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探索互联汽车之未来车辆的热管理解决方案

时间:2019-05-10 阅读:
随着对计算机的计算速度和能力要求越来越高,颠覆性的技术出现使得汽车行业目前在连接方面正在经历一场激动人心的转型。各种改动、更新和改进几乎每天都在发生,使得汽车制造商竞相向消费者提供最新的安全与通信技术,以及最优的功能性。

这些趋势的发展速度会只增不减,而未来(不久的将来)的汽车将会具有比以往任何时候都高的连接能力–并且,那样在新的汽车设计中就会同时针对处理能力和传输海量高速数据的能力产生巨大的需求。HIMednc

这场竞争已展开–而且,与过去十年间大家见证的个人电脑领域的那场竞赛有所不同。在那个市场上,通过一场激烈的竞争就能最终发现谁是获胜者是那些性能强大的电脑都具有尺寸小巧,重量轻,最重要的是功能齐全却能轻松处不断增长的复杂数据。HIMednc

在汽车市场,设计上的挑战要远远超出电源传输和高速数据处理能力。设计工程师们还必须在汽车总体设计的严格要求的局限下,对各个流程生成的热以及环境温度的波动进行安全的管理,同时遵循汽车行业在安全性和可靠性方面的严格标准要求。HIMednc

的确,那是一项挑战。HIMednc

在思索汽车制造商及其供应商面临的具体设计问题时,与热管理有关的挑战可以划分为两个基本的关注方面:HIMednc

1.   了解对电子元件不断增长的需求,确保设备设计产生的热量可保持在最低程度HIMednc

2.   在这类具有极端温度并且常常是封闭的、条件更加苛刻的环境下,设计出的外壳将有助于管理热量并优化冷却HIMednc

解决这些挑战并非易事,一切都要从适宜的电气设计和外壳设计开始,从而提供成本效益高又极具效率的热管理效果。HIMednc

模块的定义和最新的进展

随着消费性电子产品使用的激增,对于性能更高的汽车网络、媒体模块以及更高功率充电器的需求也在不断增长,这样才能满足驾驶员和乘客与车辆进行连接的需求,并且,对于在未来车辆中支持各种先进的安全功能的网络的需求也在飞速增长。与此同时,具有前瞻性的汽车制造商也在大力呼吁进一步的简化汽车网络解决方案并提高其能力,从而处理当今车辆内部随时生成的大量数据。如此一来,在汽车电子元件和电子设备上就已经取得了重要的进展,使这些元件和设备的技术越来越先进,但是也需要创新性的热管理策略来耗散掉生成的热。HIMednc

在讨论致力于管理热问题的形形色色的设计方法前,我们先来明确几个定义,以及汽车设计人员在其中运作的基本框架:HIMednc

媒体模块HIMednc

汽车媒体模块可实现多种类型的I/O端口连接的集成,例如USB、HDMI、以太网以及SD存储卡等等,从而满足末端系统的要求,实现与数量与日俱增的各种设备的无缝通信,客户会使用这些设备来生产互连车辆。媒体模块使连接到汽车并提供所需的充电电源成为了可能,让我们时刻保持连接。HIMednc

莫仕的工程师们在数十年丰富经验的基础上,为面向消费者的设备开发领先的解决方案,他们充分的了解连接上的独特要求,并且能够按照最严格的汽车业标准从事设计。我们的客户充分依靠这种深入的专家经验来融会贯通自身的真正需求,设计出最佳的模块解决方案。HIMednc

莫仕的多端口媒体中心提供最先进的智能充电支持HIMednc

特点与优势:USB-A 和 Type C 接口、USB 2.0 和 3.1 支持、BC 1.2、MFI、Type C 和 PD 充电协议、AppleCarPlay、Android Auto和 CarLife 主机共享支持、SD 卡、级联式集线器以及 LED 照明HIMednc

充电器HIMednc

车载信息娱乐系统呈爆炸性增长的趋势,因而汽车的设计都配备了多个充电器以及多种类型的充电器,从而同时整合起 USB-A 和 Type C 接口。HIMednc

对于要求更高的应用,莫仕可以设计出符合设备外形的定制车载智能充电器,提供设备制造商定义的最高功率以及效率最高的充电过程。它们还内置了保护电路,使设备免受短路和过流条件的影响。这些添加进的安全保护功能和工程措施最终可以实现更加稳健的充电器产品,为驾驶员和乘客提供快速、高效的充电功能。HIMednc

