汽车MCU 中的热电制冷技术：现代汽车中的可靠热管理

应用场景

• 汽车 MCU 负责管理关键车辆功能，包括动力总成控制、安全监测、底盘系统、舒适性功能以及高级驾驶辅助系统。
• 车规级 MCU 通常可在较宽的温度范围内运行，一般为 −40 °C 至 125 °C；部分符合 AEC-Q100 Grade 0 的器件最高可认证至 150 °C。
• 热电制冷器可为汽车电子设备中的局部热点提供紧凑型、固态式局部制冷。
• 塔克热系统 HiTemp ETX 系列可提供 7.7 W 至 321.9 W 的热泵能力，最大温差可达 83.2 °C。
• 在需要精确温度控制、紧凑集成、抗振性能和长使用寿命的应用中，热电制冷技术是最佳选择。

应用简介

热管理已经成为现代车辆中的关键设计重点。随着传统燃油车和电动汽车中的电子系统不断增加，主控制单元（Main Control Unit，MCU）必须承担更多处理、功率协调、监测和安全关键型控制功能。

MCU 可协调车辆关键系统，并帮助确保车辆在不断变化的电气、热和环境条件下保持稳定可靠运行。随着车辆变得更加软件定义化，MCU 的热负荷持续上升，因此精确温度控制对于长期可靠性至关重要。

什么是汽车 MCU？

汽车主控制单元是一种电子控制系统，用于管理和协调重要车辆功能。它可控制动力总成行为、监测安全状态、协调整车级系统，并处理高级驾驶辅助功能所需的数据。

汽车 MCU 可支持以下功能：

• 动力总成和电机控制，包括电机扭矩和转速
• 安全和故障管理，包括监测电机和逆变器的电压、电流及温度
• 整车级协调，包括牵引力控制和稳定性控制的反馈
• 车身、底盘和舒适性系统，包括 HVAC 风扇、照明、门锁、车窗、雨刮器和座椅控制
• 高级自动驾驶和驾驶辅助功能，包括传感器输入处理和决策协调

在电动汽车中，MCU 还会与电池、电力电子、充电功能以及高级软件功能相关的系统进行交互。将这些电子设备保持在其预期工作温度范围内，对于性能、安全性和使用寿命至关重要。

为什么车辆中的 MCU 热管理如此重要

汽车电子设备在严苛环境中运行。在内燃机车辆中，MCU 可能暴露于较高的发动机舱温度、环境热浸、振动以及紧凑封装限制之下。

电动汽车减少了一些传统发动机相关热源，但也带来了新的热挑战。电池、逆变器、车载充电器和电力电子系统都依赖严格控制的温度来保持效率、可靠性和性能。

随着车辆架构变得更加互联和软件定义化，MCU 的处理负荷也在增加。连接性、监测、能源管理、驾驶辅助和自动驾驶功能可能会产生局部热点，因此必须对其进行精细管理。

汽车 MCU 常规温度范围

车规级 MCU 设计用于较宽的工作温度范围。许多器件的工作温度约为 −40 °C 至 125 °C，而面向严苛环境的高温产品则可能认证至 150 °C。许多现代汽车 MCU 遵循 AEC-Q100 温度等级。用于严苛发动机舱或高温应用的器件通常认证至 AEC-Q100 Grade 0，该等级支持最高 150 °C 的环境工作温度。

热电制冷如何支持 MCU 可靠性

热电制冷器（TEC）是一种固态制冷器件，在施加电流时可将热量从模块一侧转移到另一侧。对于汽车 MCU，TEC 可在特定发热元件附近提供局部制冷，而不是对整个外壳进行制冷。

当只有一个处理器、传感器或控制元件需要额外散热支持时，这种局部制冷方式具有很高价值。在外壳空间有限、传统制冷方式难以集成的情况下，它同样非常有用。

TEC 可通过改变输入电流来调节运行状态。这使工程师能够根据不断变化的工作条件调节制冷性能，与单纯被动散热解决方案相比，可提供更精确的热管理。

TEC 在汽车电子中的应用场景

热电制冷器尤其适用于需要紧凑型、定向且响应迅速制冷的汽车系统。其中包括用于高级驾驶辅助系统和自动驾驶功能的处理器及电子设备。

潜在应用领域包括以下控制电子设备： • 交通标志识别 • 行人检测 • 碰撞避免预警 • 灯光、物体和车道检测 • 免手动停车 • 基于地图的辅助系统 • 自动驾驶和半自动驾驶功能

