一种车用智能接线盒热趋势模拟仿真方法及电子设备与流程

1.本发明属于汽车电子技术领域，特别涉及一种车用智能接线盒热趋势模拟仿真方法及电子设备。


背景技术：

2.随着汽车电子技术的发展，车用电气接线盒向着智能化方向发展，电子元器件集成化程度越来越高。汽车电器控制的复杂性也越来越高，对电气接线盒的功率要求也越来越大。由于工作环境恶劣，高温、密闭、潮湿，产品开发过程中的热设计很有必要。


技术实现要素：

3.本公开实施例之一，一种智能接线盒热趋势模拟仿真方法，包括以下步骤：
4.(1)确定各功率器件的焦耳热功率，各回路铜箔的工作电流参数，及工作环境温度；
5.(2)根据智能接线盒结构及尺寸，在三维建模软件中建立各零部件的装配体模型，并对各零部件模型进行优化；
6.(3)通过三维建模软件和有限元分析软件的无缝接口，将优化后的装配体模型导入有限元分析软件中，进行网格划分；
7.(4)根据智能接线盒的材料设置各零部件的物理性能参数，将步骤(1)中的计算结果作为边界条件施加给智能接线盒，利用有限元软件对智能接线盒进行稳态温度场分析，计算得到智能接线盒的温度分布及温升情况。
8.本公开实施例，将智能接线盒作为一个系统进行热趋势模拟仿真，通过对各零部件模型及参数进行优化，其中对功率器件的发热模块、起导电作用的引脚、以及绝缘保护作用的壳体分别建模，保证功率器件的外形尺寸与形状与实物一致，同时pcb建模时保留了pcb上发热芯片下方的过热孔，从而提高仿真结果的准确性。
附图说明
9.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
10.图1根据本发明实施例之一的车用智能接线盒的立体分解图。
11.图2根据本发明实施例之一的车用智能接线盒的电路pcb部件的示意图。
12.图3是图2中pcb铜箔建模的正面视图。
13.图4是图2中pcb铜箔建模的反面视图。
14.图5是图3中pcb的过孔的详细视图。
15.图6是图5中pcb的过孔的剖视图。
16.图7是图2中的a型芯片的实物图和建模优化模型。
17.图8是图2中的b型芯片的实物图和建模优化模型。
18.其中，1——智能接线盒上壳体，
19.2——智能接线盒下壳体，
20.3——电路板pcb，3-1——pcb的铜箔，3-2——pcb的过孔，
21.4——电路板载功率器件，
22.4-1——a型芯片，4-1-1——a型芯片的壳体，4-1-2——a型芯片的发热模块，4-1-3——a型芯片的引脚，
23.4-2——b型芯片，4-2-1——b型芯片的壳体，4-2-2——b型芯片的发热模块，4-2-3——b型芯片的引脚。
24.5——汇流排，
25.6——接插件端子，
26.7——螺钉。
具体实施方式
27.目前在产品开发初期阶段，利用热分析软件进行热趋势模拟仿真分析，从而获得产品温度分布，进而指导产品设计并对设计进行优化，已成为一种必要手段。
28.现有研究中，对pcb芯片建模时直接将铜箔简化为一整块片状矩形结构，对芯片建模时直接将其简化为一发热矩形块，没有考虑铜箔的布置和芯片结构对温度传导的影响。然而车用智能接线盒的热趋势模拟仿真属于系统级别的仿真，模型体积大且影响因素复杂，无法采用目前这种比较初步的仿真算法。因而需要提出以后总能够优化仿真模型及参数，提高仿真结果的准确性的热趋势模拟仿真方法。
29.本公开的目的是提供一种车用智能接线盒热趋势模拟仿真方法，将智能接线盒作为一个系统进行热趋势模拟仿真，通过对各零部件模型及参数进行优化，提高仿真结果的准确性。
30.根据一个或者多个实施例，一种车用智能接线盒热趋势模拟仿真方法，包括以下步骤：
31.(1)确定各功率器件的发热功耗，各铜箔的工作电流参数，及工作环境温度。(2)根据智能接线盒结构及尺寸，在三维建模软件中建立各零部件的装配体模型，并对各零部件模型进行优化；
32.(3)通过三维建模软件和有限元分析软件的无缝接口，将优化后的装配体模型导入有限元分析软件中，进行网格划分；
33.(4)根据智能接线盒的材料设置各零部件的物理性能参数，将步骤(1)中的计算结果作为边界条件施加给智能接线盒，利用有限元软件对智能接线盒进行稳态温度场分析，计算得到智能接线盒的温度分布及温升情况。
34.进一步的，所述智能接线盒包括接线盒上壳体1、接线盒下壳体2、pcb 3、功率器件4、汇流排5、接插件端子6和螺钉7，其中接线盒上壳体1采用金属铝制成，接线盒下壳体2采用工程塑料件制成，汇流排5采用金属铜制成，接线盒下壳体2上有与车身线束插件配合的接插件座结构，接插件端子6通过接插件座上的通孔与线束插件连接，汇流排5与车身线束端子连接，从而实现与车身的电气连接。
35.各功率器件4的热功耗的计算公式如下：
36.p＝i2r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
37.式中，p——焦耳热功率，i——电流，r——电阻。
38.pcb的各回路铜箔3-1的电流参数是根据各回路设计电流值确定的。
39.所述步骤(2)中的对智能接线盒各零部件装配体模型建立时，对零部件的优化方法如下：
40.(21)接线盒上壳体1、接线盒下壳体2、汇流排5、接插件端子6、螺钉7根据实际结构和尺寸进行原比例建模，去掉不影响温度分布的圆角和倒角。
