基于ANSYS Icepak的車載電源機箱熱仿真分析

彭錦， 李海霞， 張翔， 黃雅菁

基于ANSYS Icepak的車載電源機箱熱仿真分析

彭錦， 李海霞， 張翔， 黃雅菁*

（上海行健職業(yè)學院 信息技術(shù)與機電工程系，上海 200072）

根據(jù)某型號的車載電源熱載荷要求，對電源機箱內(nèi)的各電源模塊和機箱進行熱仿真分析.根據(jù)車載電源實物建立實物三維模型.確定網(wǎng)格劃分參數(shù)和電源機箱各元器件參數(shù)，計算車載電源內(nèi)部元器件的熱堆集，以及機箱在風冷條件下的整體表面散熱性能.通過ANSYS Icepak軟件進行有限元熱仿真分析，驗證機箱設計條件、升溫幅度.為優(yōu)化和改進該型號車載電源機箱外觀設計、散熱形式、內(nèi)部元器件布置和內(nèi)部元器件功率的選擇提供參考.

熱仿真； ANSYS Icepak； 車載電源； 機箱

0 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，車載電子設備的穩(wěn)定性和可靠性要求不斷提高.高溫、高濕、高震動的復雜工作環(huán)境對車載電源的工作狀況提出了很高的要求.電子產(chǎn)品的可靠性與溫度緊密相關(guān)，大約55%的電子產(chǎn)品故障源于不適宜的工作溫度，對于部分電子元器件來說，外部工作溫度每升高10℃，其工作壽命將降低一半［1］.如果不對車載電子設備進行科學的熱分析、合理的熱設計，那么其失效率會非常高，導致工作壽命縮短，從而無法保證其可靠性［2］.

熱仿真是一種高效、簡便、經(jīng)濟的技術(shù)手段.熱仿真技術(shù)可以在無實物或者在不改變實物的條件下，將被模擬對象的材料、性能、功耗、形狀參數(shù)及外部環(huán)境等多種變量信息輸入仿真系統(tǒng)中，通過計算可以獲取不同條件下產(chǎn)品的散熱情況，可以很直觀地觀察到整個產(chǎn)品、單個部件溫度堆集［3］.因此，直觀清晰的熱仿真結(jié)果可以針對性地對電子產(chǎn)品的熱設計方案進行優(yōu)化.熱仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品的設計、分析、制造領(lǐng)域的應用越來越廣泛，通過參數(shù)化的分析可以有效緩解電子產(chǎn)品的熱堆集效應，通過合理的布局也可以避免整體溫度和局部溫度相差過大的問題.

基于某型號特種車輛長時間在特殊的環(huán)境中行駛，為了保證車載電源的穩(wěn)定可靠，本文作者對其進行熱仿真，以驗證該型號電源性能.

1 車載電源機箱的組成

因為該型號車載電源為模塊化的形式安裝于車輛上，其外形結(jié)構(gòu)必須匹配現(xiàn)有接口.機箱外殼和背板采用鋁合金材料制造，由螺紋零件鏈接.機箱尺寸為255.5 mm×235.0 mm×53.0 mm，只有一個腔體且內(nèi)部無分段，外殼上有部分非常小的傳感器和指示燈安裝孔.散熱鰭片可以提高散熱效率［4］，電源機箱的散熱鰭片用以提升散熱效果，如圖1所示.其主要元器件由4個印制電路板（PCB）和3個電源模塊組成，如表1所示.

圖1　車載電源組成

表1　車載電源主要元器件表

2 機箱熱仿真計算

車載電源的機箱工作環(huán)境比較惡劣，高溫、高濕并伴有持續(xù)的、不規(guī)則的震動沖擊，內(nèi)部金屬材料極易受到腐蝕，非金屬材料也會在持續(xù)的高溫、震動環(huán)境中老化、失效.為了盡可能降低外界環(huán)境對車載電源內(nèi)部精密元器件的損害，將電源機箱做密封處理，全封閉結(jié)構(gòu)的鋁合金外殼也會形成有利于內(nèi)部電子元器件工作的電磁屏蔽層，對工況極其苛刻的車載機箱電源起到了有效的保護作用.

通過對以上機箱工況的分析可以確定，機箱內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量會以傳導的形式傳遞給周圍部件，并與外部空氣進行熱交換，使熱量傳導到機箱外部.

假設車載電源機箱內(nèi)部電源模塊1、電源模塊2和電源模塊3對應的熱功耗分別為1，2和3；PCB1，PCB2，PCB3和PCB4的熱功耗分別為4，5，6和7，由表1可知整個車載電源的功耗為：

total=1+2+3+4+5+6+7=104.6 W.

