走向更高！ 针对汽车多媒体系统设计的热模拟

作者：Uwe Lautenschlager 博士，大陆汽车

引言

国际汽车 OEM 厂商的系统供应商大陆汽车集团设有三个部门：底盘与安全系统部、动力总成系统部和车身电子系统部。车身电子系统部由四个业务单元组成：仪表与人机界面、信息娱乐与智能通讯、车身与安全和商用车与售后部件及服务。

信息娱乐与智能通讯业务单元的产品包括收音机、具备互联能力的收音机和导航、多媒体系统、嵌入式车载智能通讯解决方案、车载无线通讯系统以及软件与专用解决方案，尤其侧重于娱乐、信息、导航和通讯。


具有音频、导航、互联网、电话、电视和后座娱乐功能的多媒体系统

汽车多媒体系统所面临的一个最大挑战是它们必须在各种环境条件下工作：

    温度介于-40oC～+100oC之间
    范围较广的电源电压（4.5～16.0伏）
    叠加交流电压
    ESD 污染过的环境（ESD = 静电放电高达+/-15kV)
    各种湿度（0%～100%）
    化学影响

具有严格的设计标准：

    机械强度和稳定性（静态/动态）：振动和机械冲击
    大小和重量严重受限
    有关伤害（头部碰撞）风险和产品责任的严格要求

一个远不止物理原型设计的世界

设计满足这些要求的系统所要做的工作比设计完成之后的物理原型设计多得多。事实上，大陆汽车的模拟愿景是“只需一次就打造出理想中的产品”(Get the Product Right the First Time)；他们的战略是通过依托模拟做出设计决策实现这一愿景。因此，模拟现已高度整合进设计流程。

大陆汽车采取全方位 3D 系统级建模，模拟中包含所有热相关部件以及气流部件。几何描述基于机械 CAD 数据，所有相关部件和模块的输出/输入均来自 CAD 系统。然而，几何描述可以实现简化和理想化。使用的复杂性取决于模拟目标：使用较少的细节分析各种初步概念，而成熟设计的建模则包括更多细节。

“专业知识”——大陆汽车的竞争优势

大陆汽车已拥有大量与复杂电子系统和子系统（包括物理硬件和潜在的冷却解决方案）热模拟模型（FloTHERM 模型）建立和验证相关的内部专业知识。

与硬件相关的	与冷却解决方案相关的
机架：1-DIN、2-DIN、客户定制、         CD、HDD 和 DVD 驱动器（只读存储器、视频）、转换器         屏蔽框         前显示器（LED 背光）         连接器和电缆         部件：主 CPU、处理器、存储器、         印刷电路板 (PCB)         模块：电源、驱动器、GPS         电话、功放、调谐器、显示器等	风扇（类型、特性曲线、方向）         接触电阻（导热膏等）         通风孔、过滤器（开孔率、压力损失）         吸热器、热导管、散热器         IC    封装（类型、大小、热模型类型）         导热填充垫等         环境条件、使用案例         功率耗散：最小值、一般值、最大值、使用案例         度量传感器位置

设计过程各阶段各种未知情况、建模假设和简化导致的不确定性通过验证得以缓解，正如以下两个案例所阐述的。

案例：调谐器模块建模

该模块可建模成拥有均匀功率耗散分布的单块，或者拥有所有内部电气部件和屏蔽的详细模型，或者这两个模式之间的一种模式。在大陆汽车的经验中，一个简化模块通常足以应付全面的系统分析。然而，有关内部部件温度的结论却要从以下描述的参考模拟中得出。


调谐器模块的单块（系统级）和详细（参考）描述

示例：底盘型号验证

底盘的一部分被用作汽车功放的冷却散热片。底盘的一个重要方面在于顶部支架和底盖的热接触程度（关乎制造公差）。对模型假设进行验证是提高模型精确度的关键。这样可以测量产品原型并利用测量结果来比较模拟模型。方案1 (g1) 无间隙（完全热接触），而方案2(g2) 则存在0.3毫米的间隙，因此盖子之间没有热接触。通过比较所测量的外壳温度，方案2（​​有间隙）似乎最能代表支架的接触程度。


对外壳热接触模型假设的验证