明日移动的热管理

文章：MOLEX

这些趋势仅加速，（近的）未来的汽车比以往任何时候都更加联系 - 这是对处理能力的巨大需求以及在新的汽车设计中传输大​​量高速数据的能力。万博投注网址

这场竞赛正在进行中——与过去十年左右的PC竞赛并没有什么不同。在那个市场上，竞争非常激烈，看谁能推出功能最强大、体积最小、重量最轻的笔记本电脑，最重要的是，能快速、轻松地处理体积和复杂性不断增长的数字数据文件。

在汽车市场，设计挑战不仅仅是提供处理能力和高速数据传输。设计工程师还必须在严格的汽车包装要求和环境温度波动的限制下，安全地管理这些过程产生的热量，同时坚持汽车行业严格的安全性和可靠性标准。

事实上，这是一个挑战。

考虑到汽车制造商及其供应商所面临的具体设计问题，与热管理相关的挑战可以分为两个基本的重点领域:

1.了解对电子元件日益增长的需求，以确保设备设计将产生最少的热量
2.设计将有助于管理热量并优化这些极端温度的冷却，经常封闭，封闭式骚扰环境

解决这些挑战是没有简单的壮举，它都以适当的电气和机箱设计开头，以提供高效且经济高效的热管理。万博投注网址

模块定义和最新进展

由于消费电子产品增殖，因此需要更高的性能汽车网络，媒体模块和更强大的充电器，以满足驱动程序和乘客连接到汽车的设备的需求以及将支持高级安全功能的网络未来的车辆。同时，前瞻性自动化制造商对于一种更简化和强大的汽车网络解决方案，能够处理当今车辆内产生大量数据的更精简和强大的汽车网络解决方案。因此，在汽车电子元件和器件中取得了重要进步，这些进程越来越多地技术先进，但需要创新的热管理策略来消散产生的热量。

在我们讨论旨在管理热问题的各种设计方法之前，让我们先明确汽车设计师所使用的几个定义和基本框架:

媒体模块

汽车介质模块使得多个I / O端口连接类型（例如USB，HDMI，以太网和SD存储卡）能够集成，以满足无缝通信的最终系统要求，以越来越多的客户使用的设备数量创建连接的车辆。介质模块可以连接到汽车并提供保持我们连接所需的充电电源。

基于几十年的消费者设备开拓解决方案，Molex工程师了解独特的连接要求，并且能够导航和设计，甚至是最严格的汽车标准。我们的客户依赖于深层专业知识来充分了解他们所需要的产品和设计最佳的模块解决方案。

充电器

随着爆炸式信息娱乐的增长，汽车正在设计有多个充电器以及包含USB-A和C型接口的各种充电器类型。

对于要求更高的应用，Molex设计定制车载智能充电器，遵循设备的外形，提供设备万博投注网址制造商定义的最大功率和最高效的充电过程。它们也有内置的保护电路，以保护设备从短路和过流条件。最终，增加的安全保护和工程确保了一个更强大的充电器和快速，有效的充电司机和乘客。
在设计阶段，Molex指定和工程师提供充电器，以满足汽车客户的封装和电源要求。通过热建模和环境需求分析，并在实验室进行性能验证，充分验证充电器接口，满足客户的性能和包装需求。

我们的充电器热解决方案考虑了工程师面临的各种挑战——无论是机械、电气还是软件——以实现最佳的热和功率性能为目标。此外，Molex还采用了最新的汽车技术和先进的热设计，以尽可能小的形式创造出高效、经济的解决方案。

以太网网关和交换机

真正的自主车辆需要最高的安全性，优先级，可靠性和性能。遗留汽车总线系统，如可以，没有速度向车辆提供安全性和可靠地执行信息。根据2018麦肯锡报告1，汽车以太网解决方案是一个关键的推动因素，代表车载车载和V2X连接的未来。Molex 10G多态以太网网络平台是一种能够处理所有组合的invehicle连接需求的领先解决方案。

Molex是以太网技术的前沿，也是业内首家在集成汽车平台上提供10G速度的公司。Molex结合了公司在网络、工业和数据通信市场的设计和制造方面的悠久历史和专业知识，以及20年来在工业市场的软件开发和集成方面的专业知识，开发了创新的以太网平台，以满足机械尺寸、电气布局、连接车辆的热要求和软件要求。