機箱熱穩(wěn)態(tài)下的散熱表面熱流密度為［5］：

=total/

其中，表示車載電源機箱表面的散熱總面積，本研究中，=1 494.13 cm2；=0.07 W·cm-2.相較于空氣自然對流，在強迫空氣冷卻的情況下，機箱的散熱效果更佳［2］.取低（2.5 m·s-1）、中（5.0 m·s-1）和高（7.5 m·s-1）三檔風速做仿真計算.

2.1　邊界條件

環(huán)境溫度：20 ℃.由于電源機箱為封閉空間，其內(nèi)部為空氣的自然流動，流動形式為湍流.機箱外部為20 ℃強迫空氣冷卻環(huán)境，機箱裝配的風扇提供2.5～7.5 m·s-1可調(diào)的風速，以滿足機箱對散熱和噪聲的要求.

PCB板絕緣材料為玻纖（RF4），導體部分材質(zhì)為純銅，所占的體積比為15%.模塊材質(zhì)為銅合金.模塊1為銅合金，其他模塊為金屬-非金屬材料，機箱外殼和底板為鋁合金.

2.2　模型簡化

將建立的車載電源三維數(shù)模導入ANSYS Icepak中，對數(shù)模進行模型簡化.簡化過程中，在現(xiàn)有計算機硬件的條件下，盡可能保證單個零件不被劃分為更小的模塊，因為更多數(shù)量的模塊會使計算量造成指數(shù)級的上漲，導致ANSYS Icepak軟件無法工作.由于車載電源的內(nèi)部元器件被外殼和底板完全封閉，整個機箱電源的散熱由傳導起主要作用，可以忽略車載電源機箱內(nèi)的對流、輻射等熱交換方式，同時只建立PCB板和電源模塊的模型，忽略其他無關(guān)的部件.在對數(shù)模進行簡化時遵循如下規(guī)則：

1） 忽略機箱內(nèi)部線纜的熱損耗；

2） 忽略各種體積較小的機箱結(jié)構(gòu)件、對熱傳導無實質(zhì)性影響的部件；

3） 忽略機箱外殼上尺寸較小、對散熱影響不大的裝配孔，簡化對散熱影響不大的凹槽，將機箱壁簡化為統(tǒng)一厚度；

4） 簡化PCB板時，忽略板上對熱傳導影響不大的開孔；

5） 設定各個電源模塊為單一、均勻的發(fā)熱模塊.

簡化后的模型如圖2所示.

圖2　簡化后的模型

2.3　網(wǎng)格劃分

將簡化后的模型導入ANSYS Icepak軟件中，對三維模型進行網(wǎng)格劃分.對于無內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)傳熱過程，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分精度最高［6］，但三維模型中存在不規(guī)則多邊形和弧形，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分效果不佳，故采用Hexa Unstructured非結(jié)構(gòu)化劃分方式.

3 結(jié)果分析

仿真環(huán)境嚴格按照邊界條件設定，表面溫度數(shù)值通過多點采樣取平均值獲得.風速為2.5 m·s-1時，電源的最低溫為20.00 ℃，電源中PCB2的溫度最高，為47.35 ℃，平均溫度為33.75 ℃，機箱外表面溫度最高為46.27 ℃，最低為29.51 ℃；風速為5.0 m·s-1時，電源最低溫度為19.90 ℃，PCB2的溫度最高，為37.79 ℃，機箱平均溫度為26.68 ℃；在風速為7.5 m·s-1時，電源的最低溫為20.00 ℃，PCB2的溫度最高，為36.56 ℃，機箱平均溫度為25.53 ℃，機箱外表面溫度最高為34.73 ℃，最低為22.56 ℃.不同風速下車載電源及機箱表面溫度和升溫（統(tǒng)計時間內(nèi)最低溫到最高溫產(chǎn)生的溫度上升絕對值）如表2所示.

表2　不同風速下車載電源及機箱表面溫度

由表2可知：風速由2.5 m·s-1提高到5.0 m·s-1，機箱機箱表面最高溫度下降22.96%；風速由5.0 m·s-1提高到7.5 m·s-1，機箱機箱表面最高溫度下降3.82%.

機箱整體散熱趨勢一致，故分析風速5.0 m·s-1時，機箱的散熱情況.此時電源中PCB 2溫度最高，但其與機箱不直接接觸.除PCB2之外，模塊1也處于機箱最高溫度區(qū)域，其溫度為37.07 ℃，而PCB1和機箱外殼直接接觸的熱量可以直接傳導至機箱表面，如圖3所示.

