這些趨勢的發展速度會只增不減，而未來（不久的將來）的汽車將會具有比以往任何時候都高的連接能力–并且，那樣在新的汽車設計中就會同時針對處理能力和傳輸海量高速數據的能力產生巨大的需求。

這場競爭已展開–而且，與過去十年間大家見證的個人電腦領域的那場競賽有所不同。在那個市場上，通過一場激烈的競爭就能最終發現誰是獲勝者是那些性能強大的電腦都具有尺寸小巧，重量輕，最重要的是功能齊全卻能輕松處不斷增長的復雜數據。

在汽車市場，設計上的挑戰要遠遠超出電源傳輸和高速數據處理能力。設計工程師們還必須在汽車總體設計的嚴格要求的局限下，對各個流程生成的熱以及環境溫度的波動進行安全的管理，同時遵循汽車行業在安全性和可靠性方面的嚴格標準要求。

的確，那是一項挑戰。

在思索汽車制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基本的關注方面：

1. 了解對電子元件不斷增長的需求，確保設備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并且常常是封閉的、條件更加苛刻的環境下，設計出的外殼將有助于管理熱量并優化冷卻

解決這些挑戰并非易事，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。

模塊的定義和最新的進展

隨著消費性電子產品使用的激增，對于性能更高的汽車網絡、媒體模塊以及更高功率充電器的需求也在不斷增長，這樣才能滿足駕駛員和乘客與車輛進行連接的需求，并且，對于在未來車輛中支持各種先進的安全功能的網絡的需求也在飛速增長。與此同時，具有前瞻性的汽車制造商也在大力呼吁進一步的簡化汽車網絡解決方案并提高其能力，從而處理當今車輛內部隨時生成的大量數據。如此一來，在汽車電子元件和電子設備上就已經取得了重要的進展，使這些元件和設備的技術越來越先進，但是也需要創新性的熱管理策略來耗散掉生成的熱。

在討論致力于管理熱問題的形形色色的設計方法前，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框架：

媒體模塊

汽車媒體模塊可實現多種類型的I/O端口連接的集成，例如USB、HDMI、以太網以及SD存儲卡等等，從而滿足末端系統的要求，實現與數量與日俱增的各種設備的無縫通信，客戶會使用這些設備來生產互連車輛。媒體模塊使連接到汽車并提供所需的充電電源成為了可能，讓我們時刻保持連接。

莫仕的工程師們在數十年豐富經驗的基礎上，為面向消費者的設備開發領先的解決方案，他們充分的了解連接上的獨特要求，并且能夠按照最嚴格的汽車業標準從事設計。我們的客戶充分依靠這種深入的專家經驗來融會貫通自身的真正需求，設計出最佳的模塊解決方案。

莫仕的多端口媒體中心提供最先進的智能充電支持

特點與優勢：USB-A 和 Type C 接口、USB 2.0 和 3.1 支持、BC 1.2、MFI、Type C 和 PD 充電協議、AppleCarPlay、Android Auto和 CarLife 主機共享支持、SD 卡、級聯式集線器以及 LED 照明

充電器

車載信息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充電器以及多種類型的充電器，從而同時整合起 USB-A 和 Type C 接口。

對于要求更高的應用，莫仕可以設計出符合設備外形的定制車載智能充電器，提供設備制造商定義的最高功率以及效率最高的充電過程。它們還內置了保護電路，使設備免受短路和過流條件的影響。這些添加進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，莫仕可以指定充電器的規格并完成設計，滿足汽車業客戶在封裝和功率方面設定的全面要求。通過熱建模以及對環境要求的分析，以及之后在實驗室中進行的性能驗證，充電器接口經過充分的驗證可滿足客戶對性能和封裝的要求。

對于為工程師帶來挑戰的一整套變量 – 無論是在機械、電氣還是軟件方面，我們為充電器提供的散熱解決方案都已將其納入考量，目標則是達到最優的熱性能與動力性能。此外，莫仕還采用了最新的汽車技術與熱設計上的最新進展，從而以最小的尺寸來實現極具成本效益的高效解決方案。

