熱阻網絡的案例
電動機與變速器總成的熱管理分析
根據等效熱阻網絡模型的溫度場分布，需要計算出電動機定轉子及氣隙的材料熱性能參數(shù)、熱對流換熱系數(shù)等。圖4為電動機水冷套的結構示意圖。
圖4 電動機水冷散熱結構
針對電動機本體熱管理分析利用等效熱阻網絡法模型計算;首先需要查出電動機各個零部件的材料熱性能參數(shù)，其次需要計算出電動機零部件之間存在熱對流時的等效換熱系數(shù)等，例如定子水冷套與水的等效換熱系數(shù)和定轉子之間氣隙的等效散熱系數(shù)的計算等。通過流體力學仿真軟件進行仿真計算得出各熱傳導熱對流等需要的參數(shù)，最終把各參數(shù)帶入到等效熱阻網絡法的數(shù)學矩陣模型中，將很簡便的得出各零部件的溫度場變化情況。
通過電動機水冷套的熱管理輸入條件和水冷仿真的初始條件，對電動機結構的熱傳遞途徑分析，可得出等效模型中所需的熱性能參數(shù)，并利用仿真軟件可得出電動機中水冷模型和定轉子之間氣隙的等效換熱系數(shù)h。
而電動機定轉子之間的氣隙等效散熱系數(shù)計算稍加復雜，本文采用等效靜止空氣來計算其換熱系數(shù)。通過等效定轉子之間的氣隙模型，查詢材料物性參數(shù)如普蘭特數(shù)、熱導率、運動粘度和平均比熱容等參數(shù)，根據流體理論計算公式可得出該氣隙的雷諾數(shù)、努塞爾特數(shù)等參數(shù)，最終可得出等效氣體的換熱系數(shù)。
通過上述計算得等效換熱系數(shù)，再根據結構中存在的熱傳導與熱對流模型，可分別計算出各個零部件的熱阻、熱容等參數(shù)，有了熱源、熱阻等參數(shù)，根據電動機中熱分析傳遞途徑可建立等效出熱阻網絡模型(見圖5)，由模型可等效出基本數(shù)學矩陣模型最后可得出各部件的溫度場變化情況，即可作為完整的邊界條件計算出有效解，最后可得出總成結構中，電動機熱管理方案僅用定子水冷套的情況下，針對電動機在額定工況與峰值工況下電動機各個零部件在穩(wěn)態(tài)運行時溫度場變化。
圖5 電動機整體熱傳遞途徑等效模型
2.
展開 導熱材料選擇與計算
熱阻的單位是°C/W,表示了傳遞單位速率熱量時的溫差。熱阻的定義有些類似歐姆定律Re = ΔV/I 所定義的電阻Re。其中ΔV 是電位差，I 是電流。
以一個簡單的例子進行說明。如圖1，散熱片安裝在一個器件的上方。通過熱阻網絡的方法，可以在圖1 的右方畫出系統(tǒng)的熱阻網絡。在這個簡單的熱阻網絡模型中，熱量連續(xù)的從器件的晶結到達殼體，然后通過和散熱片的接觸面到達散熱片上，最終被通過散熱片的氣流所帶走。
其間的晶結到殼體間的熱阻定義如下：
Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj - Tc)/Q
這個熱阻值通常由期間制造上所提供。盡管給定器件的Rjc 值還依賴于冷卻的方式和冷卻裝置安裝的位置。但是，通常Rjc 是一個給出的定值，并且一般認為用戶無法去改變的Rjc 的值。
同樣的，殼體-散熱片/散熱片-環(huán)境的熱阻值分別定義如下：
Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc - Ts)/Q
Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts - Ta)/Q
其中，Rcs 表示了通過殼體到散熱片之間接觸面的熱阻，通常叫做接觸熱阻（這里似乎忽略了散熱片內部的熱阻），而通過減少接觸面的粗糙度或是使用適當?shù)慕缑娌牧峡梢詼p少接觸熱阻。Rsa 則是散熱片到空氣的熱阻。
可以看出，從器件的晶結到環(huán)境的總熱阻是以上三個熱阻之和，如下：
Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj - Ta)/Q
所需散熱片的熱阻選擇散熱片的第一步就是決定所需散熱片的熱阻，以保證所冷卻器件工作在允許的溫度內。上面的熱阻求和的方程可以寫成下式的形式，從而得到所需的散熱片熱阻。
展開 FLOTHERM的介紹
利用FLOPACK模型庫，電子熱分析人員可以快速獲得各種標準芯片封裝的DELPHI熱阻網絡模型和詳細熱分析模型以及雙熱阻模型。大大方便熱設計人員了解以前幾乎不可能獲得的芯片內部完整溫度分布和準確的芯片結溫與殼溫。
FLOTRESS---IC封裝與PCB熱應力分析模塊，利用FLOTHERM的模型并直接讀取FLOTHERM分析的熱場分布數(shù)據結合FLOSTRESS自帶的有限元求解器，對IC封裝與PCB進行熱應力應變的深入分析。
