汽車產業對電腦的運算速度和性能要求越來越高,目前在連接能力(connectivity)方面正經歷重大的轉型。各種改動、更新和改進幾乎每天都不斷湧現,使得汽車製造商競相向消費者提供最新的安全與通訊技術,以及最優的功能性。

這些趨勢的發展速度會只增不減,而未來(不久的將來)的汽車將會具備前所未有的連接能力 –– 並且,在新的汽車設計中,就會同時針對處理能力和傳輸大量高速資料的能力產生巨大的需求。

這場競爭已經展開 –– 而且,與過去十年間大家見證的個人電腦領域競賽並非有所不同。在個人電腦市場上,在激烈的競爭過後,最終發現獲勝者就是提供效能強大、尺寸小巧、重量輕,最重要的是功能齊全並且能輕鬆處理大量複雜數字資料的電腦的廠商。

在汽車市場,設計上的挑戰不僅是電源傳輸和高速資料處理能力。設計工程師們還必須在汽車總體設計嚴格要求的局限下,對各個流程產生的熱以及環境溫度的波動進行安全的管理,同時遵循汽車產業在安全性和可靠性方面的嚴格標準要求。

這的確是一項重大挑戰。

在思索汽車製造商及其供應商面臨的具體設計問題時,與熱管理有關的挑戰可以劃分為兩個要關注的基本方面:

1. 瞭解對電子元件不斷增加的需求,確保元件設計產生的熱量可保持在最低程度
2. 在這類具有極端溫度並且常常是封閉的、條件更加嚴苛的環境下,設計出有助於管理熱量並最佳化冷卻的外殼

解決這些挑戰並非易事,一切都要從適宜的電氣設計和外殼設計開始,從而提供成本效益高又極具效率的熱管理效果。

模組的定義和最新進展

隨著消費性電子產品使用普及,對於效能更高的汽車網路、媒體模組以及更高功率充電器的需求也在不斷增加,這樣才能滿足駕駛員和乘客與車輛進行連接的需求,並且,對於在未來車輛中支援各種先進安全功能的網路需求也在飛速成長。與此同時,具有前瞻性的汽車製造商也在大力呼籲進一步地簡化汽車網路解決方案並提高其能力,從而處理當今車輛內部隨時產生的大量資料。如此一來,在汽車電子元件和電子裝置上就已經取得了重要的進展,使這些元件和裝置的技術越來越先進,但是也需要創新的熱管理策略來耗散掉產生的熱。

在討論致力於管理熱問題的形形色色設計方法前,我們先來明確幾個定義,以及汽車設計人員在其中運作的基本架構:

媒體模組
汽車媒體模組可實現多種類型的I/O埠連接的整合,例如USB、HDMI、乙太網路以及SD記憶卡等等,從而滿足終端系統的要求,實現與數量與日俱增的各種裝置進行無縫通訊,並讓客戶使用這些裝置來生產互連車輛。媒體模組使得連接到汽車並提供所需的充電電源成為了可能,讓我們時刻保持連接。

充電器
車載資訊娛樂系統呈爆炸性增長的趨勢,因而汽車的設計都配備了多個同時整合起USB-A和Type C介面的多種類型充電器。

例如,Molex對於要求更高的應用設計出符合裝置外形的車載智慧充電器,提供裝置製造商定義的最高功率以及效率最高的充電過程。它們還內建了保護電路,使得裝置免受短路和過流條件的影響。這些新增的安全保護功能和工程措施最終可以實現更加穩健的充電器產品,為駕駛員和乘客提供快速、高效的充電功能。

在設計階段即能指定充電器的規格,滿足汽車客戶在封裝和功率方面設定的全面要求。利用熱建模以及對環境要求的分析,以及之後在實驗室中進行的效能驗證,充電器介面經過充分的驗證可滿足客戶對效能和封裝的要求。

乙太網路閘道和交換機
真正的自動駕駛車需要最高度的安全性、優先順序劃分、可靠性以及效能。原有的汽車匯流排系統,例如CAN等等,並不具備充份的資訊傳送速度以使車輛安全可靠地執行。2018年麥肯錫公司的一份報告顯示,車載乙太網路解決方案是實現和代表車內連接和V2X連接的未來的關鍵。