41.(22)建立pcb 3模型时，按照实际设计铜箔3-1层数、铜箔3-1布置走向及厚度建模，同时保留对温度分布影响很大的发热芯片4下方的过孔3-2。
42.(23)建立功率器件4模型时，按照不同类型的功率器件4-1和4-2进行分类建模，对功率器件的发热模块4-1-1和4-2-1、起导电作用的引脚4-1-2和4-2-2、以及绝缘保护作用的壳体4-1-3和4-2-3分别建模，同时确保芯片的外形尺寸和形状与实物一致。
43.所述步骤(3)中，对智能接线盒进行网格划分时，先进行装配体网格划分，再分别对功率器件4和pcb 3单独进行网格加密。
44.本公开实施例的有益效果在于：
45.1)提供了一种智能接线盒热趋势模拟仿真方法，将智能接线盒作为一个系统进行热趋势模拟仿真；
46.2)对模型及参数进行优化，提高了仿真结果的准确性，不仅缩短开发周期，还可以节约开发成本；
47.3)对后续产品的热设计优化具有指导作用。
48.根据一个或者多个实施例，如图1至7所示，一种智能接线盒热趋势模拟仿真方法，包括以下步骤：
49.(1)确定各功率器件的焦耳热功率，各铜箔的工作电流参数，及工作环境温度。(2)根据智能接线盒结构及尺寸，在三维建模软件中建立各零部件的装配体模型，并对各零部件模型进行优化；
50.(3)通过三维建模软件和有限元分析软件的无缝接口，将优化后的装配体模型导入有限元分析软件中，进行网格划分；
51.(4)根据智能接线盒的材料，设置各零部件的物理性能参数，包括：
52.设置上壳体的材料铝合金，下壳体的材料为pa66-gf30，pcb的铜箔部分材料设置为铜，其余部分设置为fr4材料(fr4材料，是玻璃纤维布的简称，是线路板原材料和基材耐燃材料等级的代号)，汇流排和端子材料为铜，螺钉的材料为铁等等，并定义各个材料的密度、比热和热传导系数，不同的软件还要求设置铜材料的导电系数。
53.将步骤(1)中的计算结果作为边界条件施加给智能接线盒，包括把芯片a的发热功耗计算结果施加给芯片a的热源和芯片b的发热功耗计算结果施加给芯片b的热源，按照相同方法定义其它芯片热源，同时把计算的各铜箔工作电流施加到各个回路的输入端和输出端，并且把工作环境温度施加给初始的环境温度和固体温度，利用有限元软件对智能接线盒进行稳态温度场分析，计算得到智能接线盒的温度分布及温升情况。
54.在此实施例中，通过电原理图上的设计电流确定各回路铜箔的工作电流，以及各
回路铜箔上各个功率器件的工作电流，利用公式计算出各个功率器件的焦耳热功率。
55.各功率器件的焦耳热功率的计算公式如下：
56.p＝i2r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
57.式中，p——焦耳热功率，i——各个芯片的工作电流，r——各个芯片的热阻。
58.在此实施例中，利用catia软件建立智能接线盒的装配体模型，分别对接线盒上壳体1、接线盒下壳体2、pcb3、各发热芯片4、汇流排5、接插件端子6、螺钉7等建模。
59.对智能接线盒各零部件装配体模型建立时，对零部件的优化方法如下：
60.(21)接线盒上壳体1、接线盒下壳体2、汇流排5、接插件端子6、螺钉7根据实际结构和尺寸进行原比例建模，去掉不影响温度分布的圆角和倒角。
61.(22)建立pcb模型时，按照实际设计铜箔3-1层数(4层)、铜箔3-1布置走向及厚度建模，同时保留对温度分布影响很大的发热芯片4下方的过孔3-2。
62.(23)建立功率器件模型时，分别对a型芯片4-1、b型芯片4-2等进行建模，对功率器件的发热模块4-1-1和4-2-1、起导电作用的引脚4-1-2和4-2-2、以及绝缘保护作用的壳体4-1-3和4-2-3分别建模，同时确保芯片的外形尺寸和形状与实物一致。
63.图7是a型芯片的实物图和建模优化模型，图8是b型芯片的实物图和建模优化模型。在该芯片优化模型中，实际布板设计时芯片的结构可以用矩形结构块代替，芯片的优化建模还包括建立芯片的壳体(即防护绝缘部分结构)、发热模块以及用于传导电流的引脚。该优化模型保留了芯片的实际外形结构，同时计算时既加载芯片发热功率，又可以加载电流，而不是简单地简化为一个发热矩形结构块。
64.在此实施例中，将前面建立的智能接线盒装配体模型，利用catia软件与floefd热分析软件之间的无缝接口，将优化后的热分析模型导入floefd热分析软件中，利用其网格划分工具，先进行装配体网格划分，网格级别选择3，再分别对功率器件和pcb进行网格加密，网格级别选择4。
65.根据各零部件的材料特性定义各零部件的物性参数，至少包括密度、导热系数，同时将pcb板的铜箔表面定义为辐射表面，并设置辐射类型，然后将前面计算的功率器件的焦耳热功率设置给各个位置的芯片，定义各个回路铜箔的工作电流，并将工作环境温度设置为初始固体温度，作为计算的初始温度值。
66.在此实施例中，其它边界条件设置还包括分析类型为外部流动，空气流动类型为层流和湍流，以上设置完后利用floefd的计算界面进行温度场的仿真，计算完成后就可以得到智能接线盒的整个温度场分布及温升情况。
67.本公开实施例将智能接线盒作为一个系统进行热趋势模拟仿真，通过对各零部件模型及参数进行优化，提高仿真结果的准确性。
68.值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

