电控系统散热分析

时间： 2024-03-20 来源：贝思科尔公众号

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对于新能源汽车来说，电控系统相当于整车的“大脑”，它的性能决定了车辆能耗、排放、动力、舒适性等主要的性能指标。在节能减排的要求下，电控系统的整体呈现功能越来越复杂、集成度越来越高的发展趋势，这意味着电控系统的散热问题愈发凸显。事实上，50%以上的电子系统失效都是由于温度导致，所以必须采取高效的冷却方式以及合理的散热设计，才能保证电控系统的安全运行。

电驱电控系统散热设计中最核心的部件是电驱主控制器和功率变换器（包括DC/DC变换器和DC/AC逆变器），冷却方式可以采用风冷或者液冷。在新能源汽车的集成化电驱动系统中，主要以液冷设计为主，与电机、电池冷却方式一致，结构更为紧凑，便于系统化设计和管理。对于功率稍小的辅助控制器，也会根据安装空间等条件，选择被动冷却或风冷的散热方式。

电控系统散热设计的首要目的是获得关键功率器件结温和控制器整体的三维温度场，确认电子元件处于安全的工作温度范围。除此之外，液冷分析还需要根据分配的冷却流量，通过设计和优化冷板结构，保证功率器件温度的均匀性，同时尽量降低冷板压降，减小流动损耗。被动冷却或风冷需要优化散热器结构，进行风扇选型和位置优化，避免散热路径上出现导热瓶颈或热风回流。

电控散热设计主要有三个难点：

1，跨学科跨部门协作。电控系统的散热设计与电子电气设计和结构设计密不可分，热设计工程师应用来自电子电气工程师的EDA文件和来自结构设计工程师的三维CAD模型进行热流仿真分析，在设计发生变更时需要及时同步模型数据。不同部门的工程师所用工具能否无缝集成，模型数据是否有统一真实的来源，决定了热设计的效率。

2. 难以在设计早期定位潜在散热问题。很多散热问题在概念设计阶段就已经存在了，只是传统的设计方式通常先分别进行电子电气和结构设计，之后再进行热符合性验证，散热问题发现得比较晚，导致大量的返工和重新设计。

3. 汽车电控系统仿真前处理工作量大，影响研发周期。对于集成度高的电驱电控系统如三合一系统，整体结构非常复杂，如果在传统CFD工具中进行整机热流分析，几何清理及网格划分可能花费数天甚至数周的时间，影响整体开发进度。故而很多时候，不得不将三合一系统拆分，分别进行分析设计。但电控模块所处环境复杂，各部分的流场和温度场互相影响，分开分析很难给定准确的边界条件，影响分析准确性。

如何解决上述难题，是提高研发效率、加快设计创新的重点。Simcenter Flotherm (XT)和FloEFD是西门子Simcenter解决方案中专为电子热设计而开发的仿真工具，旨在帮助研发团队应对电控系统热设计中的挑战。

Simcenter Flotherm (XT)内置Smartpart参数化建模模板和大量供应商数据库，还拥有Flotherm PACK及Package Creator封装建模库，提供机箱、PCB、风扇、散热器、热管、热界面材料等模型和数据，以及功率电子和控制器芯片的常用封装模型如BGA、QFN、TO等等，可直接在概念设计阶段快速建立主控制器和功率电子器件的简化模型，从而在没有详细结构和电子电气设计的时候，提前发现潜在的散热问题，论证散热方案，优化PCB布局，为结构和电气工程师提供设计建议。

图1 Simcenter Flotherm中的ECU建模及热仿真

Simcenter FLOEFD是业界领先的CAD嵌入式多功能CFD仿真工具，能够集成在所有主流CAD设计软件中，无需切换工具，即可在结构设计工作环境中完成全部的CFD前后处理和求解。当设计发生改变时，CFD仿真设置也同步更新。FloEFD独特的Smart Cells网格技术能够自动识别流体域，使得工程师无需对复杂几何模型做手动简化和清理，同时自动进行网格加密和边界层处理，能够节省70%-80%的前处理时间，从而大幅提高散热设计效率。通过FloEFD自带的设计优化模块，或集成到HEEDS平台，可以自动优化冷板、散热器结构，广泛应用于功率电子模块或电控系统整体的液冷散热设计。

图2 Simcenter FloEFD IGBT冷板热分析（左）及PEU热设计（右）

Simcenter Flotherm (XT) 和FloEFD都具有全面兼容的EDA数据接口，可以自动将二维EDA设计转化成三维热仿真模型，从而将电子电气设计与散热设计无缝集成。

考虑到车载电子所处的高温和振动环境，工程师也可以从FloEFD中输出多种格式的三维温度场和流场结果，结合有限元工具进行热-结构耦合分析，如封装焊球的蠕变和热疲劳分析。Flotherm (XT)和FloEFD还可以输出边界无关的降阶模型，与一维系统仿真工具结合进行1D-3D协同分析，使系统设计具备预测温度的功能，例如在液冷系统设计中考虑流量分配对IC结温的实时影响，分析逆变器中IGBT温度在真实驾驶循环中的瞬态变化，以及动态温度调控策略仿真等等。