在设计阶段,莫仕可以指定充电器的规格并完成设计,满足汽车业客户在封装和功率方面设定的全面要求。通过热建模以及对环境要求的分析,以及之后在实验室中进行的性能验证,充电器接口经过充分的验证可满足客户对性能和封装的要求。HIMednc

对于为工程师带来挑战的一整套变量 – 无论是在机械、电气还是软件方面,我们为充电器提供的散热解决方案都已将其纳入考量,目标则是达到最优的热性能与动力性能。此外,莫仕还采用了最新的汽车技术与热设计上的最新进展,从而以最小的尺寸来实现极具成本效益的高效解决方案。HIMednc

莫仕智能充电器解决方案HIMednc

特点与优势:汽车级 USB-A、Type C接口和BC 1.2、Apple MFI Type C、QC 3.0/4.0,以及可选装 LED 卤素照明一和灯罩的 PD 充电协议HIMednc

以太网网关和交换机

真正的自动驾驶汽车需要最高程度的安全性、优先级划分、可靠性以及性能。原有的汽车总线系统,例如CAN等等,并不具备充分的信息传送速度以使车辆安全可靠的运行。2018年麦肯锡公司的一份报告显示1,车载以太网解决方案是赋予能力的关键所在,代表了车内连接和V2X连接的未来。莫仕的10G多区域以太网络平台是一种行业领先的解决方案,能够处理车内连接提出的综合性需求。HIMednc

莫仕现在处于以太网技术的前沿领域,是业内第一家在集成的汽车平台上提供10G速度的企业。莫仕将公司在网络、工业和数据通信市场上从事设计和制造业务的悠久历史及专家经验与工业市场上20年来的软件开发与集成经验完美的结合到一起,开发出了创新性的以太网平台,良好满足互连车辆在机械尺寸、电气布局和散热上的需求以及软件方面的要求。HIMednc

需求持续增长

据估计2,最早到 2025 年,全部新车中的 85% 以上都会归于“互连”车辆的类别之下,并且在欧洲、美国和中国,将会有超过4.7亿辆的互连车辆行驶在路上。互连车辆的数量以惊人的速度增长–同时,连接的程度也在与日俱增,这已经带来了数据的爆炸。麦肯锡公司的一份报告预测说,互连汽车每小时会生成多达 25 GB 的数据,而预计自动驾驶汽车每小时则会生成近 500 GB 的数据(相当于每天 4,000 GB)。数据的来源包括传感器和摄像头、声波定位仪和雷达、激光雷达和GPS系统,以及一系列的安全、安防及信息娱乐系统。HIMednc

英特尔的一份报告表示,一辆自动驾驶汽车将消耗大约相当于 3,000 人的数据量。HIMednc

根据预计,汽车连接组件–模块、充电器、交换机和网关–将会以几乎实时的方式来移动并处理那些数据。那种对于处理能力的超常需求要求采取特别的措施,对相应产生的热能进行管理。HIMednc

管理热量并优化冷却

冷却系统和设计的方法HIMednc

随着自动驾驶的来临,汽车制造商实质上都会将超级计算机或者企业网络交换机之类的等效设备配置到未来的车辆当中。将生热保持在最低程度并且确定散热的最佳策略,都是关键的设计组成部分。理想情况下,自然对流冷却方法是消散掉热能的最具成本效益的解决方案,因为该方法并不依赖于额外的组件,无论该组件是有源还是无源的。HIMednc

业界目前正在广泛的采用液体冷却解决方案来抵消生成的热量。尽管非常有效,液体冷却方法会产生额外的成本并且需要进一步的处理(泵机、流体–乙二醇或类似的流体来用于防冻,以及输送流体的闭路系统)。在自动驾驶车辆中通过流体冷却来抵消热量,在长期条件下并不实际或者并不可行,并且,考虑到缩小尺寸的需要,会产生更多的需求并要求提供更好的热设计。HIMednc

除了指定冷却方法以外,研发工程师们还必须应对汽车设计中与生俱来的许许多多的其他挑战,包括:HIMednc

  • 安装要求和其他机械要求
  • 空间限制
  • 定制及专用的设计参数
  • 当今可用的材料和组件(及其是否能够–或者不能够–应对明日的系统生成的热量)。大多数集成电路设计针对的都是 IT 机房环境,这类环境并不符合汽车业的要求,因此,对于对最终产品的可靠性至关重要的热冷却来说,又带来了进一步的挑战。