需求持续增长

据估计，早在2025年，超过85%的新车将被归类为“联网”，欧洲、美国和中国的道路上将有超过4.7亿辆联网汽车。联网车辆的数量惊人——以及联网水平的不断提高——已经造成了数据爆炸。麦肯锡公司(McKinsey & Company)的一份报告估计，联网汽车每小时可产生高达25GB的数据，而自动驾驶汽车预计每小时可产生高达500gb的数据(相当于每天4000 GB的数据)。这些数据将来自传感器和摄像头、声纳和雷达、激光雷达和GPS系统，以及一系列安全和信息娱乐系统。

根据英特尔(Intel)的一份报告，一辆自动驾驶汽车消耗的数据量大约相当于3000人。

汽车连接组件——模块、充电器、开关和网关——预计将几乎实时移动和处理这些数据。这种对处理能力的非凡需求需要非凡的措施来管理由此产生的热能。

管理热量和优化冷却

冷却系统和设计方法

随着自动驾驶技术的出现，汽车制造商基本上是在为未来的汽车安装一台相当于超级计算机或企业网络交换机的设备。最大限度地减少热量的产生和确定最佳的散热策略都是关键的设计要素。理想情况下，自然对流冷却方法是耗散热能的最经济有效的解决方案，因为它不依赖额外的组件，无论是主动的还是被动的。

目前，该行业广泛使用液冷解决方案来抵消产生的热量。液体冷却方法虽然有效，但会产生额外的成本和处理(泵、液体-乙二醇或类似的防止冻结的东西，以及一个封闭的系统来传输液体)。在自动驾驶汽车中使用液体冷却来抵消热量是不现实的，也不可能是长期的，再加上需要缩小尺寸，这就需要更多更好的热设计。万博投注网址

除了指定冷却方法，研发工程师还必须解决汽车设计中固有的无数其他挑战，包括:

• 安装和其他机械要求
• 空间的限制
• 自定义和特定于应用的设计参数
• 目前可用的材料和部件(以及它们处理未来系统产生的热量的能力或能力)。大多数集成电路都是为IT机房环境设计的，这些环境不能满足汽车工业的要求，因此增加了对最终产品可靠性至关重要的热冷却的挑战。

热管理的模拟和验证设计创新

首先，必须充分了解汽车产品和设计对热管理的影响，包括解决方案的功能、位置等基础知识，并考虑和计划以下事项:

• 汽车空间约束
• 每个部件和位置的功率级和耗散数
• 可用于使用的材料，包括最大材料温度和每个位置（最终用户触点曲面与安装接触表面）
• 气流类型(如有)包括在周围的组件，管道，束等。
• 成本

仿真和验证工具

热设计模型的仿真和验证是生成准确和可信设计的关键步骤，并有助于预测和解决汽车整体设计中的问题。为了实现这一目标，Molex采用了多种工艺和各种工具，以达到最高水平的精度和精度。此外，Molex有能力在公司最先进的实验室里进行全面的内部测试和模拟。

PCB建模提高精度

在设计电路板时，准确性绝对是至关重要的，随着技术的进步，设计要求比以往任何时候都更加严格。详细的测试和模拟进行了迭代，直到模拟结果与经验数据相关。建模既提供了安全性，又让人安心，让设计在进入生产车间之前就能正常工作。Molex对其工程师测试的每个解决方案采用以下步骤:

造型

• 准确捕捉物理

• 电力水平

• 组件的位置

• PCB布局(铜布局)

  

• 铜是优异的热导体，因此，在铜迹线中建模热量提供细节和准确性*

  

温度策划

•温度绘图有助于识别热点和其他关注领域

瞬态模拟，测试和验证热边距与数据纸张额定值

•实验室和现场监测和性能

汽车主机系统对模块设计的影响
除了对解决方案进行精确建模之外，还必须考虑它在车辆中的位置和包装方式，因为这也会对设计的有效性和总体成本产生重大影响。例如，如果一个组件计划被包装在HVAC管道附近，气候可能是一个重要的因素。额外的注意事项包括:

•模块热位置和内部热扩散
显然，封装模块的方式和位置都有利有弊。模块会产生热量，因此需要设计措施来减轻影响。例如，Molex的许多解决方案都采用嵌入式模块，即将模块接口嵌入车辆的仪表盘，而实际的模块则位于其他地方，这样热量可以更容易地排出或消散。

进气道和层流气流和温度
环境温度通常是在没有任何气流的情况下读取的，因此，测试是在封闭的环境中进行的，可以代表车辆的实际情况，产生更准确的结果。在车辆内，这些类型的组件通常被包装在有管道或线束或其他类型的包装约束的区域。

