怎样才是热设计而不是热仿真？2020年的一些总结
关于热设计工程师和热仿真工程师的定义，每个人都有自己的看法，很多的热设计工程师也比较介意别人把自己叫成热仿真工程师。在我个人看来，热仿真只是热设计工作中的一部分，也是相当重要的一部分，我们可以通过仿真去找出项目的问题点，去驱动设计。热设计工作应该是一个闭环，从项目前期的结构设计，硬件布局，软件控制，材料选型到后期的温升测试，都应该有热设计工程师的参与。但如果你只是在一个项目中担任将产品温度通过软件仿真出来，告诉别人这里温度多少度，那你可能真的只能做热仿真工程师。
不可避免，在工作上，就是会有很多时候，客户或者供应商或者同事都会说：“这个项目你找热仿真看一看”。这或许在他们现有的印象中热设计工程师就只是做热仿真的，但我们不能让这个事情这样恶化下去，在我们日常工作中应该制定一些计划去提高自己的存在价值，不要沦为一个做热仿真的工具人。
热设计工程师应该是一个多学科混合的工作，结构设计，硬件布局，软件控制，材料选型到后期的温升测试都需要有一定的了解，下面就一个个大概的进行一个总结。
回顾这一年完成的一些项目，前期结构设计时有一些很基础的错误比如“选用交流风扇却配了一个齿间距很小的铲齿散热器”，“使用了多个高转速风扇，机箱出风口却只开了一点”，“并排的四个风扇，实际使用时只有两个风扇转，造成严重的回流问题”这些问题都是比较简单，而且很容易就避免的问题，这也侧面的说明了热设计工程师的重要性，在设计的前期，可以指出这些基础的错误，设计出一个相对合理的结构
硬件布局应该与结构基本同步进行，硬件布局涉及的东西很多，在热设计工程师最关心的无非是器件的功耗，我们想要的结果肯定是功耗大的，对温度敏感的器件，都给我放到前面来，用风扇直接吹着，但硬件工程师肯定不会答应你，硬件还得考虑应力，走线等等，这就需要和硬件工程师持续的沟通，去达成一个对大家都相对满意的布局。
软件控制和我们联系的不太多，主要的联系可能就是在风扇的调速，在调速方面很多厂家都有自己的一套调速方案，有的调速依据是工作状态，有的是系统温度，每个厂家有自己的见解。而调速一般会分档，一个档对应的一个转速，档位设置的越多，设计也会越复杂。
材料的选型就是热设计工程师需要独立完成的一件事情，所有的散热材料包括风扇，散热器，硅脂，垫片，防尘棉，有时候会用到加热膜，热管，VC，空调等等的所有有关的材料热设计工程师都需要去了解，只有真正的去了解这个产品，并且熟悉这个产业你才能更好的去进行选型，拿风扇为例，首先肯定是分进口和台湾还有大陆的风扇，各有优势，你是想要性价比高还是性能好可靠性高，每一个的选型都能拿出来单独讲半天，只有当你真正的去了解它，才能知道选哪个才是最合适你的。
温升测试与热设计工程师相关度很高，有些公司可能热设计工程师还需要负责温升测试，温升测试的结果也直接影响你工作的成果，以及你在公司的地位。如果每次温升测试都不会有问题，并且和你仿真的温度误差很小，那你在公司的地位将随着测试数据出炉而直线上升，如果每次测试的结果都和你仿真预测的天差地别，那你在这里可能就有点难混的下去了。
温升测试关系到我们的前程，所以也必须是自己好好的跟踪，因为这里面也很多的坑，有可能测试出来的结果明明才是错误的，但所有人还是会相信测试的数据，而不是相信仿真数据。有一句话很经典，叫做“所有人都相信测试的结果，除了测试工程师，而所有人都很难相信仿真的结果，除了做仿真的人。”
刚才说到温升测试很多坑，这里面确实很多坑，稍微挑几个说一下，热电偶分很多种类型，而常用的可能是K型，所以测试时大家在数据采集仪上都会选择K型，当有些项目可能是供应商埋好T型热电偶送过来的时候，测试工程师可能还是在数据采集仪上选择K型进行测试，这就造成了可能至少5℃的误差。还有就是测试的粘点，你仿真时标的是器件的最高温度，而测试的时候可能只能测试器件边缘其中一点的温度，这也可能也造成了5℃甚至更大的误差。所以温升测试时最好去现场进行指导，保证测试数据的准确。
在我看来如果你能从结构设计，硬件布局，软件控制，材料选型到温升测试都找到自己的存在感，那你就可以说自己是一名热设计工程师，而不是热仿真工程师了。想真正的当好热设计工程师这些肯定也是不够，但能把这些都做的很好，你已经可以是一名优秀的热设计工程师了，如果要变得更加优秀，可能还得继续深入学习流体，噪音，电子，成本控制等等，未来的路都是在自己的脚下，而面临选择时，一定是一条容易的路和一条通往成功的路，希望我们都能走在正确的道路上。
在进行热仿真时，及仿真结果与测试结果必然会存在一定误差，各种条件的不同也会导致误差大小的波动性。以下从建模简化误差分析。对电子设备热设计时，由于实际结构较为复杂，常需要做一定的简化。特别是Flotherm软件采用的正交网格，对异形几何体兼容性非常有限。一方面，在模型中出现的曲面、倒角、尖角、小孔需进行相应的简化再导入仿真软件中，对于这些方面的简化，对仿真结果不会产生太大的影响；另一方面，一些器件也需做一定的简化，以封装芯片为例，第一种建模方式是讲封装芯片直接建模，按照实际情况将导线、焊球、各层材料及厚度等全部输入；第二种建模方式则是采用热阻模型，将芯片的结壳热阻由规格书给定的输入，不过前提是已经确定内部芯片的位置尺寸；第三种则是将整个封装芯片作为整块建模。相关数据经验显示，第一种建模方式的误差在2%-3%，第二种建模方式误差在5%-10%，第三种建模误差在10%以上。第一方面的误差是不可避免的，第二方面的误差只能进行一定控制。综合仿真精度及计算量，推荐选用热阻模型来简化封装模型。
（1）电池包及模组的3D；
（2）温差要求；
（3）压降要求；
（4）流量大小；
（5）电池模组的发热量大小，最好有不以工况下的发热量数据。
有了以上的数据，文轩工程师就可以进行热设计了。
[词典]Thermal Simulation
[例句]最后，对热设计进行了热仿真分析和热试验验证。
Finally, thermal simulation and thermal test for thermal control system were made.
