基于ANSYS的PTC熱敏電阻特性研究

趙 強，魯 芳

（海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001）

基于ANSYS的PTC熱敏電阻特性研究

趙 強，魯 芳

（海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001）

運用ANSYS有限元分析的方法，通過建模、劃分網格、施加載荷、求解分析得到PTC熱敏電阻的瞬時熱電耦合場。經過仿真，得到PTC熱敏電阻電流—溫度的關系，為以后蓄電池恒流放電裝置的設計打下基礎。

PTC熱敏電阻 溫度場 蓄電池放電

0 引言

在蓄電池的使用與維護過程中，為了測試其容量及活化蓄電池，就必須定期地對其進行放電。傳統的蓄電池放電都是先將其從設備上取下，然后接上普通的電阻絲放電，在放電過程中蓄電池組的電壓是逐漸減小的，而電阻絲阻值不變，最終放電電流會逐漸減小，因此放電全過程不能實現恒流放電。

PTC加熱器是發熱元為PTC熱敏電阻，用鋁合金制成的波紋片為散熱器，經過高溫黏合而成的。本文通過ANSYS仿真，得到PTC熱敏電阻的電流隨溫度變化關系，進而達到研究PTC通風型加熱器的目的。圖1為某種型號PTC加熱器。

1 理論分析

PTC熱敏電阻是典型具有溫度敏感性的半導體電阻，當其溫度超過一定值時，其阻值隨溫度的升高而升高。PTC熱敏電阻在施加額定的電壓或額定的電流后而發熱。通電后，其主要熱源是電阻的生熱率。生熱率是指在PTC上施加額定的電流或者電壓時，其在單位時間內釋放的熱量。其遵循歐姆定律：q=I2R(1)式中：I—流過導體的電流大小；R—導體的電阻值。

圖1 PTC加熱器外形圖

由于PTC材料的物理參數隨溫度變化而改變，因而引入電阻溫度系數α，則生熱率為I2R[1+α(Tc-20)]。熱傳導是物體內部或者兩個接觸的物體之間，由于存在溫度梯度，熱量從溫度高的部分傳遞到溫度低的部分。熱傳導遵循傅里葉定律：

式中：Φ—熱流量，單位時間內熱傳遞的值；

λ—導熱系數(熱導率)；

A—垂直于導熱方向的截面積。

熱對流是指由于溫差的存在，物體表面與它周圍接觸的流體之間的熱量交換。熱對流可以分為兩類：自然對流與強制對流。熱對流可以用牛頓冷卻方程來表示：

式中：Φ—熱流量，單位時間內熱傳遞的值；

h—為對流換熱系數；

A—與流體接觸的壁面面積；

ts—固體表面溫度；

tB—流體的溫度。

PTC的熱對流方式主要是自然對流，無強制對流，因此在進行計算時，空氣對流換熱系數的取值可以按照空氣自由對流換熱系數的標準來取值。

根據具體的實際情況，在保證計算精度的前提下，提出以下3點假設：1）只考慮PTC的空氣對流換熱以及熱傳導，不考慮熱輻射；2）PTC材料各物理性能參數各向同性；3）PTC周圍的空氣對流換熱為自然對流換熱，且空氣參數為國際標準空氣參數。

2 熱電耦合場的建立

ANSYS作為一個大型通用的有限元分析軟件，它是融合流場、溫度場、電磁場等于一體，涵蓋了多種耦合場的有限元分析，可進行線性、非線性、穩態、瞬態分析，廣泛應用于航空航天、機械制造、國防軍工、生物醫學、日用家電等工業制造及科學研究領域。

2.1 建立模型

如圖1所示的PTC加熱器，白色的小長方體即為PTC熱敏電阻。為了計算的方便，在滿足計算精度的前提下，根據實際測量，PTC的規格為30 mm×4 mm×10 mm。簡化的模型圖如圖2所示。

