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Wärmemanagement Der Hitze im Automobil Herr werden

| Autor/ Redakteur: Boris Marovic / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Bei der Entwicklung von Elektronik für Automobile wächst die Bedeutung des Wärmemanagements. Eine neue Lösung vereinfacht diesen Prozess für den Konstrukteur.

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Ein gutes Wärmemanagement ist für alle elektronischen Bauteile in einem Fahrzeug erforderlich, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
Ein gutes Wärmemanagement ist für alle elektronischen Bauteile in einem Fahrzeug erforderlich, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
(Bild: Mentor Graphics)

Der Anteil der Elektronik in den heutigen Fahrzeugen nimmt weiter zu und wird bald den Wert der mechanischen Bauteile übersteigen. Die Elektronik entwickelt sich auch zu einem primären Element für die Wettbewerbsfähigkeit des Fahrzeugmodells. Somit ist nicht mehr die mechanische Konstruktion der bestimmende Faktor bei der pünktlichen Lieferung des Modells, sondern vielmehr die Elektronik und die Software. Die Elektronikbauteile müssen dabei nicht nur schnell konstruiert werden, sie müssen auch hohe Standards in Bezug auf Leistung, Qualität und Zuverlässigkeit erfüllen.

Halbleiterchips sind Hauptwärmequelle

Die Hauptwärmequelle bei der Elektronik sind die Halbleiterchips (IC). Die Temperaturempfindlichkeit dieser Chips stellt eine Herausforderung beim Entwurf von Kühlmechanismen dar, denn sie fallen bei Überhitzung vorzeitig aus. Mit zunehmender Funktionalität hat sich die Wärmeabgabe in einem Ausmaß verstärkt, dass sie als potenzieller Begrenzungsfaktor der Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronik entwickelt, betrachtet wird. Daher sind geeignete Kühlungsstrategien notwendig.

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Maschinenbauer, die MDA-Software (Mechanical Design Automation) anwenden, sind für alle Aspekte der physischen Konstruktion des Produkts, mit Ausnahmen der ICs und Leiterplatten, verantwortlich. Daher müssen sie mit Elektrotechnikern zusammenarbeiten, die EDA-Software (Electronic Design Automation) nutzen. In der Vergangenheit waren diese beiden Bereiche nur über einen massiven Datentransfer verbunden, meist ohne die erforderlichen Filter, damit nur die thermisch relevanten Informationen übertragen werden. Dies resultierte in einer übermäßig detaillierten Konstruktion, was dazu führte, dass der Konstrukteur für die CFD-Simulation das Modell entweder manuell vereinfachen musste oder das Problem hoher CFD-Laufzeiten und fehlender Konvergenz hatte.

Wärme von Beginn an berücksichtigen

Die Berücksichtigung eines guten Wärmemanagements bei der Konstruktion sollte während der konzeptionellen Phase des Entwicklungsprozesses beginnen. Bei den Produkten handelt es sich meist um komplexe Systeme, welche die Zusammenarbeit verschiedener Design- und Planungsdisziplinen erfordern: IC- und FPGA-Entwickler, Layoutdesigner, Fertigungsingenieure, Softwareentwickler, Reliability-Ingenieure, Konstrukteure, Marketing und Elektrotechniker für Hochfrequenztechnik usw. Während der konzeptionellen Phase werden Entscheidungen zur Realisierbarkeit des Produktes getroffen. Eine dieser Entscheidungen lautet: Kann ausgehend von Platzverhältnissen, Formfaktor, der gewünschten Leistung und Funktionalität die von dem System erzeugte Wärme bewältigt werden?

Mithilfe der neuen Flo-Therm-XT-Lösung von Mentor Graphics kann ein Konstrukteur oder Thermodynamikexperte ganz einfach ein Konzeptmodell der ICs, Leiterplatten und Gehäuse erstellen und dann damit Simulationen durchführen, um zu sehen, ob die Wärme abgeleitet werden kann. Wenn die Antwort positiv ist, kann die Konstruktion aus Sicht der Thermodynamik fortgeführt werden. Die nebenstehende Abbildung zeigt einen typischen Prozess für das Design eines komplexen Bauteils mithilfe von Flo-Therm-XT.

