基于Flotherm的热式汽车空气流量计热模拟分析

　　1 引言

　　汽车空气流量计是汽车众多零部件中比较重要的一种传感器, 它安装在汽车进气管道的空气滤清器之后,主要用于测量流经进气管道的空气流量大小。空气流量计测量进气量,并将此数值以电压信号的形式提供给汽车ECU, 由汽车ECU 根据此信号计算出燃油系统的喷油量。汽车流量计有不同的类型,根据测量原理不同,可以分为叶片式、卡门涡游式、热线式和热膜式流量计四种。其中, 前两者为体积流量计, 测量的是空气的体积流量,测量精度不高,受环境因素影响较大; 后两者为质量流量计, 测量的是空气的质量流量, 测量精度较高,性能稳定[1]。目前市面上应用得比较广泛的主要是热式空气流量传感器。

　　热模拟是应用于多种领域的一种分析工具,在计算机、半导体集成电路、汽车电子、仪器仪表等多个领域都有广泛的应用。利用热模拟仿真对汽车流量计 进行建模和热分析,可以真实的模仿电子设备的各种工作环境,设计者可以直观的看到汽车流量计在不同工况下的温度分布情况,从而有效改善产品的分布设计,同 时,借助模拟仿真软件,可以大大减少产品设计和再设计的成本, 缩短电子设备的研发周期, 提高电子产品的性能和可靠性[2]。本文主要针对某一汽车流量计封装结构,基于Flotherm 软件建立了两种热式汽车空气流量计的三维模型, 并对两种方案进行热模拟, 比较不同方案对流量计散热性能的影响。

　　2 空气流量计热模拟流程

　　FLOTHERM 软件是由电子系统散热仿真软件先驱棗英国FLOMERICS软件公司开发的电子系统散热仿真分析软件,广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计 工程师使用的。Flotherm 可以进行芯片和器件封装级热分析和热设计、PCB 板级和模块级热分析和热设计、系统整机级热分析和热设计和环境级热分析和热设计等[3]。

　　2.1 建模

　　气体带走热量的多少和气体流量及气体温度有关,热式空气流量计是基于这一理论设计的[4,5],本文主要针对实验室自主研发的热式空气质量流量 计进行分析研究。流量计包括传感器探头和控制电路板两部分。热探头包含一个测温电阻, 一个加热电阻, 一个温度补偿电阻。测温电阻的电阻很大(1K),本身发热可忽略不计,用于测量进气管道的空气温度(即环境温度),要求能够正常测量环境温度; 加热电阻电阻很小,发热量大,用于对流过的空气加热, 对周围的环境分布影响较大, 设计时一般置于气流的下游,减少对测温电阻工作的影响;温度补偿电阻的作用在于,使得加热电阻温度比测温电阻温度高出一个固定温差值(设定为100 度),即加热电阻温度和气体温度的差值固定,使气体带走的热量仅与气体的质量流量有关,从而可以建立起加热功率和气体流量之间的关系式[4,5];控制电 路板上的元器件发热很小,对温度不敏感,总体功耗小,相比加热电阻,对整个流量计的温度分布影响很小, 忽略其影响。