车用中央电气接线盒热设计与CAE分析应用研究

2019-07-23王瑞

汽车电器 2019年7期

王瑞

（上海沪工汽车电器有限公司，上海 201804）

随着汽车电子技术的快速发展，整车电气系统的复杂程度和功率密度也随之不断提升，因此，产品的热设计品质对整车电气系统的性能和可靠性将起到非常关键的作用。根据多年来对产品品质问题的统计，整车电气系统的失效故障近50%是电子和电器产品的热失效引起的。

汽车电子与电器产品的热设计、电气功能设计、结构设计和可靠性设计是密不可分的，把热设计放在最后来做实际温升验证就不叫热设计，那只是产品的散热补救措施。电子元器件的使用寿命与其工作温度具有直接关系，温度梯度产生的热应力与热变形是最终导致电子元器件失效的根本原因。而传统的经验设计加样机热测试的方法已经不适应汽车电子产品快速研发和优化设计的需要，所以必须在产品研发阶段导入热设计和验证工作。

车用中央电气接线盒在传统研发流程中，产品原型设计阶段注重电气功能的设计和验证，而在产品的热设计方面则采取经验设计并经过快速手工功能样件进行带载温升测试验证。传统的研发流程必将导致研发前期产品设计评审后设计优化的困难，同时导致产品在开发过程中周期的加长和费用的上升。

为了提高产品设计的可靠性，通过在产品研发过程中导入热设计及CAE仿真分析的虚拟设计验证，这样可以在不加工产品功能样件的情况下实现产品的虚拟评审和设计优化。从而实现了产品热设计的快速评审和验证，大幅度提高了产品的开发品质，同时也可有效降低产品开发的费用和缩短产品开发的周期。

通过在实际开发项目中对车用中央电气接线盒的热设计与CAE分析的应用研究，充分论证在产品开发中纳入热设计虚拟仿真分析的必要性和重要性，同时为确定产品的热设计及CAE分析工作流程的构建奠定基础。

1 车用中央电气接线盒的热特性和热设计规范

车用中央电气接线盒俗称继电器熔断丝盒或电器功率分配盒，它是整车用电器的功率分配中心和整车线束的保护中心，是整车电器管理和驱动的重要部件。通常根据安装部位可分为发动机舱中央电气接线盒和乘客舱中央电气接线盒，它主要由电磁继电器、熔断丝、PCBA、音叉端子、刀型端子和注塑结构件等组成。

随着功率开关器件和自恢复保护器件的技术进步，车用中央电气接线盒采用功率开关器件和自恢复保护器件实现轻量化、集成化已是必然趋势。

车用中央电气接线盒中功率器件耗散的热量决定了温升，因此不同的电气和结构设计决定了产品的不同温度。产品自身的发热量是以导热、对流及辐射3种方式传递出去，而每种方式传递的热量与其热阻成反比；热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；中央电气接线盒的热设计应该以在发动机舱或乘客舱（或行李舱）环境条件下热量的传递同时满足车身内部自然冷却系统和可靠性要求为最简单又最经济的热设计。

1.1 产品的热特性

车用中央电气接线盒的热量主要来源于对电器驱动和电器功率分配过程中的损耗，其主要包括：继电器线圈功耗、继电器触点接触功耗、继电器引出脚与音叉端子的接触功耗、熔断丝与音叉端子的接触功耗、熔断丝体电阻功耗、接插件与刀型端子的接触功耗、PCB电气回路铜箔体电阻功耗等。

电子化PCB式车用中央电气接线盒的热量还将包含功率MOSFET的功耗和自恢复保护器件的功耗。

1）电磁继电器的热特性见表1。

2）功率MOSFET的热特性见表2。

3）自恢复保护器件的热特性见表3。

4）熔断丝热特性见表4。

5）PCB的热特性见表5。

6）音叉和刀型端子的热特性见表6。

1.2 产品的热设计规范

中央电气接线盒是整车电气系统的关键部件，热设计是中央电气接线盒设计过程中非常重要的环节。热设计的品质既关系中央电气接线盒自身电气性能的可靠性，更关系到整车电气系统工作的可靠性。随着中央电气接线盒小型化和集成化的不断发展，产品的体积不断减小和功率密度不断提高，中央电气接线盒热设计的要求则尤为重要和关键。因此，设计人员必须重视中央电气接线盒热设计要求，保证热设计的品质。

1.2.1 热设计的基本要求

热设计应与其它设计（电气设计、结构设计和可靠性设计等）同步进行，当热设计与电气设计或结构设计出现冲突时，应优先满足热设计的要求；当热设计与可靠性设计出现冲突时，应优先满足可靠性设计的要求。

多层印制板设计中电磁继电器、功率MOSFET、熔断丝和自恢复保护器件的布置应兼顾布线铜箔的电气和热设计的要求，设计中应结合汽车的实际行车工况规避相邻回路布置同时工作的大电流车载电器，以满足中央电气接线盒的热设计的要求。