技术特征：
1.一种车用智能接线盒热趋势模拟仿真方法，其特征在于，该仿真方法包括以下步骤：s100，确定所述车用智能接线盒电路pcb上各功率器件的焦耳热功率，pcb各回路铜箔的工作电流参数，及工作环境温度；s200，根据所述车用智能接线盒结构及尺寸，在三维建模软件中建立接线盒内各零部件的装配体模型，并对各零部件模型进行优化；s300，通过三维建模软件和有限元分析软件的接口，将优化后的装配体模型导入有限元分析软件中，进行网格划分；s400，根据所述接线盒的材料，设置各零部件的物理性能参数，将步骤s100中的计算结果作为边界条件施加给所述接线盒，利用有限元软件对所述接线盒进行稳态温度场分析，计算得到智能接线盒的温度分布及温升情况。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接线盒包括，接线盒上壳体、接线盒下壳体、pcb、功率器件、汇流排、接插件端子和螺钉。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，功率器件的焦耳热功率的计算公式：p＝i2r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，p为焦耳热功率，i为电流，r为电阻。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s200中，对所述接线盒内各零部件装配体模型建立时，对模型的优化包括，s201，接线盒上壳体、接线盒下壳体、汇流排、接插件端子和螺钉根据实际结构和尺寸进行原比例建模，去掉不影响温度分布的圆角和倒角。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s200中，对所述接线盒内各零部件装配体模型建立时，对模型的优化包括，s202，建立pcb模型时，按照实际设计铜箔层数、铜箔布置走向及厚度建模，同时保留功率器件下方的过孔。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤s200中，对所述接线盒内各零部件装配体模型建立时，对模型的优化包括，s203，建立功率器件模型，按照不同类型的功率器件进行分类建模，对功率器件的发热模块、起导电作用的引脚、以及绝缘保护作用的壳体分别建模，同时确保功率器件的外形尺寸和形状与实物一致。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s300中，对所述接线盒进行网格划分，包括对装配体模型进行网格划分，并分别对功率器件和pcb进行网格划分和增加密集度。8.一种电子设备，其特征在于，该设备包括包括存储器，以及与存储器耦合的处理器，该处理器被配置为执行所述存储器中的程序指令，以实现如权利要求1所述的方法。9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，实现如权利要求1至6中任一所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种车用智能接线盒热趋势模拟仿真方法，确定所述车用智能接线盒电路PCB上各功率器件的焦耳热功率，PCB各回路铜箔的工作电流参数，及工作环境温度；根据所述车用智能接线盒结构及尺寸，在三维建模软件中建立接线盒内各零部件的装配体模型，并对各零部件模型进行优化；通过三维建模软件和有限元分析软件的接口，将优化后的装配体模型导入有限元分析软件中，进行网格划分；根据所述接线盒的材料，设置各零部件的物理性能参数，将各参数计算结果作为边界条件施加给所述接线盒，利用有限元软件对所述接线盒进行稳态温度场分析，计算得到智能接线盒的温度分布及温升情况。况。况。


技术研发人员：衡凤琴 龚伟 姜雪妹
受保护的技术使用者：上海沪工汽车电器有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/12