www.smartparts3d.com基于互聯(lián)網的免費模型庫，由于Flomerics公司在電子散熱和EMC分析領域的領導地位，本公司還建立了得到全球眾多主流廠商支持的www.smartparts3d.com公用模型數(shù)據庫網站，用戶可以很容易地從www.smartparts3d.com數(shù)據庫網站直接下載IC、散熱片、風扇、電源模塊、濾網以及各種材料的FLOTHERM、FLO/EMC軟件模型用于產品整體分析。
與FLO/EMC電磁兼容分析軟件共享分析模型，一次建模就可以同時進行電磁兼容性分析和熱分析。這可以大大加快結構設計人員獲得優(yōu)化設計方案的速度并避免了模型不一致帶來的設計沖突。
展開 電力電子設備熱管理感悟
熱源管控：功率器件選型問題，選擇結溫大、熱阻小、功耗小的器件進行設計，另外，對于熱敏器件需要嚴格控制；
2. 散熱方案：熱方案篩選，采用熱阻網絡法或集中總參法進行方案選型；
3. 對散熱物料，如散熱器、風機、冷板、水冷主機、空調等進行計算和選型；
4. 整機布局：根據器件功率大小、熱敏性程度和熱流分布進行合理布局，設計風道等措施；
5. 噪聲計算和控制策略。
基于復合 PCM 材料的鋰離子電池熱管理被動熱調節(jié)器
圖2 熱調節(jié)器(a)模型圖，(b)熱阻網絡圖。
圖3 帶有cPCM熱調節(jié)器的電池模塊的組裝過程。
圖4 (a)正二十烷，(b)AlN，(c)cPCM 的SEM圖
關于熱仿真及測試的方法，你知道的有哪些？
針對這些特性，Thermica可方便地設置太陽系內的各種衛(wèi)星軌道，支持部件機動、多航天器相互指向等復雜姿態(tài)，基于光線追蹤法并行計算幾何角系數(shù)、軌道外熱流以及熱輻射等，Thermisol基于節(jié)點熱阻網絡分析整體的溫度場在軌道不同位置的熱狀態(tài)。
高溫輻射熱仿真
不僅低溫環(huán)境下存在強烈的熱輻射，常溫環(huán)境下高溫部件也會有強烈的熱輻射，比如火箭或飛機等的尾噴管會對其附近的設備等產生高溫熱輻射加熱，汽車的渦輪增壓器和排氣管也會對發(fā)動機艙內和底盤的線束、管路產生熱輻射加熱。Taitherm能夠快速分析并直觀展示熱輻射狀況，直接與常用CFD仿真工具耦合進行熱-流仿真，獲得長時間的瞬態(tài)熱狀況，用于發(fā)現(xiàn)潛在的熱害、設計合理的熱防護方案。
高速氣動熱仿真
對于返回艙、火箭、導彈、飛機等而言，因為其高速運動于大氣中，會產生嚴重的氣動熱效應，不僅涉及到熱，還與高速的空氣流動密不可分。FloEFD能夠根據幾何外形的曲率和壓力梯度等自動細化網格，并采用了先進的湍流修正模型和雙層壁面函數(shù)，能夠準確地分析高速氣動的熱狀況。
常溫流動與熱仿真
電機、燈、電池、泵、閥門等的仿真，難度則在于復雜幾何的準確模擬與高效簡化。FloEFD直接嵌入到Catia等主流CAD軟件中，能夠自動識別流體域與固體域、自動劃分笛卡爾網格，能夠對這些幾何形狀復雜的產品的流動與熱狀況進行高效仿真與參數(shù)化分析。
電子散熱仿真
芯片、電路板、功率模塊、機箱機柜等設計往往出自于電氣工程師之手，對機械工程師熟知的熱問題并不很擅長，但熱卻是電子設備可靠性的主要影響因素。因此Flotherm通過直接導入EDA和CAD模型，能夠高效建立電子設備的熱模型進行分析，輔助芯片布局和風扇選型等。
展開 fcBGA-H封裝瞬態(tài)熱特性 仿真&測試（一）
因此，對于高功率倒裝芯片，客戶在不斷的推進TIM（熱界面材料）的低熱阻化。
TIMs（Thermal Interface Materials）是用于提高固體接觸面之間傳熱性能的導熱材料。比如CPUs和散熱器之間，若出現(xiàn)微小間隙，由于空氣導熱性能極差，整個散熱效率就會嚴重降低。因此，TIM的熱特性對于散熱方案的可靠性是至關重要的，尤其是發(fā)熱部位的最高溫度（結溫Tj），散熱片上表面溫度（殼溫Tc），和上述兩點之間的熱阻。測殼溫Tc的傳統(tǒng)方法是，在散熱片中心放置一個熱電偶。該方法的一個最大問題是只能用散熱片中心位置的溫度來表征殼溫。但是在實際應用中，最高溫度的位置我們通常不確定，尤其是當給結區(qū)加載非均勻熱載荷（non-uniform power）的時候。
本文主要討論的是：
a. 描述如何使用不借助熱電偶的瞬態(tài)測試設備測試fcBGA封裝器件（由STATS ChipPAC制造）的TIM熱特性，尤其是結殼熱阻Rjc；
