Termička simulacija i optimizacija strukture metaliziranih filmskih kondenzatora - Istraživanje primjene u elektroenergetskim sistemima novih energetskih vozila

 

Sa brzim razvojem novih energetskih vozila i sistema za pohranu energije, DC-kondenzatori visokih performansi DC-linka postali su nezamjenjiva osnovna komponenta u električnim pogonskim sistemima. Široko se koriste u DC filtriranju, motornim pogonima i inverterima, zamjenjujući tradicionalne elektrolitičke kondenzatore i demonstrirajući superiorne performanse u visoko-naponskim i visoko{4}}frekventnim okruženjima.

 

U električnim vozilima i hibridnim sistemima, kondenzatori, zajedno sa komponentama kao što su Battery Bus Bar, EV Battery Bus Bar, Power Bus Bar i Busbar Connector, čine kompletan sistem za prenos i skladištenje energije. U sistemima sabirnica, struktura i performanse odvođenja toplote kondenzatorske sabirnice i sabirnice za energetske kondenzatore direktno utiču na termičku stabilnost i sigurnost čitavog pogonskog modula.

 

Ovaj rad ispituje metalizirane filmske kondenzatore za vozila nove energije. Zasnovano na termičkom simulacijskom modeliranju i mjerenjima na terenu, ovaj rad istražuje karakteristike porasta temperature i optimizirane metode projektovanja kondenzatora u okruženju velikih strujnih talasa i visokih temperatura.

 

Ovo istraživanje pruža teorijsku osnovu za koordinirani dizajn odvođenja toplote kondenzatora, DC kondenzatorskih sabirnica i laminiranih kondenzatorskih sabirnica.

 

 

 

U električnim pogonskim sistemima, automobilska sabirnica nosi velike struje, a njeni gubici provodljivosti i toplotna provodljivost direktno utiču na ukupnu efikasnost kondenzatora i pretvarača. Visokofrekventne struje talasa{1}}zagrevaju i jezgro i sabirnicu. Kada temperature pređu projektovanu granicu, postoji opasnost od ispupčenja, loma ili čak puknuća.

 

Stoga, u okviru kompaktnog paketa, racionalan dizajn unutrašnjeg puta kondenzatora za provođenje toplote i strukture sabirnica (kao što je sabirnica za filmske kondenzatore sabirnica) je ključan za poboljšanje pouzdanosti sistema. Tehnologija termičke simulacije je ključni alat za postizanje ove optimizacije.

 

 

Konstrukcija modela i pretpostavke

Prilikom konstruisanja toplotnog simulacionog modela kondenzatora, kondenzator se razmatra kao kompletan sistem koji se sastoji od jezgre, sabirnice, izolacionog sloja, epoksidne mase za zalivanje i kućišta. Uzimajući u obzir termičku spregu između sabirnice kondenzatora i jezgre kondenzatora, model pretpostavlja sljedeće:

 

Jezgro i sabirnica su primarni izvori toplote, sa ravnomernom distribucijom toplote.

Epoksid ispunjava šupljinu, zanemarujući unutarnju konvekciju i prijenos topline zračenja.

Kućište i okolni vazduh odvode toplotu prirodnom konvekcijom, sa graničnom temperaturom vazduha od 85 stepeni.

Tokom procesa modeliranja, 3D struktura je kreirana u SolidWorksu i uvezena u softver za termičku simulaciju koristeći Parasolid format za umrežavanje. Ukupan broj mreža bio je približno 2,1 milion kako bi se osigurala tačnost analize.

 

Izvori topline i granični uvjeti

U simulaciji su razmatrana dva izvora toplote:

Zagrijavanje jezgre uslijed talasne struje.

Otporno grijanje zbog struje koja prolazi kroz sabirnicu kondenzatora.

U-nazivnim uslovima, sa strujom talasanja od 160A, proizvodnja topline u jezgri je izračunata na 1,10W, a proizvodnja topline sabirnice je približno 2,1W.

