TRANSIENT NUMERICAL COMPUTATION OF THE TEMPERATURE OF THE ELECTRONIC EQUIPMENT IN PASSENGER CARS
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Beschreibung
Um einen sicheren Betrieb der elektronischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu
gewährleisten, wird deren thermische Situation in jeder digitalen Phase des
Entwicklungsprozesses bewertet. Die Betriebsbedingungen eines Fahrzeugs und der
Komponenten werden mit einem sogenannten Lastfall definiert. Übliche Lastfälle setzen sich
zusammen aus einer Vorkonditionierungsphase mit Warmfahren und einer anschließenden
Belastungsphase, z.B. Bergfahrt mit Anhänger. Im Entwicklungsprozess ist es besonders
interessant, für einen bestimmten Lastfall den Zeitraum zu prognostizieren, in dem das
elektronische System im Fahrzeug innerhalb seines optimalen Temperaturbereichs arbeitet,
um einen Vergleich mit den Anforderungen der Lastenhefte von Komponente und Fahrzeug
zu bekommen. Wenn nötig kann die Einbausituation des elektronischen Systems im Laufe der
Entwicklungsphasen optimiert werden, um den Betriebszeitraum zu vergrößern. In der
vorliegenden Arbeit wurden Berechnungsmethoden und numerische Modelle entwickelt und
validiert, um die Temperatur der elektronischen Komponenten im Fahrzeug unter
zeitabhängigen Betriebsbedingungen und thermischen Lasten zu ermitteln. Dabei richtet sich
der Fokus auf die elektronischen Komponenten in Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb
(Verbrennungsmotor), die in einem engen Temperaturbereich arbeiten und durch eine
signifikante Wärmeabgabe oder eine kritische Einbaulage im Fahrzeug charakterisiert sind.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit werden darüber hinaus inzwischen auch als
Grundlage für die thermische Absicherung der kommenden hybridisierten und elektrischen
Fahrzeuge verwendet.
Nach dem aktuellen Stand der Literatur gibt es zur Zeit noch kein numerisches Verfahren zur
Berechnung der Temperatur elektronischer Komponenten in einem komplexen
Fahrzeugumfeld. Außerdem sind die in der Literatur beschriebenen Methoden zur Auflösung
der gekoppelten Wärmeübergangsmechanismen – Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung
– auf stationäre Randbedingungen beschränkt.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden numerische Strategien für die instationäre
Berechnung der verschiedenen Wärmeübergangsmechanismen mit einer Systemanalyse
untersucht. Für die Auslegung des Berechnungssystems werden die relevanten Zeitskalen für
die Temperaturberechnung elektronischen Komponenten im Fahrzeug benötigt. Diese werden
über die Analyse der dimensionslosen Transportgleichungen für den Wärmetransport im Fluid
(über Konvektion) bzw. im Solid (über Wärmeleitung) ermittelt. Die entsprechende
charakteristische Zeit wird sowohl für die geometrische Dimension einer elektronischen
Komponente als auch der des Bauraums im Fahrzeug berechnet. Um näherungsweise mit
ähnlichen charakteristische Zeiten zu arbeiten, wird sich das Berechnungssystem in der
geometrische Dimension der elektronische Komponenten auf die Chip- und Komponente-
Ebene und beim Bauraum auf die nähe Umgebung der elektronische Komponente beschränkt.
Dennoch sind unterschiedlich große Zeitschritte bei der Berechnung der Konvektion und
Wärmeleitung notwendig. Somit werden Konvektion und Wärmeleitung mit geeigneten
Programmen und mit Hilfe von iterativen Kopplungsstrategien getrennt gelöst. Zusätzlich
lässt die Kopplungsstrategie verschiedene Detaillierungsgrade in den einzelnen numerischen
Modellen zu. Zur Erreichung akzeptabler Rechenzeiten im Entwicklungsprozess wird das
Geschwindigkeitsfeld der Konvektionsströmung stationär behandelt. Abhängig von den
konvektiven Randbedingungen werden zwei iterative Kopplungsstrategien vorgeschlagen.
Anschließend werden kurz mögliche Versuchsanordnungen für Validierungsmessungen unter
Labor- und Real-Bedingungen beschrieben.
Im zweiten Teil werden numerische Modelle zur Berechnung des konvektiven
Wärmeübergangs anhand von Testfällen untersucht, insbesondere im Hinblick auf
Turbulenzmodellierung und Netzanforderung, und mit Vergleichsfällen aus der Literatur
validiert. Zuerst wird die Genauigkeit des stationären Geschwindigkeitsansatzes zur
Ermittlung der Wärmeübertragung für den Fall der natürlichen Konvektion in elektronischen
Systemen ohne aktive Kühlung überprüft. Danach werden numerische Modelle zur
Berechnung der vom Lüfter erzwungenen Konvektionsströmung und der Strömung durch
dünne Lochbleche untersucht und mit Messungen sowie Literaturangaben verglichen. Als
Kriterien zur Validierung der numerischen Modelle dienen der vom Lüfter erzeugte
Volumenstrom sowie die Druckverteilung in der elektronischen Komponente im
Einbauzustand.
