充电器热仿真分析报告.docx

1、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 23 Ansys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

2、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3.1 ANSYS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，

3、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2d exhaust模型，完整的模型

4、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

5、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

6、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/h73.477.379.268.1204m3/h66.270.772.264.6244.8m3/h59.164.065.261.5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

7、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/0.973.477.379.268.10.672.976.678.768.60.371.875.477.569.5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

8、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：

9、Case二极管/整流桥/IGBT /变压器/原方案73.477.379.268.1改进一67.776.482.967.1改进二65.270.278.068.6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

10、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73.477.379.268.1改进二65.270.278.068.6改进三53.365.676.467.9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。