圖3　5.0 m·s-1風速下機箱內(nèi)部元器件熱量云圖

車載電源時外部處于強迫空氣冷卻環(huán)境，冷空氣均勻平行通過散熱鰭片，由近手柄側(cè)流入，遠手柄側(cè)流出.由于電源機箱是密閉的，外部流動的冷空氣與機箱內(nèi)部的空氣無法進行直接的熱交換，從機箱外部切面的速度矢量散熱圖（圖4）可以看到，冷空氣沿著機箱流動時，會從機箱側(cè)壁帶走熱量.當冷空氣穿過散熱鰭片時，由于流通橫截面積減小，空氣流速加快，空氣升溫非常明顯，帶走了大量的熱量，故近手柄側(cè)的空氣溫度低于遠手柄側(cè)的溫度，空氣在流動過程中持續(xù)與散熱鰭片進行熱交換，隨著時間的推移，熱積聚效應也更加明顯.

圖4　速度矢量散熱圖.

（a） 散熱鰭片頂部截面；（b） 散熱鰭片根部截面；（c） 機箱外殼中部截面

對滿足熱仿真結(jié)果要求的機箱電源進行制造，并在環(huán)境溫度為20.00 ℃、風速為5.0 m·s-1強迫冷卻工作條件下，測定其溫度，機箱電源表面最高溫度為37.70 ℃，與理論值相比，絕對誤差為-1.59 ℃，升溫17.70 ℃，升溫幅度僅為閾值的59%，說明該型號車載電源機箱的外形設計及強迫冷卻條件完全滿足工作預期，在給定的工況下，能較好地與外界進行熱交換，工作中產(chǎn)生的熱能得以及時釋放，如圖5所示.

圖5　機箱電源外殼熱成像圖

4 結(jié) 論

本研究的車載電源機箱風扇能保證電源的升溫幅度不超30 ℃，熱負載滿足工作設計需求.風速越大，對車載電源機箱表面的散熱效果越好，但適中的風速能夠在保證噪聲控制的情況下，達到最優(yōu)的散熱效果.

另外，車載電源元器件、機箱外殼的溫度受環(huán)境的影響非常大.機箱表面溫度不均勻是由于內(nèi)部元器件的發(fā)熱傳導所致.散熱鰭片能有效地降低車載電源機箱表面的溫度，但是要讓車載電源的電子元件穩(wěn)定而高效地運轉(zhuǎn)，還需要對車載電源機箱進行強迫空氣冷卻.從現(xiàn)有仿真實驗數(shù)據(jù)來看，風扇提供的風速和機箱表面降溫效果成正比，風速、風量等其他因素是否對機箱的溫控有重要影響，還需在下一階段的試驗中進行探索.

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ANSYS Icepak-based thermal simulation analysis of vehicle power supply chassis

PENGJin， LIHaixia， ZHANGXiang， HUANGYajing*

（Department of Information Technology and Mechatronic Engineering， Shanghai Xingjian College， Shanghai 200072， China）

According to the thermal load requirements of a model of vehicle-mounted power supply，thermal simulation analysis of each power module and chassis in the power supply chassis is carried out. Establish the physical 3D model according to the physical vehicle power supply. Determine the meshing parameters and the parameters of each component of the power supply chassis. Calculate the thermal stacking of the internal components of the vehicle power supply and the overall surface heat dissipation performance of the chassis under air-cooling conditions. Perform finite element thermal simulation analysis by ANSYS Icepak software. Verify the chassis design conditions，temperature rise magnitude. To optimize and improve the appearance design，heat dissipation form，internal component arrangement，internal component power selection for the reference of this model of vehicle power supply chassis.

thermal simulation； ANSYS Icepak； vehicle power supply； chassis

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2022.04.021

2021-11-17

彭 錦（1987—）， 男， 工程師， 助教， 主要從事飛行器制造方面研究. E-mail： jinofhust@163.com

黃雅菁（1983—）， 女， 工程師， 助教， 主要從事商務軟件方面的研究. E-mail： 78920831@qq.com

彭錦， 李海霞， 張翔， 等. 基于ANSYS Icepak的車載電源機箱熱仿真分析 ［J］. 上海師范大學學報（自然科學版）， 2022，51（4）：544?549.

PENG J， LI H X， ZHANG X， et al. ANSYS Icepak-based thermal simulation analysis of vehicle power supply chassis ［J］. Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）， 2022，51（4）：544?549.

TP 391.9

A

1000-5137（2022）04-0544-06

（責任編輯：包震宇）