Im dritten Teil werden die Kopplungsstrategien anhand zweier komplexer elektronischer
Systeme validiert, zum einen für eine konventionelle Batterie, eingebaut in die
Ersatzradmulde (im Fahrzeugheck), zum zweiten für einen Soundverstärker, eingebaut im
Freiraum zwischen Stirnwand (Trennwand zum Motorraum) und Bodenbelag des
Beifahrerfußraums. Zuerst werden die kritischen Komponenten, die thermischen
Anforderungen und der relevante Lastfall spezifiziert. Im ersten Schritt werden zur Bedatung
des numerischen Modells des elektronischen Systems als Randbedingungen direkt
Wärmeflüsse aufgebracht, welche aus Messungen ermittelt wurden. Im zweiten Schritt
werden die vorgeschlagenen Kopplungsstrategien auf das bedatete Modell des elektronischen
Systems angewandt, wobei nun die konvektiven Wärmeflüsse mit Hilfe der
Strömungssimulation ermittelt werden. Die Ergebnisse dieser gekoppelten Simulation werden
durch Vergleich mit Gesamtfahrzeugsmessungen validiert. Schließlich werden die Effizienz
und Zuverlässigkeit beider Kopplungsstrategien für eine Implementierung im digitalen
Entwicklungsprozess diskutiert.
In order to ensure a reliable operation of the electronic equipment in a passenger car, its
thermal situation is successively evaluated during each digital phase of the development
process. The operating conditions of the car and electronic device, also the climatic conditions
are settled with a so-called use case. Standard use cases consist of a first phase of preconditioning
with warming-up, followed by a period of thermal load, e.g. uphill driving with
load trailers. Of particular interest in the development process is for a specified use case to
predict the time period, during which the electronic system embedded in the vehicle works
within its optimal operating temperature range, in order to compare it with the requirements
of the device and vehicle specifications. If necessary, the positioning of the electronic system
can be optimized in the course of the development phases to enlarge the operating time
period. In the present work, computational methods and numerical models to predict the
temperature of the electronic equipment in a passenger car under time-dependent operating
conditions and thermal loads have been developed and validated. It focuses on electronic
devices assembled in vehicles with conventional powertrain, characterized by a tight
operating temperature range and a significant heat dissipation or a critical position in the car.
Moreover, the results of the present work are used by now as foundation for the thermal
management of the upcoming HEVs (hybrid electric vehicle) and PEVs (pure electric
vehicles).
According to the up-to-date state of literature, there is presently no numerical method to
compute the temperature of automotive electronic systems dealing with complex geometries
and environment boundaries. Moreover, the methods presented in the literature to solve the
coupled heat transfer modes – convection, conduction and radiation – are limited to stationary
operating conditions.
In the first part of the present work, simulation strategies for the transient computation of the
different modes of heat transfer are investigated with a system analysis. In order to determine
the geometric limits of the computational system, the time scales relevant for the temperature
prediction of the electronic equipment in a passenger car are requested. These time scales are
calculated with a non-dimensionalization analysis of the transport equations in the fluid by
convection and in the solid by conduction. The corresponding characteristic time is analyzed
for the geometric level of an electronic device as well as of the electronic compartment in the
vehicle. In order to avoid the computation of heat transfer modes characterized by large
discrepancies in the time scales, the computed system is restricted to four geometric levels:
the semi-conductor case, the board, the electronic package and its near environment in the
vehicle. Nevertheless, different time-steps are requested for the computation of conductive
and convective heat transfer modes. Consequently, the different heat transfer modes are
solved separately with adapted codes using iterative coupling simulation strategies, which
enables also different grades of details in each numerical model. For reasonable computing
times in the development process, a steady-state approach is used to solve the conservation
equations of the convective flow. Two iterative coupling codes strategies are proposed
according to the convection boundary conditions. Experimental techniques are then briefly
described for validation measurements under laboratory conditions and real environment
conditions.
In a second part, numerical models for the prediction of the convective heat transfer mode are
examined with test cases, in particular in view of mesh requirements and turbulence
modeling, and validated in comparison with literature. First, the accuracy of the steady-state
approach for the prediction of the convection heat transfer mode has been investigated for the
computation of buoyancy-driven flows encountered in electronic systems without active
cooling. Moreover, numerical models for fan flow simulation and flow computation through
thin electronic grills have been validated regarding the fan prescribed volume flow rate and
the establishing pressure distribution in the system in comparison with measurements and
correlations from the literature.
In the third and last part, the coupling codes strategies are validated by means of two complex
electronic systems, on the one hand a lead-acid battery situated in a spare-wheel cavity in the
rear of the car, on the other hand a sound amplifier assembled in a cavity located between the
engine compartment and under the floor covering of the passenger. First, the critical
components, the thermal requirements and the use case applied are specified. In order to build
a numerical model of the electronic system from the real device in the vehicle, a
parameterization of the model is carried out in a first step, whereby measurement data are
used to model the convective heat flux. In a second step, the co-simulation strategies proposed
previously are applied on the parameterized numerical model, disposing of flow computations
for the prediction of the convective heat transfer. For the validation of the coupling
simulations, the temperature of the critical components predicted by the transient computation
is compared to experimental results in the vehicle. Finally, the efficiency and the reliability of
both co-simulation strategies are discussed for implementation in the digital development
process.
Autor*in
Florence Michel
Themen in »TRANSIENT NUMERICAL COMPUTATION OF THE TEMPERATURE OF THE ELECTRONIC EQUIPMENT IN PASSENGER CARS«
thermal management, electronic devices, transient computation, co-simulation,natural convection, conduction, radiation, fan flow, thin electronic grill, lead-acid battery,sound amplifier. thermische Absicherung, elektronische Systeme, instationäre Berechnung,Codekopplungsstrategien, natürliche Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung, vom Lüftererzwungene Konvektion, dünnes elektronisches Lochblech, konventionelle Batterie,Soundverstärker.