需求持續增加
據估計,最早到2025年,全部新車中有85%以上都會歸於「互連」車輛的類別之下,並且在歐洲、美國和中國,將會有超過4.7億輛的互連車輛行駛在路上。連網車輛的數量以驚人的速度成長,同時,連接的程度也在與日俱增,這已經帶來了資料的爆炸。麥肯錫公司的一份報告預測說,連網汽車每小時會產生多達25GB的資料,而預計自動駕駛車每小時則會產生近500GB的資料(相當於每天4,000GB)。資料的來源包括感測器和攝影機、聲波定位儀和雷達、光達和GPS系統,以及一系列的安全、安防及資訊娛樂系統。

英特爾的一份報告也表示,一輛自動駕駛汽車將消耗大約相當於3,000人的資料量。

根據預計,汽車連接元件,包括模組、充電器、交換機和閘道,將會以幾乎即時的方式來移動並處理那些資料。要實現對於這種處理能力的超常需求,要求採取特別的措施,針對相應產生的熱能進行管理。

管理熱量並最佳化冷卻

冷卻系統和設計方法

隨著自動駕駛的來臨,汽車製造商實質上都會將超級電腦或者企業網路交換機之類的等效設備組態到未來的車輛中。讓產生的熱保持在最低程度並且確定散熱的最佳策略,都是關鍵的設計組成部分。理想情況下,自然對流冷卻方法是耗散掉熱能的最具成本效益解決方案,因為該方法並不依賴於額外的元件,無論該是主動還是被動元件。

業界目前正廣泛地採用液體冷卻解決方案來抵消產生的熱量。儘管非常有效,液體冷卻方法會產生額外的成本並且需要進一步的處理(泵機、流體 –– 乙二醇或類似的流體來用於防凍,以及輸送流體的閉路系統)。在自動駕駛車輛中利用流體冷卻來抵消熱量,在長期條件下並不實際或者並不可行,並且,考慮到縮小尺寸的需要,因此需要更多而且更好的熱設計。

除了指定冷卻方法以外,研發工程師們還必須因應汽車設計中與生俱來的許許多多其他挑戰,包括:

  • 安裝要求和其他機械要求
  • 空間限制
  • 自訂及專用的設計參數
  • 當今可用的材料和元件(及其是否能夠應對明日的系統生成的熱量)。大多數IC設計針對的都是IT機房環境,這類環境並不符合汽車業的要求,因此,對於對最終產品可靠性至關重要的熱冷卻來說,又帶來了進一步的挑戰。

模擬並驗證熱管理的設計創新

首先,至關重要的一點是要充份地瞭解汽車產品及其設計對熱管理的影響,包括解決方案的功能、位置等等基本事項,並且要考慮如下的問題並進行規劃:

  • 車輛的空間限制
  • 每個元件的功率級和耗散數及其位置
  • 可以使用的材料:包括材料的最高溫度以及各材料的位置(最終使用者接觸的表面以及安裝時接觸到的表面)
  • 氣流類型(如適用):包括周圍元件、管路、線束等等中的氣流
  • 成本

模擬和驗證工具

在準確可靠的設計過程中,熱設計模型的模擬和驗證都是至關重要的步驟,在汽車的整體設計中有助於預測並解決問題。為了實現這一點,Molex採用一系列的流程,並且利用了形形色色的工具來達到最高程度的準確性與精確性。此外,還能夠在先進實驗室中展開一系列綜合性的內部測試與模擬。

印刷電路板建模改善精度

從事電路板(PCB)的設計時,精度絕對是至關重要的,並且,隨著技術的進步,設計要求的嚴格和苛刻也是前所未有的。我們反覆地進行詳細的測試和模擬,直到模擬結果與經驗資料吻合為止。建模可以帶來安全性並減輕壓力,甚至在設計結果進入製造車間前即可確保正確的發揮作用。Molex對其工程師測試的每個解決方案都採用了以下步驟:

建模

  • 準確的獲取實體資料
  • 功率級別
  • 元件位置
  • PCB佈局(銅線佈局)

銅是一種優秀的導熱體,因此,對銅走線中的熱量建模可以提供充份的細節與精確性(來源:Molex)

