全球汽車工業已將注意力集中在內燃機上已有一個多世紀。然而，現在正在進行一場轉型性轉變，這是由政府監管機構和消費者對高性能、節能、可持續且價格合理的電動汽車（EV）設計的迫切需求所推動的。美國總統拜登已為EV設定了一系列雄心勃勃的目標，包括到2030年時美國一半的汽車銷售為電動汽車。歐洲議會和理事會設定了更加雄心勃勃的目標，即到2035年所有新登記的汽車都必須是零排放的，同時在此期間逐步減少排放。顯然，這創造了巨大的市場機遇。實際上，預計到2030年EV的銷售額將達到8237.5億美元，反映出每年18.2%的增長率。

隨著汽車製造商競相將尖端EV設計推向市場並取得競爭優勢，它們的供應商網路承受著越來越大的壓力。在受到關注的關鍵部件中，半導體已經成為一股驅動力。隨著汽車演變為更加連接、自主和電動化，半導體日益扮演著核心角色，往往超越了鋼鐵和橡膠，成為現代汽車工業的支柱。

在當今，汽車製造商不僅僅尋求從其半導體合作夥伴那裡獲得單個晶片。他們越來越依賴於可以無縫集成到其EV設計中的完全實現的模塊或系統，以簡化其開發時間表、減少內部工程成本，同時最佳化其製造和物流過程。這不僅包括晶片本身，還包括任何必要的相關組件，以最大限度地提高半導體的整體性能。

 

• 接入新的工程能力

作為全球汽車工業的主要半導體技術供應商，意法半導體(ST)最近使用整體晶片架構設計了一個用於EV動力系統的功率模塊，其中包括一個新組件——冷卻夾套。這個集成的散熱器確保功率模塊的最佳性能，管理熱增益並將共軛熱傳遞最小化到更大的電動動力系統。

挑戰在哪裡？考慮到時間壓力和對電動動力系統模塊整體晶片架構的使命關鍵性質，ST的工程師認識到，在開發階段，熱模擬應該發揮核心作用。與義大利卡塔尼亞大學合作，該大學的一支由Stefano Mauro教授領導的研究團隊正在計算流體動力學（CFD）的前沿工作。CAE模擬工程師開始測試一種新的冷卻夾套設計，該設計將最小化與密集、強大模塊相關的任何共軛熱傳遞。

 

• 利用 Ansys Fluent 驅動世界級的產品創新

這個新動力模塊的早期開發階段開始，ST的CAE模擬團隊和研究人員就開始使用 Ansys Fluent 軟體。

Mauro 教授解釋道：“在設計這樣一個全新系統時，您需要考慮到冷卻效率的每一個可能的貢獻因素——從基材和表面紋理到流體特性以及冷卻劑添加到設計後的行為。” “無法從外部物理地看到冷卻室的內部，也無法建造和測試數百個實體原型。Fluent 能夠讓我們在虛擬環境中模擬冷卻夾套的獨立性能，以及其對較大的功率模塊的貢獻。它使我們能夠以極快、高效和具成本效益的方式最佳化和驗證散熱器的可靠性。”

他們構建了金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）的網格幾何結構，以及將其固定的模塊底板。然後，研究人員建造了一個冷卻夾套，或散熱器，並將其固定在底板下方。他們使用一組預定義的邊界條件和 Fluent 求解器設置模擬了冷卻夾套內部水和乙二醇各50-50混合物的流動。

ST的功率模塊產品設計包括一個安裝在底板上的MOSFET，其作為功率單元。在其下方是一個水夾套，用作該單元的連續冷卻系統。

團隊的大部分模擬工作都集中在優化散熱器的整體幾何結構上，通過可視化水和乙二醇混合物流過功率模塊時的流體流動，尋找可能出現擾流和渦流等問題的地方。研究人員關注了功率模塊中的輸入和輸出孔的數量，以及流道的形狀和大小。重點是減少壓力降，以提高冷卻過程的效率。Ansys SpaceClaim 使團隊能夠快速創建幾何變體，然後研究幾何變化對輸入和輸出等關鍵元素的影響。

通過 Fluent 的後處理能力，CAE模擬工程師可以看到流體在通過各種輸入、輸出和通道時是如何發展和進展的。壓力降等問題可以很容易地被識別並解決。

Fluent Meshing 軟體使研究團隊能夠輕鬆優化計算網格，以在精度和計算時間之間達到最佳折衷。

由於 Fluent 的求解器能力，CAE模擬團隊還對散熱器內部表面紋理的影響進行了深入研究。他們從完全光滑的表面開始，然後逐漸增加粗糙度，以評估對內部流體流動和冷卻效果的相關影響。表面光滑會促進冷卻劑的流動平穩，損失和壓力降最小。然而，團隊發現隨著表面粗糙度的增加，流體流動的分離實際上更少。他們能夠通過 Fluent 模擬逐步優化表面紋理，以支持最有效的冷卻流動。

“我們對表面粗糙度的研究結果感到驚訝，實際上這對產品開發團隊來說是一個好消息，因為精細加工可能非常昂貴，” Mauro 教授指出。“幾天內，我們就能夠對冷卻效果進行許多重要的發現，並驗證最終設計。”

“我們對 Ansys Fluent 能夠快速準確地解決這個新的工程挑戰感到非常印象深刻，”STMicroelectronics 的功率晶體子組的 CAD 和建模團隊負責人 Daniela Cavallaro 表示。作為擁有龐大而堅固的內部研發團隊，ST 在多個領域使用許多 Ansys 解決方案，特別是在電磁學領域，探索流體動力學的新概念將在公司探索額外冷卻應用時發揮關鍵作用。