2.2 劃分網格

一般來說，網格劃分的數量越多，計算的精度就會越高，同時計算的規模也會越大。網格劃分主要包括以下三個步驟：

1） 定義單元屬性，包括單元類型、材料性質、單元坐標系等；

2） 定義網格生成控制；

3） 生成網格；

圖2 PTC模型圖

根據熱電耦合的實際需要，本文選用SOLID69號單元。材料的屬性包括電阻率、熱傳導系數等，由于PTC的材料物理參數是隨溫度變化的，因此建立對應的溫度與物理參數的表格，在表中兩溫度之前的物理參數，ANSYS會自動對照表格，按照插值計算的方法，計算出各節點溫度對應的物理參數。完成相關設置后，網格劃分如圖3所示。

圖3 劃分網格后的模型

2.3 施加載荷

1）熱物理環境的創建

在完成對熱分析所需要的有限元模型建立后，需要對熱分析施加載荷。最后將熱分析所有的設置操作內容全部寫入熱物理環境中。對熱分析施加的載荷包括：初始溫度載荷為20℃。在本文中PTC表面空氣對流換熱系數按空氣自由對流換熱系數8 W/M2·℃來取值。PTC的生熱率載荷由電場所得到的焦耳熱施加。

2）電磁物理環境的創建

熱物理環境創建完成后，需清除熱物理環境，進行電磁物理環境的創建，在完成定義電磁分析所需要的單元類型及材料屬性后，需對電分析施加載荷。對電分析施加的載荷包括：在PTC施加24 V的電壓。電分析需要的溫度載荷由熱分析經計算后得到的溫度施加。最后將電分析所有的設置操作內容全部寫入電物理環境中。

3) DO循環的準備

在準備DO循環之前，需要先讀入熱物理環境，然后對熱分析進行一次仿真計算，得到電分析所需要的溫度載荷。DO循環的步驟可以分為以下幾步：

(1) 讀入電磁物理環境；

(2) 從溫度場的結果文件中讀取TEMP的值；(3) 求解電分析；

(4) 讀入熱物理環境；

(5) 從電分析的結果文件中讀入HGEN的值；

(6) 求解瞬態熱分析；

(7) 按預設的時間增量增加時間；

(8) 判斷時間是否到達仿真結束時間。

3 仿真結果分析

在施加好載荷條件后，進入求解模塊進行模型的求解。經計算，在溫度場內得到PTC溫度隨時間變化關系如圖4所示。

圖4 溫度—時間變化曲線

同樣，經計算，在電場中得到PTC的電流隨時間變化關系，如圖5所示。

同時，通過仿真結果，通過中間變量TIME，我們可得到了瞬時的電流隨溫度變化的關系，從而達到仿真的目的。

4 結束語

為解決蓄電池恒流放電裝置的設計問題，利用有限元數值計算的方法，建立了PTC的三維有限元熱電分析模型，同時利用ANSYS熱電耦合仿真平臺，對PTC進行了熱電耦合場的分析，得到了PTC的電流隨溫度的變化關系。可根據該種關系，研究PTC通風發熱器的工作特性，設計控制算法，可以很好的完成蓄電池的恒流放電的任務，達到預期的效果。

[1] 陶文銼. 數值傳熱學(第二版)[M]. 西安∶ 西安交通大學出版社, 2001.

[2] 黨沙沙, 許洋, 張紅松. ANSYS12.0多物理場耦合有限元分析從入門到精通[M]. 北京∶ 機械工業出版社,2010.2.

[3] 方豐勤, 王曉遠. 基于PTC通風型加熱器的蓄電池恒流放電儀的設計[M]. 天津∶ 天津大學.

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[5] 王澤鵬, 張秀輝, 胡仁喜. ANSYS12.0熱力學有限元分析從入門到精通[M]. 北京∶ 機械工業出版社, 2010. 6.

Analysis on the Characteristics of PTC Thermistor by ANSYS

Zhao Qiang, Lu Fang
(Department of Control Engineer, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, China)

By adopting ANSYS finite element method, the transient thermoelectric coupling field of the PTCthermistor is gotten through modeling, meshing, loading and analyzing. The relationship between the PTCthermistor current and temperature lays is gained by simulation, which lay the foundation for the design ofthe constant discharge of battery.

PTC thermistor; temperature field; discharge of battery

TP212

A

1003-4862（2015）08-0040-03

2015-04-10

趙強（1992-），男，碩士生。研究方向：電力電子與電力傳動。