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溫度繪圖

• 溫度繪圖可幫助辨識出熱點和其他需要關注的方面

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瞬態模擬、測試與驗證

熱餘裕與資料表評級的比較

• 實驗室與現場監控和效能的比較

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汽車主機系統對模組設計的影響

除了對解決方案進行精確建模之外,還必須考慮到在車內的封裝位置與封裝方式,因為這也會對設計的效果和總成本產生顯著的影響。例如,當計畫將一個元件靠近暖通空調管路進行封裝,那麼氣候就會成為一個重要的因素。其他的考慮事項包括:

  • 模組發熱的位置和內部的熱擴散:顯然,模組的各種封裝方式和不同封裝位置既有各自的優點也有缺點。模組會發熱,因此需要進行設計測量來減輕影響。
  • 入口和層流的氣流量與溫度:讀取環境溫度時通常不會考慮任何氣流因素。因此,,在封閉環境下展開測試,可以代表車輛的實際條件並產生更精確的結果。在車輛內部,這些元件的封裝位置通常存在著管線或線束,或者存在其他類型的封裝限制。
  • 元件的位置:各種元件的位置會影響到熱設計的效能,並且,設計決策中必須考慮到組裝方向、流通特性、阻力和冷卻劑的影響等等因素。
  • 外殼的熱管理:外部的面板資訊點必須保持較低的溫度,由於使用者將在該位置與模組進行互動,因此觸摸時不得過熱。該表面將發揮散熱器的作用,必須採取措施來隔離這部份模組。如果作業不正確,這些表面就會達到攝氏100度。Molex利用PCB的佈局、散熱片和其他方法來確保這些表面符合產業要求。

值得注意的一點是,在車輛中,即使對一個單獨的元件做出任何改動,都會有意或無意地造成系統層面的變更。對PCB進行改動會導致整個系統發生變化。

散熱效果和熱額定值

案例研究1:更安全的電源模組

一家主要的汽車製造商向Molex提出了一項挑戰性的要求,他們希望為一種模組降低介面溫度,並且指定了該模組需要兩個USB充電埠,而且每個埠都需要能夠輸送60瓦(W)的功率。此外,客戶的互動(前面)表面溫度不得超過攝氏60度。

Molex採用深入的熱力學研究和測試,在PCB的層級上辨識並實施了變更,從而降低客戶的介面溫度。這些改動獲得的結果是,當模組在最高的水準上持續輸出功率的同時,駕駛車和乘客現在可以安全地觸摸可接觸的區域了。

PCB改動前(圖左):挑戰在於滿足前面的溫度規格要求,不得超過攝氏60度。一開始,元件的溫度高達68至69度。PCB改動後(圖右):為了降低前面的溫度,工程師們重新組態PCB佈局,在不犧牲功率的情況下將模組控制在規格範圍內(來源:Molex)

對熱傳遞基本原理的充份理解,以及更好的進行跨部門的協調,實現了汽車級模組(如圖)的開發,可以同時在兩個埠中輸送電力,達到120W總功率

案例研究2:穩健的功率輸出

為了讓供應商根據熱模擬和測試的資料利用供電元件在各種工作條件下達到汽車級的品質,Molex最近開發出一種功率輸出解決方案,能夠在兩個USB-C型埠上達到120W總輸出。在本案例中,元件的功率耗散作為熱模擬的輸入,僅可對一個輸入電壓和電流條件進行計算,因為其中的IC屬於最新開發的產品。

同樣地,我們並不完全清楚主動元件和系統在極廣的工作電壓、環境溫度以及各種功率輸出範圍內的效率,而這些因素都會推動最終的機械設計來實現安全的作業效能與功率效能。

為了克服這些問題,Molex採用一組WCCA值,以使用開放式PCB的紅外線影像和熱電偶資料來測量溫度,從而了解模擬和測試之間的相關性(如下圖)。採用模擬DOE和測試之間的相關性,對機械封裝進行了最佳化,其中涉及輸出功率值和輸入電壓的各種組合。以嚴格的測試辨識出在較低的輸入電壓下效率有所降低,並將其納入考慮,從而實現安全且最佳的功率效能。

模擬中的等溫線圖(圖左);PCB的紅外影像(圖右)

— 本文作者:Molex交通運輸事業部新產品開發經理Gary Manchester、機械工程經理Don Mueller、CAE 工程師Kiran Vanumati