王 瑞

（上海滬工汽車電器有限公司，上海 201804）

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，整車電氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度和功率密度也隨之不斷提升，因此，產(chǎn)品的熱設(shè)計品質(zhì)對整車電氣系統(tǒng)的性能和可靠性將起到非常關(guān)鍵的作用。根據(jù)多年來對產(chǎn)品品質(zhì)問題的統(tǒng)計，整車電氣系統(tǒng)的失效故障近50%是電子和電器產(chǎn)品的熱失效引起的。

汽車電子與電器產(chǎn)品的熱設(shè)計、電氣功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性設(shè)計是密不可分的，把熱設(shè)計放在最后來做實際溫升驗證就不叫熱設(shè)計，那只是產(chǎn)品的散熱補救措施。電子元器件的使用壽命與其工作溫度具有直接關(guān)系，溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力與熱變形是最終導(dǎo)致電子元器件失效的根本原因。而傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計加樣機熱測試的方法已經(jīng)不適應(yīng)汽車電子產(chǎn)品快速研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計的需要，所以必須在產(chǎn)品研發(fā)階段導(dǎo)入熱設(shè)計和驗證工作。

車用中央電氣接線盒在傳統(tǒng)研發(fā)流程中，產(chǎn)品原型設(shè)計階段注重電氣功能的設(shè)計和驗證，而在產(chǎn)品的熱設(shè)計方面則采取經(jīng)驗設(shè)計并經(jīng)過快速手工功能樣件進行帶載溫升測試驗證。傳統(tǒng)的研發(fā)流程必將導(dǎo)致研發(fā)前期產(chǎn)品設(shè)計評審后設(shè)計優(yōu)化的困難，同時導(dǎo)致產(chǎn)品在開發(fā)過程中周期的加長和費用的上升。

為了提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性，通過在產(chǎn)品研發(fā)過程中導(dǎo)入熱設(shè)計及CAE仿真分析的虛擬設(shè)計驗證，這樣可以在不加工產(chǎn)品功能樣件的情況下實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬評審和設(shè)計優(yōu)化。從而實現(xiàn)了產(chǎn)品熱設(shè)計的快速評審和驗證，大幅度提高了產(chǎn)品的開發(fā)品質(zhì)，同時也可有效降低產(chǎn)品開發(fā)的費用和縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期。

通過在實際開發(fā)項目中對車用中央電氣接線盒的熱設(shè)計與CAE分析的應(yīng)用研究，充分論證在產(chǎn)品開發(fā)中納入熱設(shè)計虛擬仿真分析的必要性和重要性，同時為確定產(chǎn)品的熱設(shè)計及CAE分析工作流程的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1 車用中央電氣接線盒的熱特性和熱設(shè)計規(guī)范

車用中央電氣接線盒俗稱繼電器熔斷絲盒或電器功率分配盒，它是整車用電器的功率分配中心和整車線束的保護中心，是整車電器管理和驅(qū)動的重要部件。通常根據(jù)安裝部位可分為發(fā)動機艙中央電氣接線盒和乘客艙中央電氣接線盒，它主要由電磁繼電器、熔斷絲、PCBA、音叉端子、刀型端子和注塑結(jié)構(gòu)件等組成。

隨著功率開關(guān)器件和自恢復(fù)保護器件的技術(shù)進步，車用中央電氣接線盒采用功率開關(guān)器件和自恢復(fù)保護器件實現(xiàn)輕量化、集成化已是必然趨勢。

車用中央電氣接線盒中功率器件耗散的熱量決定了溫升， 因此不同的電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了產(chǎn)品的不同溫度。產(chǎn)品自身的發(fā)熱量是以導(dǎo)熱、對流及輻射3種方式傳遞出去，而每種方式傳遞的熱量與其熱阻成反比；熱量、熱阻和溫度是熱設(shè)計中的重要參數(shù)；中央電氣接線盒的熱設(shè)計應(yīng)該以在發(fā)動機艙或乘客艙 （或行李艙）環(huán)境條件下熱量的傳遞同時滿足車身內(nèi)部自然冷卻系統(tǒng)和可靠性要求為最簡單又最經(jīng)濟的熱設(shè)計。