Iterativer Entwicklungsprozess

  • Der Prozess beginnt mit einem konzeptionellen Layout der Leiterplatten. Hier kann der Konstrukteur eine grobe Version der Leiterplatte sowie aller wärmeerzeugenden Komponenten erstellen. Diese können neu erstellt oder aus der Smart-Parts-Bibliothek ausgewählt werden. Die Bibliothek enthält sowohl beschriebene Bauteile als auch Vorlagen, die angepasst werden können, um die tatsächlichen Teile darzustellen. Diese Teile werden auf der konzeptionellen Leiterplatte platziert.
  • Der Konstrukteur kann anschließend ein konzeptionelles Gehäuse erstellen und die Leiterplatten in dem Gehäuse platzieren. Flo-Therm-XT hat die vollständige Funktionalität der mechanischen Konstruktion, sodass die erstellten Teile oder das Gehäuse so detailliert wie nötig sein können, damit das Zielprodukt korrekt dargestellt wird. Wenn die Leiterplatten im Gehäuse platziert sind, können Randbedingungen hinzugefügt und die thermische Analyse (CFD) durchgeführt werden. Auf Basis des Ergebnisses kann der Konstrukteur die Teileplatzierung ändern, Kühlkörper an heißen Bauteilen hinzufügen, das Gehäuse modifizieren und die Analyse erneut durchführen.
  • Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis der Konstrukteur mit der Wärmemanagementlösung zufrieden ist. Für die Wärmeentwicklung entscheidende Bauteile werden korrekt auf den Leiterplatten platziert. Die Leiterplatten werden mit korrektem Abstand in dem Gehäuse platziert. Das Designkonzept kann anschließend abgenommen werden und die Information an die MDA- und EDA-Designer weitergeleitet werden, damit die Detailkonstruktion erfolgen kann.

Mit Fortführung des Prozesses können die Detailkonstruktionen aus den EDA- und MDA-Umgebungen automatisch zur Analyse und Optimierung in Flo-Therm-XT importiert werden. Der Import der detaillierten Leiterplatte erfolgt über ein Programm namens Flo-EDA-Bridge. Das Tool kann entsprechend angepasst werden, um unnötige Details im Leiterplattendesign herauszufiltern, wie z. B. viele für die Wärmeentwicklung irrelevante Entkopplungskondensatoren, Abschlusswiderstände, Kantenverrundungen usw. Wenn diese unbenötigten Teile in der CFD-Analyse belassen werden, kann dies die Ausführung unnötig verlangsamen. Flo-EDA-Bridge funktioniert direkt über die native Datenbank des Leiterplattendesigntools. Somit erübrigt sich die aufwendige Erstellung und anschließende Modifizierung von zahllosen Schnittstellen.

Mechanische Konstruktion integrieren

Dieselben Vorteile gelten auch für die Integration der mechanischen Konstruktion der Gehäuse in Flo-Therm-XT. Auch in diesem Fall wird das Modell direkt aus der nativen Datenbank eines beliebigen anderen üblichen M-CAD-Tools extrahiert und irrelevante Details werden aus dem Modell herausgefiltert. Einige inhärente Funktionen des CFD-Software werden dann zu entscheidenden Faktoren, und dies nicht nur für die Bereitstellung schneller Zykluszeiten, sondern auch dafür, dass Konstrukteure und Fachleute in der Lage sind, akkurate thermische Analysen wirksam durchzuführen.

Traditionelle Tools zur CFD-Software erfordern ein hohes Maß an Expertenwissen und häufig erhebliche Zeit zur Vorbereitung des Modells für die Lösung. Dazu gehören zum Beispiel die manuelle Säuberung des Modells, die manuelle Anpassung des Berechnungsnetzes und verschiedene Modifikationen, um sicherzustellen, dass die Lösungen konvergieren. Bei der traditionellen CFD kann die Zykluszeit für eine Designiteration mehrere Wochen bis zum Erreichen einer Lösung lang sein. Bis dahin kann das Design allerdings schon fortgeschritten sein, sodass ein weiterer Zyklus notwendig ist. Mit Flo-Therm-XT kann die Zykluszeit von mehreren Wochen auf Tage oder sogar Stunden verkürzt werden. Die reduzierten Zykluszeiten tragen zur Verkürzung der Produkteinführungszeit bei. (mz)

* Boris Marovic ist Industry Manager Automotive & Transportation bei Mentor Graphics

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