Ansys Icepak汽车电子ECU/DCU产品级热仿真计算讲解

详细信息

作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
平台推荐: 内容稀缺

8月前浏览3102

导读：进入2023年后，不光是新能源车企，所有车企都在打价格战，从下游整车厂到往上零部件企业，都在进行降本增效。像“蔚小理”为代表的新势力造车，也不得不需求新的商业模式，不光是销售整车，也在出售整套和部分技术解决方案，通过与传统车厂进行商业合作，达到互利共赢的目的，甚至是解决自身的资金危机，车企现在面临着重新洗牌和淘汰。

中国车企亮相德国慕尼黑车展

一、新能源汽车电子热仿真

无论2023年经济是多么的不好，新能源汽车行业仍是具有前景的行业，随着智能化、电动化、网联化的要求，整车电子架构从分布式在向集中式不断迈进，不仅能够减小车内线束，达到减重目的，还能减少ECU(电子控制单元)的使用量，通过将以往多个ECU的功能集中于单一域控制器之中。博世将域控制器定义为五大类型，分别为动力域、底盘域、车身域、座舱域和驾驶域，而特斯拉通过空间布置需求分为三个区域，中央计算器、左右车身域。随着算力的集中和提高，域控比以往单一功能的ECU的功耗明显增加，以往凭借设计经验进行结构设计可能会存在散热问题，这时候相关热设计需要考虑，热仿真作为一种设计验证手段被引入到域控制器设计流程之中。

中央计算域控制器由于大功耗芯片，例如英伟达orin芯片，采用液冷散热手段，现在多数域控采用自然散热的手段，对于域控制器自然散热仿真需要根据整车实际情况和测试情况尽可能还原实际情况，保证仿真精度和准确度，避免过设计。

自动驾驶是近两年的商业风口，但现在实用的也多限于高级辅助驾驶（ADAS）,对应L3以下的自动驾驶阶段，距离完全自动驾驶还有很长的一段路要走。对于ADAS域控制器 L2/L2+的设备现在也主要采用自然散热的方式，产品顶部采用较长的散热肋片，底部根据功耗的不同有产品也会有散热肋片的设置。

我们都知道仿真是为了指导设计的，那么怎么对产品进行仿真才能尽可能准确，才能从定性分析转而到定量分析？如果只是普通的自然散热仿真，大家可能发现自己所有设置都按照实际产品进行设置，怎么温度还是高呢，那根本原因可能就是你环境设置和边界与实际测试不符；还有就是工程师遇到自己设置的边界也是较为合理的，但为什么还是温度高呢，那可能就是你总功耗存在问题，内部主要功耗分配是存在一些问题的。

笔者最近在仿真秀官方发布的视频课程《ANSYS Icepak 汽车电子（ECU、DCU）产品级热仿真计算（仿真与实验对标）》，它就是为了工程师产品设计仿真时提供思路，提高大家仿真准确度，也是讲解怎么来做汽车电子此类产品的热仿真。欢迎工程师朋友查看，详情见后文。

二、汽车电子热仿真与实验对标

相比流体力学湍流难以预测，产品温度是可以较为准确预测的，但这个有一个很重要的前提，那就是我们的模型需要多次标定验证。作为一位资深仿真专家的“陆姐”也说过仿真与实验一致需要“好人品”，对于产品实验来说，仿真工程师我建议多去跟跟自己的验证实验，最好亲自做，这里面误差gap就只有自己知道，我曾经发现有工程师做热测实验，热电偶不贴固定胶的，当时拿到数据感觉不对，询问才知道尽然如此离谱，所以只有自己亲自做过实验或者了解实验，才能保证数据的可靠。

而我们实验的对标，并不是说我们的数据是和真实的完全一致，仿真本来就是各种近似的方法，网格、求解算法等都会对结果产生影响，但最重要的还是你的输入条件，你输入条件产生的误差叠加，非常巧让你有了一个近似的结果。而我们需要找寻实验和仿真的规律，套用既有模型去验证新产品的实验，多做迭代修正，这样某个特定环境就和仿真相对一致。这里还不得都不提是产品芯片的功耗，汽车电子还不像消费电子芯片迭代特别迅速，在PCB板上会考虑沿用原来芯片和架构，那么主要芯片功耗估计准确不是那么难的一件事，积极与芯片供应商沟通，拿到温度功耗曲线，双热阻模型甚至是紧凑式芯片结构模型，这样仿真才能往实际这边靠近。这里还需要提醒一点，仿真的温度最好比实际高一点，这样才能保证产品的正常运行，否则标定的模型是存在风险的。

如今常用的电子散热仿真软件主要有Flotherm和Icepak，其中Icepak由于可以处理异形的结构，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有较好的精度，对于电子散热仿真是一款非常专业的软件。在汽车电子散热仿真来说，由于车厂其他结构和电磁的仿真多使用ANSYS的其他软件，为了统一习惯，也为了处理异形的CAD结构，Icepak用于散热仿真较为常见。但从易用性来说，Icepak是要输于Flotherm的，它需要更多繁琐注意项，以及操作流程。

Icepak可以导入精确的布线，并通过metal fraction计算局部的导热系数，这样更好的得到一个贴合实际的结果。它还提供了各种热阻模型，常用的双热阻模型，以及DELPHI模型，以及详细模型。除此之外还包含各种宏命令，方便对于特定问题的求解，它也可与ANSYS workbench中其他模块数据相关联。对于板级仿真，大家可以关注我之前的课程《ANSYS Icepak PCB板级热仿真——为热设计、电子工程师和机械结构工程师增值赋能》，相关的操作演示已经详细的介绍了。

产品级相对于板级仿真来说，是下一步需要评估的一项。在板级仿真后，我们确定了大概的热源器件分布，热敏电阻的位置，确定了散热方式，然后就可以指导工程师进行概念设计，增加我们的导热界面材料和外壳，或者是风扇、水冷板，并且考虑是否表面处理等因素，产品级的仿真也更加贴近于实际应用。所以产品级仿真是建立板级仿真的基础上，板级所作的内容也是产品级相关设置的一部分，接下来分别考虑整车上的布置位置和实验测试环境，作为仿真的边界条件和环境，得到一个合理的结果。