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在上一篇文章 《锂离子电池直流内阻测试研究 》中，我们了解到电芯的直流内阻是随时间不断变化的，并且在充电和放电以及不同的电流大小时，直流内阻都不一样，意味着实际工作时电芯的功率是随时间不断变化的。
当我们进行稳态仿真时，使用固定的功率，只要功率设定的合理，仿真结果并不会有太大的偏差，但当我们需要进行瞬态分析时，我们继续使用固定的功率进行仿真的话，仿真结果可能就会有较大的误差， 所以我们需要去减小误差的话，设置正确的功率随时间变化的曲线是一个路径。
当然，瞬态分析时，影响我们仿真的结果较多，包括所有材料的导热系数，比热容，密度，以及模型的精准度。而提到电芯的比热容又是一个难题， 电芯为复合材料，需要得到电芯的比热容一般有两种方法：
(1)采用理论办法，通过对电芯各组分材料(已知比热容)进行质量加权平均，最终完成单个电芯平均比热容的计算；
(2)采用实验和理论的综合办法，在自制绝热设备或加速绝热量热仪中对电芯进行充放电，记录电芯电压、温度、充放电时间等数据，再根据 Newman 等人提出的电池热理论模型，理论计算得到电芯发热功率，最终通过公式Q=c m △T反算得到单个电芯平均比热容；这一方法我们将在后面的文章进行实践。
讲回本文的在flotherm中如何设置功率随时间变化的曲线，首先我们需要得到电芯在不同电流下的直流内阻 （ 注意是直流内阻，根据上一篇文章的测试方案测试可得，规格书上标注的一般为交流内阻，在无法测得直流内阻的情况下，一般认为直流内阻是交流内阻的2-2.5倍） 再通过公式Q=I2*R计算出各个时间的功率。
下面以一个案例进行操作讲解，25℃环境条件，在密闭机箱内放置32个50Ah方形电芯，2.2C放电再1C充电单个循环的过程，并且不使用风扇，需要了解此循环是否会有过温风险，电芯参数如下:
电芯容量50Ah
标称电压3.2V
工作温度 充电：0℃~45℃
放电：-20℃~60℃
重量1.5Kg
尺寸L*W*T: 189*115.2*36.5mm
表一：50Ah磷酸铁锂方形电芯参数
1. 搭建简单模型，在一个密闭机箱内放置32个50Ah方形电芯。
图1：结构简易模型
2. 在flotherm中建立一个功耗为1W的Thermal，如图2
图2：功耗设置
3. 创建一个Transient Attribute，此次为2.2C放电再1C充电的过程
图3：创建Transient Attribute
4. 如图4所示设置参数，type选择profile
图4：设置Transient Attribute
5. 点击Click To Edit编辑, time为时间，multiplier为基础功率的乘数， 在此步骤中可在Excel表格中计算好功率随时间变化的的数据，再点击import CSV File导入Excel文件（注意保存的Excel文件需要为CSV格式）
图5：参数设置
6. 根据设置好的参数进行计算，查看温度曲线图，可以看到电芯在放电时由于采用2.2C放电，放电电流较大，温度上升明显，而在充电时采用1C充电，温度上升缓慢。
图6：温度曲线图
图7：温度示意图
结论：本案例在环境温度为25 ℃，采用2.2C放电1C充电单个循环的充放电模式，循环结束电芯最高温度49.2℃，高于电芯充电安全温度。
THE END
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了解本机柜电磁兼容主要关注的是低、中还是高频问题
低频主要考虑磁场导流，多采用铁磁性材料
中高频关注电磁场的反射和吸收，多采用高电导率材料
纯电场屏蔽需要良好接地
另外滤波，搭接等也是需要关注的必要的屏蔽手段
在解决散热的时候，开通风口也要注意常用的原则
多开圆孔
多开小孔
顺磁流
用强迫风冷需在进出风口处加屏蔽格网
有条件可以用相关分析软件进行设计仿真
