均衡器热分析1

1、均衡器热分析报告上海第二工业大学 2012年2月目 录1.前言32.均衡器结构33.均衡器热输入条件和工况分析33.1热输入条件33.2 发热器件分布43.3热耗43.4器件及材料参数54.热仿真模型的建立54.1模型简化假设54.2仿真模型的建立54.3仿真计算初始条件的设定75. 计算结果及分析75.1 环境温度为55下的计算结果75.2 环境温度为-10下的计算结果106结论141. 前言均衡管理器的两个电池单体遥测模块将对蓄电池组串联的单体电压进行变换，得到04.5V的单体电压遥测值，变换后的单体电压模拟信号传于TM/TC模块，转换为数字量，然后输出给综合电子分系统，由综合电子将单体电

2、压进行比较，当锂离子蓄电池组中各单体电池电压相对于其中最低单体电池电压差值大于设定值时，综合电子将对应的发出该单体电池均衡接通的指令，则该单体电池通过底板上的均衡电阻进行放电均衡，旁路均衡电流不小于300mA。由于其内部的线路板、元器件及功率管长时间大功率工作，因此合理的热设计对均衡器来说是至关重要的。本文针对均衡器进行了热仿真分析。根据系统输入条件及相关要求，抽取典型工况，建立了整个均衡器热模型，利用电子设备热分析软件Flotherm计算得到了整个均衡各处温度分布。2. 均衡器结构均衡器外形图如图2-1所示。图2-1 均衡器外形图3. 均衡器热输入条件和工况分析3.1热输入条件均衡管理器按照

3、有5路单体进行均衡的工作模式进行热学分析。均衡器工作温度-1055。3.2 发热器件分布均衡管理器的主要发热器件放置于均衡管理器底板和与底板相连的结构上。均衡器底板各发热元器件位号及分布，如图3-1所示。图3-1均衡器底板各发热元器件位号及分布3.3热耗5路均衡工作模式：1) 每个均衡电阻通过300mA电流，阻值3002) 每个均衡电阻功耗：1.357W3) 预接通电阻功耗：4.76W4) DC/DC功耗：4.5W5) 滤波模块功耗：1W表3-1 均衡器各模块热耗序号名称位号功耗（W）热阻（/W）结温（）1功率电阻R11.357/2功率电阻R21.357/3功率电阻R31.357/4功率电阻R

4、41.357/5功率电阻R51.357/6功率电阻R61.357/7 功率电阻R71.357/8功率电阻R81.357/9功率电阻R91.357/10 功率电阻R104.76/11DC/DCN24.5/8512DC/DCN44.5/8513滤波模块N11/8514滤波模块N21/8515二极管D13.50.831751级降额：10016 二极管D23.50.831751级降额：1003.4器件及材料参数均衡管理器中所用NMOS管为2N7225，理论热阻为0.83/W；PMOS管为2N7236, 理论热阻为1/W；二极管为1N7039，理论热阻为0.83/W。最高175，I级降额100。绝缘导热

5、材料为SilPad2000：2.02（0.33-in2/W）。4. 热仿真模型的建立4.1模型简化假设（1）由于计算中采用定温边界条件，即设定壳体的外表面温度为一固定温度，因此，模型中去除了壳体上的加强肋、螺纹孔、倒角、圆角等细节信息；（2）对形状不规则的结构和元器件按照等效辐射面积进行简化处理；（3）对于热功耗较大的元器件按照其实际几何尺寸和位置建立模型；（4）直接安装在铝板上的元器件视为与铝板之间有绝缘并填充导热脂。4.2仿真模型的建立均衡器模型按照实际尺寸建立模型，材料为硬铝，导热系数为200.96W/（mK）、密度为2800kg/m3、比热容为1.0465kJ/（kgK）。PCB板为覆

6、铜箔环氧玻璃布层压板（FR4），由绝缘体和铜线经过加热和加压制作而成，根据铜线的厚度和铜线的覆盖率（铜线面积占PCB板面积的百分比），生成一种具有各向同性的均一传导率为0.3 W/（mK）、密度为1200kg/m3、比热容为880kJ/（kgK）的材料。元器件根据尺寸及各自在PCB板，底板和侧板的相对位置建模，封装材料选用金属封装。当PCB板上有电流通过时，元器件工作的同时必将有一部分电能以热量的形式耗散，这部分耗散的热量称为元器件的热耗。为简化模型，认为所有大功率元器件的热耗均等于功耗。建模坐标系如图4-1所示。通常，划分的网格越多，计算的精度越高，但网格过多将使计算时间过长而精度却得不到明

7、显的提高。由于系统中存在相对高热量元件，使得求解域内的热量分布不均，所以将细密的局部网格应用于高热量的大功率元件，而对其他元件均采用粗糙网格，该模型网格数目为56810。所建热分析模型及网格划分见图4-2所示。ZXY图4-1 均衡器建模坐标系图 4-2 均衡器热分析模型及网格划分4.3仿真计算初始条件的设定根据均衡器的实际工作环境，散热方式以元器件与结构之间的热传导和结构向外太空的热辐射为唯一途径，控制器的计算域为整个机箱所占据的三维空间，故设定热仿真分析的初始条件为：c 环境温度：分别为：-10，55c 模型类型：三维模型c 使用单位：毫米c 建模方式：稳态建模c 湍流模型：自动湍流c 计算

8、类型：流动和传热c 系统换热系数：5 W/（m2K） 箱体表面换热系数：1500 W/（m2K）c 重力方向：-Yc 相对压力（Pa）：0c 求解迭代次数：5005. 计算结果及分析5.1 环境温度为55下的计算结果 均衡器温度分布图如图5-1图5-6所示。表5-1列出各非零功率元件的温度值。由Flotherm软件得到各元件的壳温，根据经验公式： 计算得出。其中，Rth为元件的热阻值，为元件结温和壳温的差值，PD为元件消耗的功率。图 5-1 X方向温度分布图（1）图 5-2 X方向温度分布图（2）图 5-3 X方向温度分布图（3）图 5-4 Y方向温度分布图（1）图 5-5 Y方向温度分布图（2）图 5-6 Z方向温度分布图表3-1 均衡器各模块热耗序号名称位号功耗（W）壳体温度（）结温（）1功率电阻R11.35762.249/2功率电阻R21.35763.218/3功率电阻R31.35763.938/4功率电阻R41.35764.526/5功率电阻R51.35764.889/6功率电阻R61.35762.401/7 功率电阻R71.35763.467/8功率电阻R81.35764.412/9功率电阻R91.35765.245/10 功率电阻R104.7666.4