多层印制板设计中如果局部器件功率分布密度偏高时，布线铜箔可采取漏铜敷锡设计提高热量耗散效率，或布线铜箔采取两层拷贝并均匀布置过孔的设计，或采取过桥汇流片设计来调整高功率器件的布置位置，或采取一体化端子（叉型与刀型一体或刀型与刀型一体）设计来降低局部功率器件的分布密度，以满足中央电气接线盒的热设计的要求。

1.2.2 长时／短时工作电气回路的热设计要求

多层印制板设计中对于长时工作的回路铜箔宽度承受额定负载电流时的温升应符合10℃温升的规定，或者PCB整体承受的温升应符合表5的规定。

表1 常用汽车电磁继电器的热特性表（参考）

表2 常用功率MOSFET的热特性表（参考）

表3 常用自恢复保护器件的热特性表（参考）

表4 常用熔断丝的热特性表（参考）

多层印制板设计中对于短时工作的回路铜箔宽度承受额定负载电流时的温升应符合20℃温升的规定，或者PCB整体承受的温升应符合表5的规定。

1.2.3 音叉和刀型端子的热设计要求

不同类型端子的额定工作电流和温升应符合表6的要求。

1.2.4 不同温度下降额设计要求

电应力和热应力之间有着密切的内在联系，减少电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，可以提高产品的可靠性。

快熔熔断丝的降额系数为：-0.15%／℃，慢熔熔断丝的降额系数为：-0.14%／℃。

继电器触点额定工作电流的降额系数为：每20℃下降10%。

2 车用中央电气接线盒热设计的FLOEFD分析方法简介

FLOEFD是一款专业高效与设计协同的流体和传热分析软件，FLOEFD区别于传统CFD软件的最大优势在于它是一款面向产品设计人员并无缝集成于CAD软件中的通用CFD软件。

FLOEFD的分析方法：以工程向导的方式引导CAE工程师和产品设计人员方便快捷地完成产品的热趋分析流程。

1）分析流程：①建立CAD模型；②自动网格划分；③边界条件施加；④求解和后处理；⑤自动生成Word／Excel热趋分析报告。

2）主要特点：①FLOEFD直接应用CAD实体模型；②自动判定流体区域；③自动进行网格划分；④无需对流体区域再建模；⑤整个分析流程均在CAD软件界面下完成。

3 热设计CAE分析工作的应用价值

3.1 产品热设计评审和鲁棒性分析

1）产品热设计的评审 ①PCB最大UL操作温度（FR4：TUL＜130 ℃；FR5：TUL＜150℃或供需双方协商确定）的评审；②PCB玻璃化转变温度（Tg值）的评审（无铅焊接和铜箔粘接强度抗老化评审）；③PCB布线设计的评审；④产品电气元件布置设计的评审；⑤产品高海拔操作过热分析和最高测量温度的评审，T（高海拔下实际工作温度）＝［（环境温度－室温）×1.33］+室温，通常情况下+10℃；⑥线束耐温等级选型的评审；⑦工程塑料结构件耐温选型的评审；⑧熔断丝额定工作电流（降额值）选型的评审，额定电流的降额系数：插片式熔断丝为-0.15%／℃，慢熔熔断丝为-0.14%／℃；⑨继电器触点额定工作电流（降额值）选型的评审，继电器触点额定工作电流降额系数为每20℃下降10%。

表5 常用PCB的热特性表（参考）

表6 常用音叉和刀型端子的热特性表（参考）

2）产品的热疲劳分析确认当不同热膨胀系数的材料相互接触时，由温度循环变化引起的热疲劳缺陷，疲劳寿命应当是组件要求寿命的3倍。

3）产品的可靠性分析在研发的DVT阶段，将振动、温度、电及湿度等应力，进行各种不同的整合，并以阶梯应力的方式，依序或同时施加在待测物体上面。如图1、图2所示。

3.2 产品DV温度曲线开发

1）功率温度循环（PTC）曲线的模拟。

2）过热操作曲线的开发。

3）最高测量温度的开发。

4）产品设计阶段成本控制。①通过管理PCB最大UL操作温度指标来控制成本，指标越高成本必然上升。②通过管理PCB的Tg指标来控制成本，指标越高成本必然上升。③通过热设计评审确定PCB铜箔厚度（包括叠层数）和电气元件的布置来控制成本，成本随铜箔厚度和叠层数的增加而提高。④通过管理元件温度指标来控制成本，工业级、汽车级和军品级元件的价格差异较大。⑤通过管理线束耐温等级来控制成本，高温线和常规线价格差异较大。⑥通过管理熔断丝额定工作电流（降额值）来控制成本，不同的额定值对应不同的线径，线径不同价格也不同。⑦通过管理继电器额定工作电流（降额值）来控制成本，不同的额定值对应不同的继电器型号，继电器型号不同价格也不同。