• 交通标志识别
• 行人检测
• 碰撞避免预警
• 360 度摄像头图像处理
• 灯光、物体和车道检测
• 免手动停车
• 基于地图的辅助系统
• 自动驾驶和半自动驾驶功能

在这些系统中，温度稳定性可直接影响信号质量、可靠性以及长期性能。

汽车 MCU 采用热电制冷的优势

TEC 为汽车应用提供了多项优势。它们外形紧凑、运行安静，并能够实现精确温度控制，因此适用于高密度电子组件内部的局部制冷。

由于 TEC 不含移动部件，因此在振动、灰尘和长使用寿命至关重要的车辆环境中也具有耐用性优势。这种固态设计可减少对机械制冷部件的依赖，并提高整体系统稳健性。

主要优势包括：

• 可在发热元件附近实现紧凑集成
• 固态运行，无移动部件
• 通过电流调节实现精确温度控制
• 安静运行
• 针对局部热点进行定向局部制冷
• 适用于严苛汽车环境

TEC 集成设计注意事项

热电制冷器并不是适用于所有场景的通用解决方案。与大型传统压缩机制冷系统相比，其效率通常较低，因此工程师必须在 TEC 功耗和所提供的热收益之间取得平衡。

这种权衡在电动汽车中尤为重要，因为能源使用会影响整体系统效率和续航里程。因此，TEC 通常作为混合式热架构的一部分时最为有效。

车辆系统可使用被动均热、散热器或液体制冷作为基础热管理方式。随后，TEC 可在峰值负荷或严苛工作条件下提供精确制冷。

散热要求

TEC 并不会消除热量。它会将热量从模块冷端转移到热端。

这意味着系统仍然需要有效的散热路径。根据具体应用，TEC 的热端可能需要散热器、风扇、液体换热器或其他热界面，以便将热量散发到周围环境中。 有效的热端散热对于保持 TEC 性能稳定和实现可靠 MCU 制冷至关重要。

适用于高温汽车应用的 HiTemp ETX 系列

对于正在评估高温热电方案的汽车设计工程师而言，塔克热系统 HiTemp ETX 系列为严苛环境提供了一种紧凑型固态制冷解决方案。

HiTemp ETX 系列采用先进热电材料和更高效的隔热屏障。该系列设计用于防止高温环境下的性能下降，并可提供 83.2 °C 的最大温差。

该系列的尺寸可小至 0.472 × 0.472 × 0.081 英寸，因此适用于空间受限、热条件严苛的紧凑型车辆电子设备。

凭借 7.7 W 至 321.9 W 的热泵能力，HiTemp ETX 系列可支持与自动驾驶系统、ADAS 类光学和成像电子设备以及其他对性能敏感的汽车元件相关的高温应用。

HiTemp ETX 如何支持 MCU 相关设计

对于 MCU 相关汽车设计，HiTemp ETX 系列可作为局部热控制的专用选项。它适用于工程师需要在敏感处理器、传感器或控制电子设备附近实现紧凑型固态制冷的应用。

热电模块并不是要取代完整的车辆散热架构，而是可以补充现有制冷方式。这使其成为紧凑型电子组件中热点控制、峰值负荷制冷和温度稳定的实用选择。

为什么热电制冷变得越来越重要

汽车电子设备正变得更加复杂、紧凑并且以性能为导向。因此，对于精确、适应性强且可靠的制冷解决方案的需求正在增长。

对于 MCU 及相关控制硬件而言，热电制冷器提供了一种极具吸引力的方案，因为它们兼具紧凑外形、响应式控制和坚固耐用的固态运行特性。无论是在传统车辆还是电动汽车中，TEC 对于设计可靠且热稳定电子系统的工程师都正变得越来越重要。