充电器热仿真分析报告.docx

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充电器热仿真分析报告

充电器热仿真分析

1仿真技术的意义及基本思想

热仿真技术就是进行产品或系统的环境热效应分析，从来获取相关数据和实

现热控制目的的技术方法。

它的理论基础技术就是计算传热学技术和计算流体力

学技术，基于该技术发展的电子产品热设计软件可以帮助热设计工程师验证、优

化热设计方案，降低产品热测试的工作量，加快产品开发速度。

仿真技术概括地讲有三个特点：

沉浸性、交互性和构想性。

与具有可靠、直观的实验研究相比，数值仿真具有周期短、成本低优点，但会受限于数学模型的适用程度。

2常用热仿真软件的介绍

23Ansys软件介绍.

ANSYS作为有限元分析软件，整个软件包括了前处理模块，分析计算模块和后处理模块组成，前处理模块可以进行实体建模以及网格划分，可以实现有限元模型的构建功能，分析模块包括了包括流体，电磁场，声场等多种物理场的耦合分析，可以在其中对物理介质的相互作用进行模拟，后处理模块则是将分析的结果以可视化的形式进行展现，具体宝库里了梯度显示，矢量显示等，可以以图表，曲线等方式展示，如图3.1所示。

在热仿真分析中，ANSYS程序可处理热传递的三种基本类型：

传导、对流和辐射，对热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。

另外，热分析还具有模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力

图3.1ANSYS软件架构

3.3.1充电模块模型

该电子产品工作温度25摄氏度，尺寸长宽高分别为661mm，538mm和365.5mm，材料采用铝，设备布局示意图如图3.2所示。

箱体外侧安装两个鼓风机，风量为170m3/h，出风口通孔率为0.9的百叶窗。

内部元器件发热量分别为：

1个IGBT，功耗150W；2个整流桥，单个功耗100W；4个二极管，单个功耗35W；变压器350W。

图3.2充电器布局图

3.3.2建立模型

利用该软件建立热分析模型通常包括了以下几个主要步骤，首先建立模型，然后对模型进行划分网格，设置边界条件，最后进行求解以及可视化展示，该软件提供了充电模块常用的器件模型，可以迅速的建立模型，充电器的出风孔采取栅格模型，风扇采用2dexhaust模型，完整的模型如图3.3所示。

图3.3热分析模型

在该模型确定后，对模型进行网格的划分，网格的划分将决定分析过程中的精度和计算时间，网格模型划分的越细，则计算精度更高，但是相应的带来计算时间的增持，为此,尽量以粗网格划分模型,对薄板、薄壁部分进行细化处理,以达到较为理想的网格。

3.3.4求解计算

在计算之前，设定环境温度，迭代次数500，选择求解方程，监测各部件温度曲线，残差曲线如图3.4，各器件监测点温度如图3.5。

图3.4计算残差曲线

图3.5各器件监测温度曲线

3.3.5后处理

后处理显示温度云图、速度云图等，可以读取各点温度数据，从而帮助设计和分析人员迅速了解和评估设计方案，决定是否需要修改设计模型，以便得到更为合理的设计方案。

图3.6为计算输出的各器件表面温度分布云图，图3.7是输出的Y截面上气流速度场云图。

图3.6各器件表面温度云图

图3.7流场云图

由温度场云图可见，变压器表面最高温度为68.1℃；四个二极管表面最大温度分别为63.8℃、66.8℃、70.3℃、73.4℃；整流桥表面最大温度分别为77.2℃、77.3℃；IGBT表面最大温度为79.2℃。