模拟并验证热管理上的设计创新

首先,至关重要的一点是要充分的了解汽车产品及其设计对热管理的影响,包括解决方案的功能、位置等等基本事项,并且要考虑如下之类的问题并进行规划:HIMednc

  • 车辆的空间限制
  • 每个组件的功率级别和耗散数及其位置
  • 可以使用的材料:包括材料的最高温度以及各材料的位置(最终用户的接触表面以及安装的接触表面)
  • 气流类型(如有):包括周围组件、管路、线束等等中的气流
  • 成本

仿真和验证工具

热设计模型的仿真和验证在准确可靠的设计的生成过程中都是至关重要的步骤,在汽车的整体设计中有助于预测并解决问题。为了实现这一点,莫仕采用了一系列的流程,并且利用了形形色色的工具来达到最高程度的准确性与精确性。此外,莫仕能够在公司顶尖的实验室中开展一系列综合性的内部测试与仿真。HIMednc

印刷电路板建模改善精度

从事电路板的设计时,精度绝对是至关重要的,并且,随着技术的进步,设计要求也变得比以往任何时候都要严格和苛刻。我们反复的进行详细的测试和仿真,直到仿真结果与经验数据吻合为止。建模可以带来安全性并减轻压力,甚至在设计结果进入制造车间前即可确保正确的发挥作用。莫仕对其工程师测试的每个解决方案都采用了以下步骤:HIMednc

建模

  • 准确的获取物理数据
  • 功率级别
  • 组件位置
  • 印刷电路板布局(铜线布局)

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铜是一种优秀的导热体,因此,对铜走线中的热量建模可以提供充分的细节与精确性HIMednc

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温度绘图HIMednc

  • 温度绘图可帮助识别出热点和其他值得关注的方面

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瞬态仿真、测试与验证HIMednc

热裕量与数据表评级HIMednc

  • 实验室与现场的监控和性能

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汽车主机系统对模块设计的影响HIMednc

除了对解决方案进行精确建模之外,还必须考虑到在车内的封装位置与封装方式,因为这也会对设计的效果和总成本产生显著的影响。比如说,如果计划将一个组件靠近暖通空调管路进行封装,那么气候会成为一个重要的因素。其他的考虑事项包括:HIMednc

  • 模块发热的位置和内部的热扩散

显然,模块的封装方式和封装位置既有优点也有缺点。模块会发热,因此需要进行设计测量来减轻影响。例如,莫仕的许多解决方案都采用了嵌入式模块,其中模块的接口嵌入到车辆的仪表板中,而实际的模块则位于其他位置,因此可以更加方便的排放或者耗散掉热量。HIMednc

  • 入口和层流的气流量与温度

环境温度在读取时通常不会考虑任何气流因素,如此一来,在封闭环境下开展了测试,可以代表车辆的实际条件并生成更精确的结果。在车辆内部,这些各型组件的封装位置通常存在着管线或线束,或者会存在其他类型的封装限制。HIMednc

  • 组件的位置

各种组件的位置会影响到热设计的性能,并且,设计决策中必须考虑到装配方向、流通特性、阻力和冷却剂的影响等等因素。HIMednc

  • 外壳的热管理

外部的面板信息点必须保持较低的温度,由于在该位置处用户将与模块进行互动,因此触摸时不得过热。该表面将发挥散热器的作用,必须采取措施来隔离开这部分模块。如果操作不正确,这些表面就会达到100摄氏度。莫仕的工程师们充分利用了电路板的布局、散热片和其他方法来确保这些表面符合行业要求。HIMednc

需要注意的重要一点就是,在车辆中,即使对一个单独的组件做出任何改动,都会有意或无意的造成系统水平的更改。对印刷电路板进行改动会导致整个系统发生变化。HIMednc

散热效果和热额定值

案例研究 1:更安全的电源模块HIMednc

另一家顶级的汽车制造商向莫仕提出挑战,要求为一种模块来降低接口温度,指定了该模块需要两个 USB 充电端口,而且每个端口都需要能够输送 60 瓦的功率。此外,客户的交互(前面)表面的温度不得超过 60 摄氏度。HIMednc

深入的热力学研究和测试协助了莫仕在电路板的级别上识别并实施了更改,从而降低客户的接口温度。这些改动获得的结果是,当模块在最高的水平上持续输出功率的同时,现在可以安全的触摸可接触的区域了。HIMednc