莫仕智能充電器解決方案

特點與優勢：汽車級 USB-A、Type C接口和BC 1.2、Apple MFI Type C、QC 3.0/4.0，以及可選裝 LED 鹵素照明一和燈罩的 PD 充電協議

以太網網關和交換機

真正的自動駕駛汽車需要最高程度的安全性、優先級劃分、可靠性以及性能。原有的汽車總線系統，例如CAN等等，并不具備充分的信息傳送速度以使車輛安全可靠的運行。2018年麥肯錫公司的一份報告顯示1，車載以太網解決方案是賦予能力的關鍵所在，代表了車內連接和V2X連接的未來。莫仕的10G多區域以太網絡平臺是一種行業領先的解決方案，能夠處理車內連接提出的綜合性需求。

莫仕現在處于以太網技術的前沿領域，是業內第一家在集成的汽車平臺上提供10G速度的企業。莫仕將公司在網絡、工業和數據通信市場上從事設計和制造業務的悠久歷史及專家經驗與工業市場上20年來的軟件開發與集成經驗完美的結合到一起，開發出了創新性的以太網平臺，良好滿足互連車輛在機械尺寸、電氣布局和散熱上的需求以及軟件方面的要求。

需求持續增長

據估計2，最早到 2025 年，全部新車中的 85% 以上都會歸于“互連”車輛的類別之下，并且在歐洲、美國和中國，將會有超過4.7億輛的互連車輛行駛在路上。互連車輛的數量以驚人的速度增長–同時，連接的程度也在與日俱增，這已經帶來了數據的爆炸。麥肯錫公司的一份報告預測說，互連汽車每小時會生成多達 25 GB 的數據，而預計自動駕駛汽車每小時則會生成近 500 GB 的數據（相當于每天 4,000 GB）。數據的來源包括傳感器和攝像頭、聲波定位儀和雷達、激光雷達和GPS系統，以及一系列的安全、安防及信息娛樂系統。

英特爾的一份報告表示，一輛自動駕駛汽車將消耗大約相當于 3,000 人的數據量。

根據預計，汽車連接組件–模塊、充電器、交換機和網關–將會以幾乎實時的方式來移動并處理那些數據。那種對于處理能力的超常需求要求采取特別的措施，對相應產生的熱能進行管理。

管理熱量并優化冷卻

冷卻系統和設計的方法

隨著自動駕駛的來臨，汽車制造商實質上都會將超級計算機或者企業網絡交換機之類的等效設備配置到未來的車輛當中。將生熱保持在最低程度并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消散掉熱能的最具成本效益的解決方案，因為該方法并不依賴于額外的組件，無論該組件是有源還是無源的。

業界目前正在廣泛的采用液體冷卻解決方案來抵消生成的熱量。盡管非常有效，液體冷卻方法會產生額外的成本并且需要進一步的處理（泵機、流體–乙二醇或類似的流體來用于防凍，以及輸送流體的閉路系統）。在自動駕駛車輛中通過流體冷卻來抵消熱量，在長期條件下并不實際或者并不可行，并且，考慮到縮小尺寸的需要，會產生更多的需求并要求提供更好的熱設計。

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

安裝要求和其他機械要求

空間限制

定制及專用的設計參數

當今可用的材料和組件（及其是否能夠–或者不能夠–應對明日的系統生成的熱量）。大多數集成電路設計針對的都是 IT 機房環境，這類環境并不符合汽車業的要求，因此，對于對最終產品的可靠性至關重要的熱冷卻來說，又帶來了進一步的挑戰。

模擬并驗證熱管理上的設計創新

首先，至關重要的一點是要充分的了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，并且要考慮如下之類的問題并進行規劃：