b. 描述如何測試在風扇不同轉速下（模擬真實工況）封裝器件的Rja（結到環(huán)境的熱阻）；
c. 闡明功率脈普對結構函數(shù)的影響；
d. 描述如何通過仿真生成一個仿真結構函數(shù)，再用測試結構函數(shù)來修正仿真結構函數(shù)，最后用修正后的結構函數(shù)生成熱阻網絡模型，應用于系統(tǒng)級產品中；
e. 明確并改進更好的仿真和測試方法。
2. 封裝器件和熱測試裝置的結構
STATS ChipPAC內部搭建了一個flip-chip測試裝置（test vehicle），專門用于評估TIM的熱特性，其結構如圖1所示。
展開 報名倒計時 | 2026電力電子技術創(chuàng)新研討會
10:55-11:40 | 功率模塊設計平臺：電熱耦合和自動化的最佳實踐
演講嘉賓：
（Ansys現(xiàn)為新思科技旗下公司）
廉海潯 | Ansys應用工程主管
2021年加入 Ansys，具備豐富的液冷與風冷熱管理經驗，目前主要負責 Icepak 的產品支持及應用流程搭建工作，專注于熱阻網絡分析方法與相關熱仿真設計流程的構建與優(yōu)化，熟悉并掌握多種冷卻方案及其工程應用，能夠為電子系統(tǒng)熱設計提供專業(yè)支持。
劉朝瑜 | Ansys高級應用工程師
2013年碩士畢業(yè)于燕山大學機械電子工程專業(yè)。加入Ansys之前為奧海科技仿真部經理，負責電源、逆變器、功率模塊、磁性器件、監(jiān)牙耳機等相關的設計、仿真工作。主要研究方向：磁性器件、電源的損耗和EMC仿真優(yōu)化設計，逆變器、功率模塊的仿真優(yōu)化設計。
內容簡介：本方案圍繞功率模塊設計平臺，構建了電熱耦合穩(wěn)態(tài)場模擬與自動化流程，形成基于回路的電熱耦合開發(fā)路徑，并將熱模型通過 ROM 轉寫為一維 Spice 模型，實現(xiàn)快速聯(lián)算與批量分析。該平臺可對復雜電學與熱學行為進行半定量、較高精度預測，為功率模塊設計優(yōu)化提供支撐。
11:40-12:25 | 熱力耦合仿真在汽車電子助力轉向(EPS)電控單元(SCU)可靠性中的應用
演講嘉賓：汪兵兵｜博世華域轉向系統(tǒng)有限公司 硬件仿真主管
致力于通過仿真對轉向系統(tǒng)電磁、EMC、電子散熱、可靠性進行正向設計，具有十二年的仿真工程經驗。目前主要負責BHSS電子電氣硬件相關的仿真工作，帶領團隊解決熱可靠性、EMC可靠性問題。
內容簡介：電控單元（SCU）作為汽車電子助力轉向系統(tǒng)（EPS）最核心的零部件之一，其可靠性對于汽車智能、安全行駛至關重要。
展開 熱仿真和熱特性優(yōu)化 在汽車LED車燈上的應用
LED的熱設計一般有以下幾個環(huán)節(jié):
基于最嚴苛的邊界條件定義最大接環(huán)熱阻；
設置熱阻網絡模型，計算散熱器熱阻；
根據材料、空間預估散熱器尺寸與外形；
利用CFD軟件進行仿真分析；
確定熱學與光學系統(tǒng)性能及余量；
對以上步驟進行優(yōu)化迭代
基于該設計步驟，則可以使用一下仿真與測試工具進行支持，主要包括FloEFD、FloTHERM、T3Ster、TeraLED等工具。
1.適當?shù)腖ED熱模型- FloEFD雙熱阻模型
LED封裝模型是車燈行業(yè)普遍采用的FloEFD軟件之一，它可以簡化成易于使用的雙熱阻模型，從節(jié)點到外殼（Rjc）以及從節(jié)點到PCB板（Rjb）都是雙熱阻模型中的一部分，所建模型既簡化了仿真過程，又保證了精度，還能結合測試過程構建用戶化LED熱數(shù)據庫。
2.適當?shù)腖ED光熱模型-光熱一體化測試
光的輸出是LED設計的性能指標，輸入的電流、電壓、器件溫度、熱耗相互影響。LED的光熱模型對于芯片的熱仿真意義重大。
本方案如圖所示，熱瞬態(tài)測試儀T3Ster能夠對LED的光熱效應進行同時跟蹤；利用T3Ster主機可以實現(xiàn)LED熱阻模型的實驗，實驗結果可直接產生FloEFD仿真中所需的模型；同時配合Teral LED儀器，可以用積分球邊熱測試邊檢測LED光通量，實現(xiàn)了光熱一體化檢測方案，為使用者實現(xiàn)流明要求，且符合熱學要求，降低設計余量，進行高精度設計，提供一個有力工具。
3.高精度輻射計算模型
相比離散傳遞、離散坐標模型，高精度的蒙特卡洛模型在車燈系統(tǒng)中有著廣泛的應用。
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