图中可见二极管、整流桥、IGBT是沿着流场流向依次布局，其表面最大温度也是依次增加的。

由速度场云图可见，空气主要从变压器和散热器之间缝隙流过，只有少部分从控制器侧流过，可以更好的起到散热效果。

3.4优化设计

根据原始方案分析结果，主要从四个方面进行优化：

增加风量20%；调整出风口百叶通孔率；调整器件位置；调整散热器面积。

3.4.1增加风量

为了对比不同风量条件下散热效果，其它条件不变，在原有基础上分别增加20%，44%的风量。

各器件表面最大温度结果如下表：

风量

二极管/℃

整流桥/℃

IGBT/℃

变压器/℃

170m3/h

73.4

77.3

79.2

68.1

204m3/h

66.2

70.7

72.2

64.6

244.8m3/h

59.1

64.0

65.2

61.5

图3.8风量204m3/h时各器件表面温度云图

图3.9风量244.8m3/h时各器件表面温度云图

图3.10风量204m3/h时流场云图

图3.11风量244.8m3/h时流场云图

由各云图和表中数据对比可见，提高风机流量，可以增大流过各器件表面的速度分布，各器件最大温度有明显的下降和改善。

当风量提升44%时，变压器表面最高温度降低了6.6℃；、二极管表面最大温度降低了14.3℃；整流桥表面最大温度降低了13.3℃；IGBT表面最大温度降低了14℃。

3.4.2调整出风口通孔率

为了对比出风口通孔率的影响，在原有基础上分别减小0.3。

各器件表面最大温度结果如下表：

通孔率

二极管/℃

整流桥/℃

IGBT/℃

变压器/℃

0.9

73.4

77.3

79.2

68.1

0.6

72.9

76.6

78.7

68.6

0.3

71.8

75.4

77.5

69.5

图3.12通孔率0.6时各器件表面温度云图

图3.13通孔率0.3时各器件表面温度云图

图3.14通孔率0.6时流场云图

图3.15通孔率0.3时流场云图

由各云图和表中数据对比可见，降低箱体出口通孔率，只要保持风机风量的情况下，各器件最大温度没有明显变化。

二极管、整流桥、IGBT略有下降，变压器温度略有上升，是由于出口阻力变化引起内部流场发生局部变化引起。

所以出口增加百叶窗设计是不影响散热效果的。

3.4.3调整器件布局

改进一方案：

不改变散热器和风机结构和位置，仅改变器件相对位置，如图3.16所示。

图3.16改进方案一器件布局示意图

改进二方案：

将散热器宽度增大，重新排布器件相对位置，如图3.17所示。

图3.17改进方案二器件布局示意图

各工况输出的各器件表面最大温度结果如下表：

Case

二极管/℃

整流桥/℃

IGBT/℃

变压器/℃

原方案

73.4

77.3

79.2

68.1

改进一

67.7

76.4

82.9

67.1

改进二

65.2

70.2

78.0

68.6

图3.18改进方案一器件表面温度云图

图3.19改进方案一流场云图

图3.20改进方案二器件表面温度云图

图3.21改进方案二流场云图

由各云图和表中数据对比可见，调整二极管、整流桥、IGBT之间的布局，可以有效降低器件表面最大温度。

3.4.4调整散热器面积

改进三方案：

在上述改善方案二的基础上，取消散热器底部的平板，减少散热器翅片数量，增加散热器翅片间距，同时调整风扇1的位置，使其正对散热器，如图3.22所示。

图3.22改进方案三器件布局示意图

各工况输出的各器件表面最大温度结果如下表：

Case

二极管/℃

整流桥/℃

IGBT/℃

变压器/℃

原方案

73.4

77.3

79.2

68.1

改进二

65.2

70.2

78.0

68.6

改进三

53.3

65.6

76.4

67.9

图3.23改进方案三器件表面温度云图

图3.24改进方案三流场云图

由温度、速度云图和表中数据对比可见，优化散热器结构，散热器翅片内部速度分布明显改善，二极管和整流桥的温度分别下降7.9℃和4.6℃。

IGBT下降1.6℃，散热器结构还有优化的空间。

减少散热器翅片数量，可以减小成本。

3.5本章小结

通过以上各工况的分析，通过增大风速、调整器件布局、优化散热器结构可以明显改善流场和温度场分析，从而有效的降低各器件表面最大温度，使其满足设备的正常运行。

本章介绍了ANSYS软件的基本性能和应用，在充电器的热分析设计中，在设计之初根据预设的条件进行热模拟过程，能够预测到元器件的工作温度以及内部气流运行情况，一旦发现不能够满足条件后，通过改变各项设计参数，不断地优化设计，将初始设计中不合理的布局进行修正，找到满足条件的方案，从而对充电器能够进行有效的热控制，减少开发周期的同时保障充电器的安全可靠性，同时避免后期重复的样机制作过程，节约成本。