1.1 產(chǎn)品的熱特性

車用中央電氣接線盒的熱量主要來源于對電器驅(qū)動和電器功率分配過程中的損耗，其主要包括：繼電器線圈功耗、繼電器觸點接觸功耗、繼電器引出腳與音叉端子的接觸功耗、熔斷絲與音叉端子的接觸功耗、熔斷絲體電阻功耗、接插件與刀型端子的接觸功耗、PCB電氣回路銅箔體電阻功耗等。

電子化PCB式車用中央電氣接線盒的熱量還將包含功率MOSFET的功耗和自恢復(fù)保護器件的功耗。

1）電磁繼電器的熱特性見表1。

2）功率MOSFET的熱特性見表2。

3）自恢復(fù)保護器件的熱特性見表3。

4）熔斷絲熱特性見表4。

5）PCB的熱特性見表5。

6）音叉和刀型端子的熱特性見表6。

1.2 產(chǎn)品的熱設(shè)計規(guī)范

中央電氣接線盒是整車電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，熱設(shè)計是中央電氣接線盒設(shè)計過程中非常重要的環(huán)節(jié)。熱設(shè)計的品質(zhì)既關(guān)系中央電氣接線盒自身電氣性能的可靠性，更關(guān)系到整車電氣系統(tǒng)工作的可靠性。隨著中央電氣接線盒小型化和集成化的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的體積不斷減小和功率密度不斷提高，中央電氣接線盒熱設(shè)計的要求則尤為重要和關(guān)鍵。因此，設(shè)計人員必須重視中央電氣接線盒熱設(shè)計要求，保證熱設(shè)計的品質(zhì)。

1.2.1 熱設(shè)計的基本要求

熱設(shè)計應(yīng)與其它設(shè)計 （電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性設(shè)計等）同步進行，當(dāng)熱設(shè)計與電氣設(shè)計或結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)沖突時，應(yīng)優(yōu)先滿足熱設(shè)計的要求；當(dāng)熱設(shè)計與可靠性設(shè)計出現(xiàn)沖突時，應(yīng)優(yōu)先滿足可靠性設(shè)計的要求。

多層印制板設(shè)計中電磁繼電器、功率MOSFET、熔斷絲和自恢復(fù)保護器件的布置應(yīng)兼顧布線銅箔的電氣和熱設(shè)計的要求，設(shè)計中應(yīng)結(jié)合汽車的實際行車工況規(guī)避相鄰回路布置同時工作的大電流車載電器，以滿足中央電氣接線盒的熱設(shè)計的要求。

多層印制板設(shè)計中如果局部器件功率分布密度偏高時，布線銅箔可采取漏銅敷錫設(shè)計提高熱量耗散效率，或布線銅箔采取兩層拷貝并均勻布置過孔的設(shè)計，或采取過橋匯流片設(shè)計來調(diào)整高功率器件的布置位置，或采取一體化端子 （叉型與刀型一體或刀型與刀型一體）設(shè)計來降低局部功率器件的分布密度，以滿足中央電氣接線盒的熱設(shè)計的要求。

1.2.2 長時／短時工作電氣回路的熱設(shè)計要求

多層印制板設(shè)計中對于長時工作的回路銅箔寬度承受額定負(fù)載電流時的溫升應(yīng)符合10℃溫升的規(guī)定，或者PCB整體承受的溫升應(yīng)符合表5的規(guī)定。

表1 常用汽車電磁繼電器的熱特性表 （參考）

表2 常用功率MOSFET的熱特性表 （參考）

表3 常用自恢復(fù)保護器件的熱特性表 （參考）

表4 常用熔斷絲的熱特性表 （參考）

多層印制板設(shè)計中對于短時工作的回路銅箔寬度承受額定負(fù)載電流時的溫升應(yīng)符合20℃溫升的規(guī)定，或者PCB整體承受的溫升應(yīng)符合表5的規(guī)定。

1.2.3 音叉和刀型端子的熱設(shè)計要求

不同類型端子的額定工作電流和溫升應(yīng)符合表6的要求。

1.2.4 不同溫度下降額設(shè)計要求

電應(yīng)力和熱應(yīng)力之間有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，減少電應(yīng)力 （降額）會使熱應(yīng)力得到相應(yīng)的降低，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