 

Definicija svojstva materijala

Na osnovu strukture metaliziranog filma namotane jezgre kondenzatora, različite vrijednosti toplinske provodljivosti su postavljene duž radijalnog i aksijalnog smjera kako bi se odrazila prava anizotropna svojstva. Sabirnica je izrađena od bakra ili aluminijuma visoke provodljivosti, čija toplotna provodljivost odgovara dizajnu sabirnice, obezbeđujući brz prenos toplote do kanala za disipaciju toplote ili izvan izolacionog sloja sabirnice.

 

Rezultati izračuna

Rezultati simulacije pokazuju da pod temperaturom okoline od 85 stepeni i strujom talasanja od 160A, temperatura najtoplije tačke kondenzatora dostiže 109,2 stepena. Porast temperature je koncentrisan u području kontakta između jezgre i konektora sabirnice, što ukazuje da je termička sprega na spoju kondenzatora{4}}sabirnice ključni faktor koji utiče na ukupnu distribuciju temperature.

 

 

 

Kako bi se provjerila pouzdanost rezultata simulacije, provedeno je termičko ispitivanje na stvarnim uzorcima. Senzori temperature su ugrađeni na ključnim lokacijama unutar tijela kondenzatora kako bi snimili stabilnu-distribuciju temperature kondenzatora pod temperaturom okoline od 85 stepeni i strujom talasanja od 160A. Eksperimentalni rezultati su se dobro slagali sa podacima simulacije, sa maksimalnim odstupanjem od najviše 3 stepena, što pokazuje visoku tačnost modela.

 

Mjerenja su također pokazala da se ukupni porast temperature kondenzatora smanjio za približno 5% kada se koristila sabirnica za laminiranje kondenzatora i sabirnica za energetske kondenzatore, od kojih oba nude poboljšanu toplotnu provodljivost, efektivno poboljšavajući toplotnu ravnotežu.

 

 

Optimizacija termičkog puta

Dodavanje dielektričnog sloja visoke{0}}toplotne-konstrukcije na interfejsu između kondenzatora i sabirnice DC kondenzatora smanjuje kontaktnu toplotnu otpornost i značajno smanjuje vruće tačke.

 

Strukturna integracija

Integracija kondenzatora sa sabirnicom baterije i konektorom sabirnice pomaže u smanjenju induktivnosti strujne petlje i poboljšanju efikasnosti odvođenja toplote.

 

Rešenje za eksterno hlađenje

Simulacija protoka cijelog sistema sabirnica dalje određuje optimalni raspored vanjskog hlađenja zraka ili tekućine, osiguravajući dugoročno-stabilan rad sistema.
 

 

Komparativna studija termičke simulacije i terenskih mjerenja pokazuje da:

 

Generisanje toplote u DC-kondenzatorima sa filmom je prvenstveno koncentrisano na interfejsu između jezgra i sabirnice.

Model precizno predviđa distribuciju porasta temperature, vodeći koordiniranu optimizaciju strukture kondenzatora i kondenzatorske sabirnice.

Korištenje strukture sabirnica visoke-toplotne-provodljivosti (kao što je sabirnica za filmske kondenzatore sabirnica) može efikasno smanjiti temperature vruće tačke kondenzatora i produžiti vijek trajanja.

 

U dizajnu velike gustine-snage-budućih novih energetskih vozila i uređaja za skladištenje energije, koordinirani termički dizajn sabirnice EV baterije, sabirnice snage i sabirnice kondenzatora bit će ključni pristup poboljšanju efikasnosti i sigurnosti sistema. Kombinacija simulacije-prvo, optimizacije strukture i verifikacije sistema može promovirati razvoj integrirane inteligentne proizvodnje automobilskih sabirnica i kondenzatorskih komponenti, donoseći veću tehnološku konkurentnost industriji energetske elektronike.