•组件的放置
各种部件的放置会影响热设计性能，必须考虑诸如装配方向、流动特性、阻力和冷却剂效果等设计决策。

•外壳热管理
外面面板必须具有较低的温度，因为这是用户与模块交互的地方，所以它不得太热到触摸。该表面将充当散热器，必须采取步骤来隔离模块的这部分。如果没有正确完成，这些表面可以达到100摄氏度的温度，Molex工程师利用电路板布局，散热器和其他方法来确保这些表面满足行业要求。值得注意的是，在车辆中甚至是单个组件的任何和所有更改都可能导致预期或意外的系统级更改。对PCB布局进行更改可能会导致整个系统的变化。

热结果和评分

案例研究#1:更安全的电源模块

另一家顶级汽车制造商要求Molex降低其中一个模块的接口温度，规定该模块需要两个USB充电端口，每个端口必须能够提供60W的功率。此外，客户交互(正面)表面温度不能超过60摄氏度。

深入的热研究和测试帮助Molex确定并实施了董事会层面的变化，以降低客户界面温度。由于这些变化，现在当模块以最大电平连续输出功率时，触摸可达区域是安全的。

在更改PCB之前(如下图):挑战是满足前表面温度不超过60摄氏度的规格。最初，该组件的温度为68至69摄氏度。

更改PCB后(如下图):为了降低前表面温度，Molex工程师重新配置了PCB布局，能够在不牺牲功率的情况下使模块符合规格。

了解了传热的基本原理和更好的跨功能协调之后，开发出了一种汽车级模块(见下文)，它可以同时在两个端口发送总计120瓦的功率。

案例研究#2:强劲的电力输送

Molex正积极推动供应商根据各种工况下的热模拟和测试数据，生产符合汽车标准的电源部件。我们最近开发了一个能在两个USB-C类型端口上输出120W的电源交付解决方案。在这种情况下，由于集成电路是新开发的，用于热模拟的器件的功耗只能在一种输入电压和电流条件下计算。

因此，对于各种工作电压，环境温度和各种功率输出，所有的活动组件和系统的效率都没有完全已知，所有这些都不会推动最终的机械设计以进行安全操作和功率性能。

为了克服这些问题，Molex使用一组WCCA值来通过使用红外图像和Open PCB的热电偶数据测量仿真和测试之间的相关性。利用仿真DOE的相关性进行了优化机械包装，并测试覆盖输出功率值和输入电压的各种组合的测试。通过严格的测试确定较低输入电压下的红色CED效率，并占用
实现安全、最佳的动力性能。

独特的有利点

如今，数据完整性和处理能力对于支持智能和自动驾驶汽车的发展至关重要，而Molex是唯一有资格支持汽车行业激动人心的互联时代的企业。

Molex拥有开创性的电缆，连接器，交换机，媒体模块，网关等高速，高带宽解决方案以及多种行业的高密度网络应用的热策略 - 从数据密集型超级计算，超级和企业数据中心到电信崎岖工业和汽车。

经过验证的工程协议

此外，Molex还开发了严格的工程协议，为开发领先的热管理解决方案奠定了坚实的基础。不当的热管理可能导致性能差，可靠性问题，缩短产品寿命和安全问题。

Molex在热设计中带来了数十年的经验，并提供了创新的解决方案，以满足未来连接的车辆中热管理的挑战。

仿真中的温度等高曲线图

案例分析：

Molex最近开发了一种能在两个USB-C类型端口上输出120W的电源交付解决方案。当电子元件制造商正在开发更新的电源元件时，Molex正在推动供应商根据各种运行条件下的热模拟和测试数据，使其符合汽车标准。

由于集成电路是新开发的，因此只能计算出一种输入电压和电流条件下用于热模拟的器件的功耗。

活动部件和系统的效率对于广泛的工作电压，环境温度和各种电源输出不完全清楚，这将推动最终的机械设计以进行安全操作。Molex使用一组WCCA值来通过使用红外图像和接通PCB的热电偶数据测量模拟和测试之间的相关性。下面的图片显示了开放式PCB的仿真和测试数据之间的相关性。使用仿真DOE的相关性进行优化机械包装，并测试覆盖各种输出功率值和输入电压的组合。通过严格的测试确定较低输入电压下的效率降低，并占​​据了效率。Molex开发的基于彻底的热设计具有汽车级电力输送解决方案。

开放PCB的红外图像

- Gary Manchester，运输事业部新产品开发经理;机械工程经理Don Mueller;基兰·瓦努马蒂，Molex CAE工程师