快熔熔斷絲的降額系數(shù)為：-0.15%／℃，慢熔熔斷絲的降額系數(shù)為：-0.14%／℃。

繼電器觸點額定工作電流的降額系數(shù)為：每20℃下降10%。

2 車用中央電氣接線盒熱設(shè)計的FLOEFD分析方法簡介

FLOEFD是一款專業(yè)高效與設(shè)計協(xié)同的流體和傳熱分析軟件，F(xiàn)LOEFD區(qū)別于傳統(tǒng)CFD軟件的最大優(yōu)勢在于它是一款面向產(chǎn)品設(shè)計人員并無縫集成于CAD軟件中的通用CFD軟件。

FLOEFD的分析方法：以工程向?qū)У姆绞揭龑?dǎo)CAE工程師和產(chǎn)品設(shè)計人員方便快捷地完成產(chǎn)品的熱趨分析流程。

1）分析流程：①建立CAD模型；②自動網(wǎng)格劃分；③邊界條件施加；④求解和后處理；⑤自動生成Word／Excel熱趨分析報告。

2）主要特點：①FLOEFD直接應(yīng)用CAD實體模型；②自動判定流體區(qū)域；③自動進行網(wǎng)格劃分；④無需對流體區(qū)域再建模；⑤整個分析流程均在CAD軟件界面下完成。

3 熱設(shè)計CAE分析工作的應(yīng)用價值

3.1 產(chǎn)品熱設(shè)計評審和魯棒性分析

1）產(chǎn)品熱設(shè)計的評審 ①PCB最大UL操作溫度 （FR4：TUL＜130 ℃；FR5：TUL＜150℃或供需雙方協(xié)商確定）的評審；②PCB玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 （Tg值）的評審 （無鉛焊接和銅箔粘接強度抗老化評審）；③PCB布線設(shè)計的評審；④產(chǎn)品電氣元件布置設(shè)計的評審；⑤產(chǎn)品高海拔操作過熱分析和最高測量溫度的評審，T（高海拔下實際工作溫度）＝［（環(huán)境溫度－室溫）×1.33］+室溫，通常情況下+10℃；⑥線束耐溫等級選型的評審；⑦工程塑料結(jié)構(gòu)件耐溫選型的評審；⑧熔斷絲額定工作電流 （降額值）選型的評審，額定電流的降額系數(shù)：插片式熔斷絲為-0.15%／℃，慢熔熔斷絲為-0.14%／℃；⑨繼電器觸點額定工作電流 （降額值）選型的評審，繼電器觸點額定工作電流降額系數(shù)為每20℃下降10%。

表5 常用PCB的熱特性表 （參考）

表6 常用音叉和刀型端子的熱特性表 （參考）

2）產(chǎn)品的熱疲勞分析 確認(rèn)當(dāng)不同熱膨脹系數(shù)的材料相互接觸時，由溫度循環(huán)變化引起的熱疲勞缺陷，疲勞壽命應(yīng)當(dāng)是組件要求壽命的3倍。

3）產(chǎn)品的可靠性分析 在研發(fā)的DVT階段，將振動、溫度、電及濕度等應(yīng)力，進行各種不同的整合，并以階梯應(yīng)力的方式，依序或同時施加在待測物體上面。如圖1、圖2所示。

3.2 產(chǎn)品DV溫度曲線開發(fā)

1）功率溫度循環(huán) （PTC）曲線的模擬。

2）過熱操作曲線的開發(fā)。

3）最高測量溫度的開發(fā)。

4）產(chǎn)品設(shè)計階段成本控制。①通過管理PCB最大UL操作溫度指標(biāo)來控制成本，指標(biāo)越高成本必然上升。②通過管理PCB的Tg指標(biāo)來控制成本，指標(biāo)越高成本必然上升。③通過熱設(shè)計評審確定PCB銅箔厚度 （包括疊層數(shù)）和電氣元件的布置來控制成本，成本隨銅箔厚度和疊層數(shù)的增加而提高。④通過管理元件溫度指標(biāo)來控制成本，工業(yè)級、汽車級和軍品級元件的價格差異較大。⑤通過管理線束耐溫等級來控制成本，高溫線和常規(guī)線價格差異較大。⑥通過管理熔斷絲額定工作電流 （降額值）來控制成本，不同的額定值對應(yīng)不同的線徑，線徑不同價格也不同。⑦通過管理繼電器額定工作電流 （降額值）來控制成本，不同的額定值對應(yīng)不同的繼電器型號，繼電器型號不同價格也不同。

