汽车行业新挑战：模块散热解决方案

随着汽车变得越来越复杂，制造汽车电子支持系统的企业必须保障产品安全可靠。汽车电子系统制造商Kyungshin显著提升了智能连接模块的热管理性能，同时与之前的方法相比，不仅生产时间缩短了80%，成本也锐降50%。
       

虽然汽车实现了前所未有的安全性与舒适度，但复杂程度也在随之增加。

对于各代新车型而言，依赖电子系统实现的功能特性无论在数量还是复杂性方面都在与日俱增。发动机和传动系统需要电子系统才能控制各种功能，例如冷却系统、排放和油门操作等。电子系统可监控制动系统、温度控制、电动车窗与车门、雨刷器、车头灯以及娱乐和导航系统等。虽然汽车实现了前所未有的安全性与舒适度，但复杂程度也在随之增加。

车辆电子系统的核心就是智能连接模块。总部位于韩国的Kyungshin公司致力于开发业界一流的电子器件、连接器和环保型产品，如智能连接模块等。这些模块可与线束进行配套，可管理电力并为汽车的各个部分分配电力，其在行为上类似于人体的中枢神经系统。智能连接模块内含印刷电路板 (PCB) 连接模块，其与常规连接模块相比，可高效控制更多电子单元。

在设计流程的早期阶段即使用仿真，所取代的每一个连接模块物理原型已为公司节省数千万韩元（数万美元）

连接模块和PCB连接模块示意图

复杂的连接模块设计

设计常规连接模块的企业最担心的是振动对该单元产生的影响。在使用仿真之前，Kyungshin团队最初依赖物理原型来分析振动。2004年，该团队开始使用ANSYS仿真工具开展线性与非线性结构分析，通过检验加强筋厚度和注射建模类型等设计变量来最大限度地减少振动产生的影响。此外，他们还通过仿真大幅减少材料的耗用及重量。

新的PCB连接模块甚至更错综复杂，需要核验温度、湿度、热流和电负荷的影响来保持可靠性。此外，还需要同时测试这些物理现象才能掌握它们彼此之间的相互作用。最后，PCB还需要在其自身工作环境中接受评估。

ANSYS SIwave直流内阻（DCIR）能根据电流强度（左）和功率耗散（右）预测可能发生温升的地方

使用ANSYS Icepak仿真得到的PCB热分布（左）和物理热成像（右）

需要同时进行测试才能观察到彼此相互作用的物理现象。

组件测试与仿真

在设计智能连接模块时，Kyungshin工程师发现PCB连接模块的温度常常超过60.4摄氏度，导致其过热。为追根朔源，他们综合采用了实验、物理原型构建和ANSYS仿真等方法。实验分析的结论是：温升是由PCB继电器中线圈的焦耳热导致的。

首先，工程师测试了保险丝和PCB继电器等单个组件。但通过仿真来判断可能造成温升的PCB情况至关重要，因为使用物理测试无法实现这一点。他们应用ANSYS SIwave（电源完整性、信号完整性和电子封装及PCB的EMI分析）和ANSYS Icepak（用于电子产品热管理的计算流体动力学[CFD]）来找出PCB上过热的地方。先为每个PCB层建立模型，然后再为每个层计算温度。通过使用电流密度和功率耗散特征，SIwave预测出了发生高温的位置。在物理成像和仿真发现PCB上热点的同时，仿真还发现了因电流瓶颈而产生额外热量的第二个点。

模型

完整连接模块仿真

在另一个例子中，为了完善整个连接模块的设计，Kyungshin仿真了两种不同的设计，以掌握如何优化设计和未来单元过热的现象。这种多物理场仿真将SIwave的DCIR压差（电压差）结果充分用作Icepak热仿真的输入数据。第一种设计造成PCB模块的过热。第二种设计解决了PCB过热问题，但发现有个区域可能发生保险丝中的热积聚。这就为工程师研发最终设计方案提供了充足信息。

仿真结果与物理测试良好吻合。Kyungshin工程师现在对如下结论信心十足：即使连接模块中的复杂性增加，多物理场仿真方法也能可靠地解决热问题。

使用ANSYS 技术将周期缩短到一个月。

Kyungshin采用仿真的情况

Kyungshin现在认为非常有必要通过仿真对其全部组件进行测试。对于PCB组件的电磁场和EMC分析，工程师可采用ANSYS SIwave、ANSYS Designer SI和ANSYS HFSS。为了检验温度和热流体动力学，他们采用了ANSYS Icepak。ANSYS LS-DYNA和ANSYS Mechanical则能让他们进行线性和非线性结构分析。

在采用ANSYS工具之前，Kyungshin曾深受一些常规误区的折磨，例如设计、原型、评估、再设计和再评估周期等。这种设计流程非常耗时，需要五到六个月才能确保连接模块在投产后的性能。通过使用ANSYS仿真工具，工程师将总生产时间缩短到仅需一个月。

在引入ANSYS工具后，Kyungshin工程师在设计的早期阶段就能进行分析并解决问题，而不必等到制造阶段。通过在设计流程的早期阶段使用仿真，所取代的每一个连接模块物理原型都能为公司节省数千万韩元（数万美元）。这些成本还不包括用于修改设计和重新测试设计的费用。

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