使發(fā)動機(jī)控制器在適宜的溫度環(huán)境下工作，在發(fā)動機(jī)控制器的外殼上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，添加了燃油冷卻通道，使燃油流經(jīng)控制器的外殼，以輔助控制器散熱。

2 控制器仿真模型的建立

FloTHERM 是由英國FLOMERICS 軟件公司開發(fā)并廣為全球各地電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和電子電路設(shè)計(jì)工程師使用的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件[5-7]。FloTHERM 包含MCAD 與EDA 接口，能夠方便的導(dǎo)入現(xiàn)有的MCAD 或者EDA 模型文件。另外，該軟件采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于復(fù)雜的模型（曲面等）采用以直化曲的方式，高效簡潔[8]。

ECU 電路板包括PCB 板、布線層、各種元器件等部分。為了減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率，對ECU 電路板模型進(jìn)行了如下合理的簡化：

（1）刪除了PCB 板中尺寸較小、功耗較低的元器件。

（2）將包含曲面結(jié)構(gòu)的元器件替換為相應(yīng)的立方體結(jié)構(gòu)。

（3）假設(shè)各元器件的結(jié)構(gòu)、材料等均勻分布，熱阻模型為雙熱阻模型，并根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊設(shè)置其熱阻參數(shù)。

圖1 為簡化后的控制器PCB 電路板模型。

圖1：簡化后的控制器PCB 電路板模型

由于FloTHERM 不能很好的識別曲面等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此，在將ECU 外殼模型導(dǎo)入FloTHERM 軟件時(shí)對其進(jìn)行的合理的簡化。

本文根據(jù)ECU 外殼樣件的實(shí)際尺寸，建立ECU 的外殼模型。

將完成的外殼模型和電路板模型分別導(dǎo)入FloTHERM 中并進(jìn)行裝配，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)格設(shè)置。對于MOS 管、集成芯片等重點(diǎn)研究的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化設(shè)置，確保計(jì)算的精度，對于模型外的背景網(wǎng)格進(jìn)行簡化處理，減少網(wǎng)格數(shù)量。對網(wǎng)格質(zhì)量的調(diào)整，主要是調(diào)整網(wǎng)格的尺寸比，這將直接影響仿真求解計(jì)算的效率[9-11]，圖2所示為控制器仿真模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖2：不同視圖的控制器仿真模型網(wǎng)格劃分

3 控制器熱負(fù)荷仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 控制器熱負(fù)荷仿真結(jié)果分析

當(dāng)控制器的溫度較高時(shí)，自然對流散熱和輻射散熱不足以滿足控制器的散熱要求，導(dǎo)致控制器的溫度過高，引起熱失效[12]。這時(shí)需要引入其他的散熱方式強(qiáng)化散熱。

為了研究液體冷卻對ECU 溫度分布的影響，結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行工況，對無燃油冷卻的情況進(jìn)行了仿真比較與分析。

圖3 為無燃油冷卻時(shí)控制器溫度仿真分布示意圖，圖4 為有燃油冷卻時(shí)控制器溫度仿真分布示意圖。

圖3：控制器溫度分布示意圖（無燃油冷卻時(shí)）

從圖3 與圖4 的控制器溫度分布示意圖可以看出，燃油冷卻對于控制器的溫度下降起到了較為明顯的作用，對于無燃油冷卻情況下的控制器溫度分布，控制器下部的功率驅(qū)動幾種區(qū)域溫度較高，而帶有燃油冷卻時(shí)，溫度分布得到較為明顯的改善，燃油冷卻對于控制器的功率驅(qū)動集中的區(qū)域起到了較好的輔助散熱作用。

圖4：控制器溫度分布示意圖（有燃油冷卻時(shí)）

3.1 控制器熱負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制器熱負(fù)荷仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，針對該控制器在溫箱中進(jìn)行了熱負(fù)荷試驗(yàn)測試，選取具有代表性的發(fā)熱元器件進(jìn)行了表面溫度的測量，并對熱負(fù)荷仿真與試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

通過數(shù)據(jù)的比較與分析得出，控制器熱負(fù)荷仿真的結(jié)果與實(shí)際的熱負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果相近，誤差值保持在合理誤差范圍以內(nèi)，燃油冷卻為控制器的散熱起到了有效的作用。

4 燃油溫度與流量對溫度分布的影響分析

為了研究燃油流量對控制器冷卻效果的作用，根據(jù)發(fā)動機(jī)的燃油流量參數(shù)，并對其中的發(fā)熱元器件的溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)果表明，隨著燃油冷卻介質(zhì)流量的變化，元器件的溫度明顯降低。

同時(shí)，鑒于燃油溫度隨著季節(jié)的變化會產(chǎn)生溫度上的差異，控制器熱負(fù)荷仿真過程中，分析了燃油的溫度變化對元器件溫度的影響，以此反映散熱效果的差異性，隨著燃油溫度的上升，冷卻效果會產(chǎn)生一定折損，需額外考慮外殼散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，以增強(qiáng)外部散熱效果。

5 總結(jié)

本論文首先建立了柴油機(jī)ECU 熱負(fù)荷仿真分析模型，對控制器熱負(fù)荷仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析，并著重針對不同的燃油冷卻溫度、燃油冷卻流量的變化對控制器元器件的溫度分布進(jìn)行了仿真與分析，后續(xù)工作中需要在元器件布局、外殼結(jié)構(gòu)和散熱方式等三個(gè)方面對控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜上所述，本文建立的柴油機(jī)控制器熱仿真分析模型對研究ECU 溫度分布以及對于ECU 基于溫度分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值。