印刷电路板改动前(下左):挑战在于满足前面的温度规格要求,不得超过 60 摄氏度。一开始,组件的温度保持在 68-69 摄氏度。印刷电路板改动后(下右):为了降低前面的温度,莫仕的工程师们重新配置了印刷电路板的布局,能够在不牺牲功率的情况下将模块控制在规格的范围内。HIMednc

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对热传递基本原理的充分理解,以及更好的进行跨部门的协调,实现了汽车级模块(参见下图)的开发,可以同时在两个端口中输送电力,达到 120 瓦的总功率。HIMednc

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案例研究 2:稳健的功率输出HIMednc

莫仕积极的推动供应商在各种工作条件下,根据热仿真和测试的数据来使供电组件达到汽车级的质量。我们最近开发出的一种功率输出解决方案能够在两个USB-C型端口上达到120瓦的总输出。在本案例中,组件的功率耗散作为热仿真的输入,仅可对一个输入电压和电流条件进行计算,因为其中的集成电路属于最新开发的产品。HIMednc

同样,在极广的工作电压、环境温度以及各种功率输出的范围内,我们并不完全清楚有源组件和系统的效率,而这些因素都会推动最终的机械设计来实现安全的操作性能与功率性能。HIMednc

为了克服这些问题,莫仕采用了一组WCCA值,通过使用开放式印刷电路板的红外图像和热电偶数据来测量温度,从而开发出仿真和测试之间的相关性。采用仿真 DOE 和测试之间的相关性,对机械封装进行了优化,其中涉及到输出功率值和输入电压的各种组合。通过严格的测试识别出在较低的输入电压下效率有所降低,并将其纳入考虑,从而实现安全且最优的功率性能。HIMednc

独一无二的优势

当今,数据完整性和处理能力发挥着至关重要的作用,为车辆和自动驾驶车辆的发展提供了有力的支持,而莫仕则具有独一无二的资格,为汽车业中这一激动人心的连接时代提供大力支持。HIMednc

莫仕开拓性的开发出了各种线缆、连接器、交换机、媒体模块、网关和其他高速高带宽的解决方案以及热策略,适合形形色色行业中的高密度网络应用使用 — 从数据密集型的超级计算、超大规模和企业数据中心一直到电信、到苛刻的工业和汽车业应用。HIMednc

久经考验的工程协议HIMednc

此外,莫仕还开发出了严格的工程协议,作为一个可靠的基础来开发各种领先的热管理解决方案。热管理不当则会造成性能不佳、可靠性问题、产品寿命缩短,以及安全上的关切问题。HIMednc

莫仕充分应用数十年来在热设计领域积累的丰富经验,提供各种创新性的解决方案,良好应对未来互连车辆热管理上的挑战。HIMednc

案例研究:HIMednc

莫仕最近开发出的一种功率输出解决方案能够在两个USB-C 型端口上达到 120 瓦的总输出。尽管电子元件制造商都在开发更新型的电源组件,莫仕不断推动着供应商在各种工作条件下,根据热仿真和测试的数据来达到汽车级的质量。HIMednc

组件的功率耗散作为热仿真的输入,仅可对一个输入电压和电流条件进行计算,因为其中的集成电路属于最新开发的产品。HIMednc

在极广的工作电压、环境温度以及各种功率输出的范围内,我们并不完全清楚有源组件和系统的效率,而这些因素都会推动最终的机械设计来实现安全的操作。莫仕采用了一组 WCCA 值,通过使用开放式印刷电路板的红外图像和热电偶数据来测量温度,从而开发出仿真和测试之间的相关性。下图说明了开放式印刷电路板的仿真和测试数据之间的相关性。采用仿真 DOE 和测试之间的相关性,对机械封装进行了优化,其中涉及到输出功率值和输入电压的各种组合。通过严格的测试识别出在较低的输入电压下效率有所降低,并将其纳入考虑。莫仕已通过热设计成功开发出了汽车级的功率输出解决方案。HIMednc

左图:仿真中的等温线图  右图:开放式印刷电路板的红外图像HIMednc

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(作者:GARY MANCHESTER,交通运输事业部新产品开发经理;DON MUELLER,机械工程经理;KIRAN VANUMATI,CAE工程师│莫仕公司(Molex))HIMednc

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