3.3 產(chǎn)品研發(fā)流程的優(yōu)化

1）傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)流程如圖3所示。

2）優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)流程如圖4所示。

4 應(yīng)用實例

FlOEFD軟件用于某合資車企新研發(fā)車型中乘用車發(fā)動機艙中央電氣接線盒的熱趨分析，本次分析計算包括了PCBA的板級熱趨分析、產(chǎn)品級熱趨分析和環(huán)境系統(tǒng)級熱趨分析。

圖1 潛在疵病或脆弱設(shè)計仍可能導(dǎo)致失效

圖2 規(guī)避潛在疵病或脆弱設(shè)計，提升可靠性

圖3 傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)流程

圖4 優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)流程

4.1 產(chǎn)品的熱特性參數(shù)

1）分析考慮了PCB上布線的焦耳發(fā)熱，繼電器的線圈功耗、觸點的接觸功耗和引腳的接觸功耗，熔斷絲的體功耗和引腳的接觸功耗，接插件接線端子的接觸功耗。

2）整車電氣負(fù)載參數(shù)由某合資車企工程部提供，所有電機均按堵轉(zhuǎn)工況負(fù)載加倍，本次分析中電氣加載170 A。

3）功率器件的接觸電阻和接觸壓降等參數(shù)為試驗數(shù)據(jù)。

4）材料：銅、FR4和尼龍66。5）環(huán)境溫度：80℃。

4.2 產(chǎn)品的原型設(shè)計

環(huán)境系統(tǒng)原型見圖5，產(chǎn)品原型見圖6，PCBA原型見圖7。

4.3 PCBA板級熱趨分析結(jié)果

PCB頂層溫度場分布云圖見圖8，底層溫度場分布云圖見圖9。

圖5 環(huán)境系統(tǒng)原型

圖6 產(chǎn)品原型

圖7 PCBA原型

圖8 PCB頂層溫度場分布云圖

4.4 產(chǎn)品級熱趨分析結(jié)果

產(chǎn)品正面溫度場分布云圖見圖10，產(chǎn)品側(cè)面和背面溫度場分布云圖見圖11。

4.5 環(huán)境系統(tǒng)級熱趨分析結(jié)果

環(huán)境的溫度場分布云圖見圖12，環(huán)境內(nèi)部的溫度場分布云圖見圖13。

圖9 底層溫度場分布云圖

圖10 產(chǎn)品正面溫度場分布云圖

圖11 產(chǎn)品側(cè)面和背面溫度場分布云圖

圖12 環(huán)境的溫度場分布云圖

圖13 環(huán)境內(nèi)部的溫度場分布云圖

4.6 CAE熱趨分析結(jié)果與工裝樣機熱測試結(jié)果對比

對比結(jié)果：CAE分析的最高溫度為97.86℃，樣機測試的最高溫度為101.2℃。

170 A CAE熱趨分析溫度場分布云圖見圖14，產(chǎn)品實物170 A熱測試紅外成像結(jié)果見圖15。

圖14 170 A CAE熱趨分析溫度場分布云圖

圖15 產(chǎn)品實物170A熱測試紅外成像結(jié)果

4.7 實車路試測量結(jié)果

表7為整車廠工程部項目開發(fā)過程中3萬公里實車路試測量數(shù)據(jù)，其最高溫度為90.3℃。

表7 實車測試結(jié)果℃

5 結(jié)論

本文給出了FLOEFD軟件在乘用車中央電氣接線盒熱趨分析中的應(yīng)用，通過實際研發(fā)的應(yīng)用案例，充分論證了在汽車電子電器產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)中導(dǎo)入熱設(shè)計及熱設(shè)計驗證的必要性、重要性和可行性。