車輛中心 技術服務處 賴文光

由於能源及環保問題日益嚴重，許多高耗能的產業都在積極尋找合適的替代能源，以及可以有效節能的解決方案，與耗能關係密切的車輛產業也不例外，其中具有較高能源效率特性的各式電動車，已成為大家競相投入的重點選項。由於電動車的動力性能要求，電動系統的功率較高，各個控制器的電子元件熱功率也較高，因此，在控制器的散熱設計上就必須多加考量，否則，一旦溫度超過了電子元件耐受的溫度範圍，就可能造成控制器的故障或損壞。

控制器的散熱特性，除了與各個電子元件本身的熱功率及彼此間的連接配置有關外，也與熱傳導的路徑、散熱片的材料與分佈，以及控制器的操作條件與使用環境有關。如何適當的配置組合各個元件，使控制器的性能要求與溫度要求都能滿足，是控制器散熱設計的主要挑戰。

如何能知道所設計的控制器是否滿足溫度要求呢?透過量測方式雖可以實際的量到元件溫度，但需先將實體試作出來，且往往需經過多次修改設計、試作與量測後才能符合需求，所耗費的時間及費用成本高。若在設計之初即搭配電腦輔助工程(CAE，Computer Aided Engineering)模擬分析，依據控制器各電子元件形狀與位置、熱功率、材料與熱傳特性、操作條件與使用環境等資料，建立電腦數值模擬分析模型，再以熱流分析軟體，計算出各電子元件的溫度分佈，以圖形的方式顯示出來，即可判斷是否超過溫度範圍，進而對其進行散熱設計改善，以確保控制器在使用過程中不會因溫度過熱而損壞。

圖1為一控制器設計簡例，圖2為該控制器模擬分析所輸出的溫度分佈與流場動畫顯示，流線的顏色代表空氣流速的差異，控制器本體的顏色分佈代表溫度的差異。由以上分析結果除了可以確認所有元件溫度是否在其適用範圍，也可以瞭解各個熱源的傳導路徑與散熱效果。若有元件有過熱情況，則改善其散熱路徑，可以增加傳導方式提升散熱能力。若是鰭片散熱效果有限，也可對鰭片數量、厚度及間距進行優化設計與分析。

圖1 控制器電路板構造

圖2 熱流場分析

透過CAE分析，可以在產品設計的各階段以電腦模擬方式，快速分析、確認並改善控制器的散熱性能，使其符合溫度要求，之後再接續進行量產，對於產品設計開發的品質、時程與成本都有相當的助益。若需要進一步瞭解相關內容細節，歡迎洽詢車輛中心 技術服務處 工程分析中心  賴文光 電話：04-7811222 分機3331 e-mail：wengkuang@artc.org.tw