車輛的空間限制

每個組件的功率級別和耗散數及其位置

可以使用的材料：包括材料的最高溫度以及各材料的位置（最終用戶的接觸表面以及安裝的接觸表面）

氣流類型（如有）：包括周圍組件、管路、線束等等中的氣流

成本

仿真和驗證工具

熱設計模型的仿真和驗證在準確可靠的設計的生成過程中都是至關重要的步驟，在汽車的整體設計中有助于預測并解決問題。為了實現這一點，莫仕采用了一系列的流程，并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，莫仕能夠在公司頂尖的實驗室中開展一系列綜合性的內部測試與仿真。

印刷電路板建模改善精度

從事電路板的設計時，精度絕對是至關重要的，并且，隨著技術的進步，設計要求也變得比以往任何時候都要嚴格和苛刻。我們反復的進行詳細的測試和仿真，直到仿真結果與經驗數據吻合為止。建模可以帶來安全性并減輕壓力，甚至在設計結果進入制造車間前即可確保正確的發揮作用。莫仕對其工程師測試的每個解決方案都采用了以下步驟：

建模

準確的獲取物理數據

功率級別

組件位置

印刷電路板布局（銅線布局）

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分的細節與精確性

溫度繪圖

溫度繪圖可幫助識別出熱點和其他值得關注的方面

瞬態仿真、測試與驗證

熱裕量與數據表評級

實驗室與現場的監控和性能

汽車主機系統對模塊設計的影響

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。比如說，如果計劃將一個組件靠近暖通空調管路進行封裝，那么氣候會成為一個重要的因素。其他的考慮事項包括：

模塊發熱的位置和內部的熱擴散

顯然，模塊的封裝方式和封裝位置既有優點也有缺點。模塊會發熱，因此需要進行設計測量來減輕影響。例如，莫仕的許多解決方案都采用了嵌入式模塊，其中模塊的接口嵌入到車輛的儀表板中，而實際的模塊則位于其他位置，因此可以更加方便的排放或者耗散掉熱量。

入口和層流的氣流量與溫度

環境溫度在讀取時通常不會考慮任何氣流因素，如此一來，在封閉環境下開展了測試，可以代表車輛的實際條件并生成更精確的結果。在車輛內部，這些各型組件的封裝位置通常存在著管線或線束，或者會存在其他類型的封裝限制。

組件的位置

各種組件的位置會影響到熱設計的性能，并且，設計決策中必須考慮到裝配方向、流通特性、阻力和冷卻劑的影響等等因素。

外殼的熱管理

外部的面板信息點必須保持較低的溫度，由于在該位置處用戶將與模塊進行互動，因此觸摸時不得過熱。該表面將發揮散熱器的作用，必須采取措施來隔離開這部分模塊。如果操作不正確，這些表面就會達到100攝氏度。莫仕的工程師們充分利用了電路板的布局、散熱片和其他方法來確保這些表面符合行業要求。

需要注意的重要一點就是，在車輛中，即使對一個單獨的組件做出任何改動，都會有意或無意的造成系統水平的更改。對印刷電路板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：更安全的電源模塊

另一家頂級的汽車制造商向莫仕提出挑戰，要求為一種模塊來降低接口溫度，指定了該模塊需要兩個 USB 充電端口，而且每個端口都需要能夠輸送 60 瓦的功率。此外，客戶的交互（前面）表面的溫度不得超過 60 攝氏度。

深入的熱力學研究和測試協助了莫仕在電路板的級別上識別并實施了更改，從而降低客戶的接口溫度。這些改動獲得的結果是，當模塊在最高的水平上持續輸出功率的同時，現在可以安全的觸摸可接觸的區域了。

印刷電路板改動前（下左）：挑戰在于滿足前面的溫度規格要求，不得超過 60 攝氏度。一開始，組件的溫度保持在 68-69 攝氏度。印刷電路板改動后（下右）：為了降低前面的溫度，莫仕的工程師們重新配置了印刷電路板的布局，能夠在不犧牲功率的情況下將模塊控制在規格的范圍內。

對熱傳遞基本原理的充分理解，以及更好的進行跨部門的協調，實現了汽車級模塊（參見下圖）的開發，可以同時在兩個端口中輸送電力，達到 120 瓦的總功率。

案例研究 2：穩健的功率輸出

莫仕積極的推動供應商在各種工作條件下，根據熱仿真和測試的數據來使供電組件達到汽車級的質量。我們最近開發出的一種功率輸出解決方案能夠在兩個USB-C型端口上達到120瓦的總輸出。在本案例中，組件的功率耗散作為熱仿真的輸入，僅可對一個輸入電壓和電流條件進行計算，因為其中的集成電路屬于最新開發的產品。

同樣，在極廣的工作電壓、環境溫度以及各種功率輸出的范圍內，我們并不完全清楚有源組件和系統的效率，而這些因素都會推動最終的機械設計來實現安全的操作性能與功率性能。

為了克服這些問題，莫仕采用了一組WCCA值，通過使用開放式印刷電路板的紅外圖像和熱電偶數據來測量溫度，從而開發出仿真和測試之間的相關性。采用仿真 DOE 和測試之間的相關性，對機械封裝進行了優化，其中涉及到輸出功率值和輸入電壓的各種組合。通過嚴格的測試識別出在較低的輸入電壓下效率有所降低，并將其納入考慮，從而實現安全且最優的功率性能。

獨一無二的優勢

當今，數據完整性和處理能力發揮著至關重要的作用，為車輛和自動駕駛車輛的發展提供了有力的支持，而莫仕則具有獨一無二的資格，為汽車業中這一激動人心的連接時代提供大力支持。

莫仕開拓性的開發出了各種線纜、連接器、交換機、媒體模塊、網關和其他高速高帶寬的解決方案以及熱策略，適合形形色色行業中的高密度網絡應用使用 — 從數據密集型的超級計算、超大規模和企業數據中心一直到電信、到苛刻的工業和汽車業應用。

久經考驗的工程協議

此外，莫仕還開發出了嚴格的工程協議，作為一個可靠的基礎來開發各種領先的熱管理解決方案。熱管理不當則會造成性能不佳、可靠性問題、產品壽命縮短，以及安全上的關切問題。

莫仕充分應用數十年來在熱設計領域積累的豐富經驗，提供各種創新性的解決方案，良好應對未來互連車輛熱管理上的挑戰。

案例研究：

莫仕最近開發出的一種功率輸出解決方案能夠在兩個USB-C 型端口上達到 120 瓦的總輸出。盡管電子元件制造商都在開發更新型的電源組件，莫仕不斷推動著供應商在各種工作條件下，根據熱仿真和測試的數據來達到汽車級的質量。

組件的功率耗散作為熱仿真的輸入，僅可對一個輸入電壓和電流條件進行計算，因為其中的集成電路屬于最新開發的產品。

在極廣的工作電壓、環境溫度以及各種功率輸出的范圍內，我們并不完全清楚有源組件和系統的效率，而這些因素都會推動最終的機械設計來實現安全的操作。莫仕采用了一組 WCCA 值，通過使用開放式印刷電路板的紅外圖像和熱電偶數據來測量溫度，從而開發出仿真和測試之間的相關性。下圖說明了開放式印刷電路板的仿真和測試數據之間的相關性。采用仿真 DOE 和測試之間的相關性，對機械封裝進行了優化，其中涉及到輸出功率值和輸入電壓的各種組合。通過嚴格的測試識別出在較低的輸入電壓下效率有所降低，并將其納入考慮。莫仕已通過熱設計成功開發出了汽車級的功率輸出解決方案。

左圖：仿真中的等溫線圖 右圖：開放式印刷電路板的紅外圖像

（作者：GARY MANCHESTER，交通運輸事業部新產品開發經理；DON MUELLER，機械工程經理；KIRAN VANUMATI，CAE工程師│莫仕公司（Molex））
編輯：hfy